利用50W實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)定75W電路的S參數(shù)

經(jīng)常接觸有線、地面或者衛(wèi)星電視應(yīng)用的射頻工程師往往需要對(duì)這些應(yīng)用電路做S參數(shù)測(cè)試。有經(jīng)驗(yàn)的工程師在首次測(cè)量時(shí)，會(huì)驗(yàn)證電視調(diào)諧器是否產(chǎn)生他們預(yù)期的回波損耗，如果一致，則問(wèn)題就簡(jiǎn)化為：如何用一個(gè)50W矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量75W被測(cè)器件的S參數(shù)。如果資金充裕，解決辦法就是購(gòu)進(jìn)一種專(zhuān)門(mén)用于測(cè)試75W電路的實(shí)驗(yàn)儀器(具有75W源和負(fù)載阻抗測(cè)試端口)。否則使用最小損耗焊盤(pán)將輸入和輸出阻抗從50W轉(zhuǎn)換到75W，這種方法簡(jiǎn)單易行，并且能夠得到合理的測(cè)量結(jié)果。
當(dāng)IC生產(chǎn)廠商需要測(cè)定一個(gè)用于有線電視的低噪聲放大器的輸入回波損耗時(shí)，所有測(cè)量結(jié)果必須以75W為標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，如果輸入回波損耗|S11|=-30dB(反射功率是總功率的千分之一，基本上屬于理想匹配)，被75W源阻抗驅(qū)動(dòng)時(shí)，理想情況下，被測(cè)器件基本上把所有功率傳遞到低噪聲放大器中。

圖1  用于匹配75W被測(cè)器件和50W測(cè)試端口的最小損耗焊盤(pán)。低頻插入損耗5.72dB。頻率響應(yīng)函數(shù)的平坦度上限由網(wǎng)絡(luò)的配置質(zhì)量決定。

當(dāng)由50W信號(hào)源驅(qū)動(dòng)時(shí),如典型的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)發(fā)生器和噪聲系數(shù)表等，相同的調(diào)諧器輸入將不再提供良好的回波損耗特性。直接將這個(gè)完全匹配的電視調(diào)諧器的輸入與一個(gè)50W矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連，會(huì)產(chǎn)生-14dB的輸入回波損耗，即反射功率將為總功率的1/25。因此,用這個(gè)相同的50W矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀驗(yàn)證電視調(diào)諧器輸入是否正常時(shí)，需要采取某些措施。在這種情況下，相應(yīng)的匹配電路是必須的。匹配電路必須具有平坦的頻率響應(yīng)曲線和盡可能低的插入損耗。業(yè)界廣泛認(rèn)可的方案是：使用最小損耗焊盤(pán)(簡(jiǎn)稱(chēng)MLP)，圖1是最簡(jiǎn)單的純電阻網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)最明顯的特征是能將輸入和輸出阻抗從75W轉(zhuǎn)換到50W，或者從50W轉(zhuǎn)換到75W。這樣可以消除反射，使響應(yīng)特性變得平坦，并且網(wǎng)絡(luò)的損耗能夠非常簡(jiǎn)單地從測(cè)試儀器標(biāo)定到被測(cè)器件。很多測(cè)試設(shè)備生產(chǎn)廠商可以提供此類(lèi)最小損耗焊盤(pán)，并且網(wǎng)絡(luò)易于建立。
從ZLOAD到ZLOAD' 轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式參見(jiàn)附錄。所得出的ZLOAD'表達(dá)式說(shuō)明了測(cè)試端口(RSOURCE)的等效MLP和DUT的級(jí)聯(lián)阻抗。將公式變形，并用ZLOAD'解出ZLOAD，采取這種方法可以反映出MLP的影響，并且能夠從測(cè)試數(shù)據(jù)中測(cè)定真實(shí)的ZLOAD值，其結(jié)果為：

相應(yīng)的驗(yàn)算過(guò)程也是必要的。例如,通過(guò)MLP對(duì)一個(gè)75W電阻做阻抗測(cè)量，并假定網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測(cè)定RLOAD'=50W (回波損耗無(wú)窮大)。假定RLOAD'=50W，得出R1=43.3W，R2=86.6W，如預(yù)期那樣得到 ZLOAD=75W。

圖2  用50W VNA測(cè)試MAX3558有線/地面廣播系統(tǒng)的低噪聲放大器(兩個(gè)MLP作阻抗轉(zhuǎn)換)

如果將實(shí)部和虛部分開(kāi)并且利用已得出的數(shù)據(jù)表來(lái)計(jì)算。通常對(duì)75W被測(cè)器件的測(cè)試將不僅局限于阻抗測(cè)試，回波損耗、增益、反向隔離、噪聲系數(shù)和IIP3輸入三階截點(diǎn)測(cè)試也十分常見(jiàn)。在這種情況下，就有必要對(duì)MLP做一些總體的說(shuō)明。
1. 只要RLOAD 接近75W，那么由于MLP的不匹配而產(chǎn)生的額外的駐波比將是最小的。可以忽略由于不匹配產(chǎn)生的測(cè)量誤差。
2. 相反，如果RLOAD 值與75W相差甚遠(yuǎn)，那么MLP就不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖杩罐D(zhuǎn)換。這將會(huì)在測(cè)量端口和MLP以及MLP與被測(cè)器件之間產(chǎn)生額外的駐波比，從而導(dǎo)致額外的測(cè)量誤差。
3.在指定的頻率范圍之外，MLP可以被看作純電阻。它提供了5.7dB的插入損耗，再加上由于連接器和連接線而產(chǎn)生的附加損耗。
4. S11或者S22測(cè)量輸出和返回路徑的損耗，傳輸損耗通過(guò)S21或S12測(cè)量。是插入損耗的兩倍(至少11.4dB)，這降低了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的有效靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
假定測(cè)量一個(gè)有線/地面廣播電視用低噪聲放大器的S21，如Maxim公司的 MAX3558 四路低噪聲放大器。將被測(cè)器件插入檢測(cè)裝置，輸入和輸出均有MLP，如圖2所示。然后校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,不包括MLP. 將端口1和一個(gè)MLP的50W端口相連，而將75W端口與LNA的輸入相連。相同的情況也適用于另一個(gè)輸出和VNA的端口2。
測(cè)量S21(前饋增益)時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在500MHz頻率處會(huì)指示一個(gè)接近-5dB的增益。來(lái)自兩個(gè) MLP及其連接器/適配器的插入損耗為11.5或12.0dB，LNA提供給75W的功率增益是7dB。
S12(反向隔離)的測(cè)量就沒(méi)有那么直觀。這些低噪聲放大器的隔離參數(shù)是65dB，考慮到兩個(gè)MLP帶來(lái)的額外損耗，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本身需有77dB的S12。如果不仔細(xì)的話，會(huì)由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端的功率太小而導(dǎo)致無(wú)法精確測(cè)量。所以，接收端的功率(端口1的功率)要比矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲/內(nèi)部隔離至少高10dB，如果沒(méi)有隔離校準(zhǔn)，大概是-100dBm。因此需要設(shè)定源端口的功率至少是-20dBm，其最佳值是-10dBm或0dBm。當(dāng)端口1有足夠的接收功率時(shí)，就可以進(jìn)行測(cè)量: 在測(cè)量值上增加12dB表示插入損耗。也就是說(shuō)，-77dB的測(cè)量值在被測(cè)器件看來(lái)變成了-65dB。
MAX3558評(píng)估板上提供有焊盤(pán)，允許工程師在PCB上插入他們自已想要的最小損耗焊盤(pán)。值得注意的是，必須用50W SMA接頭或類(lèi)似產(chǎn)品替代75W F型連接器。
在頻率為幾百兆赫茲時(shí)，由0402電阻建立起來(lái)的PCB板上MLP會(huì)產(chǎn)生測(cè)量的準(zhǔn)確性問(wèn)題。寄生效應(yīng)會(huì)破壞先前的假設(shè)條件，也即這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是純電阻網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似的情況就需要用更復(fù)雜的方法。其中一種方法是完全測(cè)定MLP的特性，并且用Smith圓圖精確標(biāo)定匹配電路帶來(lái)的影響。另一種解決辦法是使用由電感組成的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行阻抗變換，這樣能減少損耗。射頻轉(zhuǎn)換器通常由它們的阻抗轉(zhuǎn)換率來(lái)表示，而不是轉(zhuǎn)換比率，所以經(jīng)常會(huì)有"1.5:1"出現(xiàn)。
對(duì)頻率小于1GHz實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由1% 0402或類(lèi)似電阻組成的PCB板上MLP提供了一種快速、簡(jiǎn)便測(cè)試75W電路的方法。通常,唯一需要更正的參數(shù)是MLP的插入損耗，即5.7dB加上其它額外的連接器件的損耗。在做基本的S參數(shù)測(cè)量時(shí)并不需要復(fù)雜的計(jì)算或Smith圓圖。當(dāng)需要較高的測(cè)量精度或更高的頻率范圍時(shí)，高質(zhì)量的MLP通?？梢詮膶?shí)驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠商獲得?！?(俊峰譯)