執(zhí)行毫米波測試分析的4個技巧

微波和毫米波頻率的工程設(shè)計有著內(nèi)在的挑戰(zhàn)性。當(dāng)射頻工程師轉(zhuǎn)向毫米波頻率和更寬帶寬的設(shè)計時，他們必須解決微波和毫米波頻段帶寬更寬、數(shù)據(jù)速率更高所帶來的噪聲增加問題。如此處所示，這種噪聲降低了信噪比（SNR），并最終減小了信道容量增益。

圖1：比較不同信道帶寬的最大頻譜效率。

S 形曲線顯示了頻譜容量和信道效率如何隨著帶寬的增加而減小

圖1還顯示了現(xiàn)有業(yè)務(wù)的頻譜效率和使用的信道帶寬。射頻工程師已經(jīng)將這方面的理論 轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。隨著毫米波技術(shù)的普及，這些權(quán)衡都可以優(yōu)化。

執(zhí)行毫米波頻率測試是一項需要小心謹慎的重要工作。在較低頻率下可以忽略的許多因素在毫米波應(yīng)用中變得非常重要。精度和動態(tài)范圍已經(jīng)隨著頻率的增加而下降，而您并不想影響其他特性，包括精度、可重復(fù)性或連接損耗。由于您購買的測量解決方案（包括信號分析儀、信號發(fā)生器和相關(guān)設(shè)備）變得更加昂貴，所以您希望盡量發(fā)揮其全部性能，并盡量節(jié)省成本。

無論是否在毫米波頻率上進行過多次測量，您可能都會關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展。隨著無線和其他應(yīng)用向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展，頻率覆蓋范圍不再短缺。在毫米波頻率上進行精確、可靠的測量必然會對您提出挑戰(zhàn)，要求您磨練自身技能，并更加重視某些您在射頻乃至微波頻率上曾經(jīng)忽視的要素。

向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展時，這四個優(yōu)化毫米波信號分析的技巧就顯得異常重要。

? 技巧 1：連接器保護器可以發(fā)揮重要作用。

圖2：許多毫米波信號發(fā)生器和分析儀的前面板使用有大直徑凸面法蘭的陽頭連接器。

作為連接器保護器的同軸適配器是一個實用的配件，以減輕磨損和損壞更微妙的輸入連接器。解決連接權(quán)衡的一個方法是不采用末端配陽頭連接器的常規(guī)電纜，而是使用其他類型的電纜以減少一些適配器。尤其是不經(jīng)常取下電纜時，電纜可以取代連接器保護器并簡化測試連接。另外，還應(yīng)仔細考慮電纜長度和質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的電纜可能很昂貴，但卻是提高精度和可重復(fù)性最經(jīng)濟高效的方式。

連接器保護器的另外兩個優(yōu)點是“消耗品”和“可替換”。毫米波連接器自然是小巧精致，而更換儀器前面板連接器則是成本高昂。更重要的是，儀器通常需要重新校準而暫時無法使用。

若需要頻繁改變連接，那么可以將犧牲適配器半永久地連接到儀器的前面板上。當(dāng)適配器損壞或磨損后，可以很容易地以適度的費用更換適配器。相對而言，即使是最昂貴的計量級適配器在成本上也少于儀器維修和重新校準的費用。

? 技巧 2：外混頻或直接頻率覆蓋，哪一種是您的最佳選擇？

圖3：這里顯示了兩種解決方案。

預(yù)算和測試設(shè)置考慮因素將在今天可用選項中決定最佳選擇方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。長期以來，外混頻（左）都是進行毫米波頻率測量的一種經(jīng)濟、實用的方式。圖3中，實用毫米波測量最初是用外部混頻器（左）實現(xiàn)的，但是直接覆蓋毫米波頻段的信號分析儀（右）正用得越來越多。

外混頻提供了一種成本更低的解決方案，其中頻率范圍較低的分析儀可通過直接波導(dǎo)輸入來處理毫米波信號。在實際運用中，這種設(shè)置比一體化解決方案更加復(fù)雜，但是具有 USB 即插即用功能的智能混頻器等創(chuàng)新使連接和校準過程更加方便。外混頻器的缺點是：

1)      它們是分頻段的，這限制了其頻率范圍。

2)      它們?nèi)狈斎胝{(diào)理，如濾波器、衰減器和前置放大器。

3)      此外，它們的有效測量帶寬受到主機分析儀中頻帶寬的限制，這對于經(jīng)常在毫米波頻率上使用的寬帶信號來說是一個問題。

4)      最后，外混頻器通常需要某種信號識別過程，以便分離多余的混頻器產(chǎn)物，這些產(chǎn)物在分析儀顯示屏上表現(xiàn)為假信號或混疊信號。對于窄帶信號，信號識別非常簡單；但對于寬帶信號，則可能很難實現(xiàn)。

毫米波信號分析儀提供了一個在幾乎所有方面都更出色的測量解決方案，但其價格也更高。它們提供直接而連續(xù)的頻率范圍和校準結(jié)果。它們的濾波和處理能力使識別信號的過程變成多余，并且它們的輸入調(diào)理簡化了靈敏度或動態(tài)范圍的優(yōu)化。

靈敏度是毫米波頻率測量的另一個基本指標(biāo)。一方面，在這些頻率上很難傳輸高功率，并且所使用的寬帶寬可能會聚集大量噪聲，從而限制信噪比。優(yōu)化信號分析儀的顯示平均噪聲電平（DANL）以及謹慎進行連接，可以得到優(yōu)異的雜散和****測量結(jié)果。

? 技巧 3：使毫米波連接達到正確轉(zhuǎn)矩很容易也很重要。

高頻應(yīng)用中，連接器的扭矩可能非常重要也很有用。使用扭矩扳手時應(yīng)施加一致的扭矩點，避免損壞，這意味著要注意其限制功能。一致的扭矩將會對螺母和連接器結(jié)構(gòu)的其他部分施加一致的應(yīng)力。它有三個重要的優(yōu)點：

1)      一致的機械對齊和連接器元件的軸向定位可以確保連接器達到最佳性能（如回波損耗）和可重復(fù)性。

2)      足夠的張力可以減少由于振動、溫度變化或外部機械作用（如彎曲或扭曲）而導(dǎo)致連接松動的可能性。

3)      正確的扭矩可防止連接器因為過度擰緊而導(dǎo)致變形損壞。

第一個和第三個優(yōu)點通常很難看出來。連接器性能沒有達到最佳水平可能是一個很難發(fā)現(xiàn)的問題，而連接器因過度擰緊而發(fā)生的變形或損壞可能也無法僅憑肉眼察覺。第二個優(yōu)點比較容易察覺。用手指確認連接器已經(jīng)擰得夠緊之后，你很快就會發(fā)現(xiàn)它又變松了。也許連接器被碰了一下，也許發(fā)生了更小的事情，比如熱循環(huán)或電纜移動，使張力從指尖擰緊時的“過低”減少到零。

必須小心地施加扳手的力量，因為你無法像用手指調(diào)整那樣感受到力。如果使用多個適配器或較長的適配器，或者當(dāng)器件直接連接而沒有使用電纜來緩解彎曲應(yīng)力時，過度拉緊物體的可能性就會大大增加。

? 技巧 4：何時使用同軸器件，何時使用波導(dǎo)？

大多數(shù)射頻工程師經(jīng)常使用同軸電纜和連接器?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了 110 GHz 的同軸電纜和連接器，乍一看，它們可能比波導(dǎo)更簡單、更容易操作。無論您是否經(jīng)常使用波導(dǎo)，最好都要了解各種類型的波導(dǎo)及其特點。

選擇連接時往往需要同時考慮電氣和機械因素。特別是在毫米波及更高頻率范圍內(nèi)，電氣和機械特性會非常復(fù)雜。理解它們?nèi)绾蜗嗷ビ绊?，對于更好地?zhí)行測量是必不可少的。

同軸連接非常靈活方便。如果條件允許的話，采用同軸器件直接連線是一個很好的選擇。同軸器件有不同的性價比，從計量級到普通品質(zhì)的都有，其柔性度也分為從極限到半剛性不等。雖然成本很高，特別是精密同軸硬件，但通常還是比波導(dǎo)便宜。當(dāng)器件連接需要某種功率或偏置時，如進行探測和元器件測試時，同軸器件就成為簡單高效的解決方案。單根電纜可以執(zhí)行多種功能，并且頻率復(fù)用技術(shù)使同軸器件可以承載多個信號，包括在不同方向上傳送的信號。

損耗是選擇波導(dǎo)而非同軸器件的重要原因。出于低功耗和高功耗方面的考慮，工程師往往會放棄靈活而便利的同軸器件。大多數(shù)情況下，波導(dǎo)在微波和毫米波頻率上的損耗明顯小于同軸器件，而且頻率越高，差別越大。對于信號分析來說，損耗越小就意味著靈敏度越高，準確度也越高。由于分析儀靈敏度通常隨著頻率、頻段或諧波數(shù)的增加而下降，波導(dǎo)的較低損耗可能會在某些測量中產(chǎn)生重大差異。而且，由于在高頻率下有效功率越來越昂貴，波導(dǎo)的典型成本增幅可能會有所減少。