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          如何提高RF微波測試正確性

          盡管大部分的RF 和微波測試系統所要量測的對象只有區區幾種廣泛的類別-放大器、發射器、接收器等,但每一套個別的系統卻會面臨一些不同的環境條件、要求和挑戰。雖然每一種狀況可能都不一樣,不過當您在定義任何的RF和微波測試系統時,卻有三項共通的因素會相互影響:效能、速度與穩定(repeatability)。在每一位系統開發者面臨的狀況各有不同的情況下,能否在這三項因素間做恰當的取捨將關系著量測結果是否能達到要求的正確性(integrity)水準。

          在DUT 到量測儀器之間的路徑上(圖1),有許多個點都會出現這些因素的取捨時機,本文建議了一個考量這些取捨因素的架構,并且提供六大秘訣,教您如何克服RF 信號路徑上常會碰到的問題。

           

          圖1:在所有的測試系統架構下,都有很多的機會可以在效能、速度與穩定之間求取很好的平衡,以控管量測的正確性。
           

           

          秘訣一:排定效能、速度與穩定的優先順序
          為了讓全部六大秘訣有論述的依據,有必要先釐清我們對效能、速度及穩定的定義。在大部分的情況下,只有其中一個或兩個因素會成為首要的考量條件,主導您的測試需求與設備的選擇。無論如何,仔細地審視效能、速度與穩定之間的相互影響與取捨關系(如表1 到表3 的摘要所列),將可協助您掌控特有的需求狀況。

          • 基本的定義

            在RF 和微波測試設備中,安捷倫科技對“效能”的定義主要指的是儀器的準確度、量測范圍和頻寬。儀器的準確度包括明訂的振幅和頻率量測準確度;量測范圍指的是動態范圍、失真、噪音位準和相位噪音,這些屬性會影響信號位準量測的精確度;而頻寬則是指可以處理和分析的頻率寬度或資料速率。速度測試系統的速度或Throughput 會取決于所使用的硬件、輸入/ 輸出(I/O)介面和軟件,我們的重點將放在硬件和四項會影響速度的因素上:量測設定時間、量測執行時間、資料處理時間、以及資料傳輸時間。在RF 和微波的頻率,設定時間中非常重要的一環就是DUT 或測試系統在每次變更(例如切換器的開或閉、功率位準改變)之后,所需的穩定時間(settling time)。

            穩定一致性對任何測試系統來說,每一次的測試以及每天的測試都能產生一致的結果是非常重要的。然而,穩定佳并不代表精確度也高,因為精確度會取決于個別儀器的效能,而穩定指的是無論明訂的準確度為何,所量測到的結果都是一致的。就每一部儀器而言,穩定可能會因某些量測或模式而異,因此查看產品的規格或詢問制造商是很重要的。在某些程度內,透過更多次的平均,或修改演算法以準確地逼近符合標準量測方法所得到的結果,將可以提高穩定。將量測設定(如中心頻率、頻距和衰減位準)的改變次數減到最少,可以達到很好的穩定一致性。
             
          • 三者的關系概述
            DUT 的測試要求和商業上的考量可以協助您評估效能、速度與穩定之間的相對重要性,一旦您確立了首要的考量條件及其要求的高低程度后,就比較容易理出彼此的關系及其對系統的影響。表1、表2 和表3 分別就兩種狀況:首要考量條件的要求為高或低,摘要整理了相互間的影響關系。

             

           

          表1:以效能為首要的考量條件時,重要的相互影響因素是效能和速度。
           

          表2:以速度為首要的考量條件時,重要的關系在于速度和穩定。
           

          表3:以穩定一致性為首要的考量條件時,重要的關系也是穩定一致性和速度。
           

           

           

          • 穩定與效能
            在表1 和表3 中,穩定與效能之間有一個重要的第二層關系,這是由量測不確定度所串起的一種間接關系。面對不確定度時,有些系統開發人員會設計一個“誤差量”(error budget),其大小取決于測試要求與系統不確定度之間的差距。影響不確定度的兩大主要因素是準確度(儀器的效能)和量測一致性(穩定)。如果系統中的儀器具有很高的準確度,那么誤差量中就有較大的空間可以容忍較低的穩定。如果儀器可以提供一致的結果,那么誤差量中也會有較大的空間可以容忍較低的準確度。
          • 多項要求皆“高”
            若要滿足“高速與高穩定”或“高效能與高速”這類多重的要求,可能就需要使用復雜精密的儀器,其價格相較于能力較差的設備自然會稍微高一些。不過,許多高性能的儀器中可能會內建硬件加速器,可以加快一些耗時的作業,如平均計算和校準。有些機種也可能包含多種演算法,可以計算諸如相鄰頻道功率(ACP)等參數。如果全部三項要求皆“高”,就必須仔細檢查系統的每一個部份-測試設備、切換子系統、纜線、接頭等。很好的解決方案很可能價格也不低,但可以提供一些額外的功能和優點。


          秘訣二:審視DUT 的本質和特性
          自動化測試系統可以執行三項基本的任務:提供信號源、進行量測、以及進行切換,至于該使用哪一種信號產生器、功率錶、頻譜分析儀、網路分析儀、切換矩陣(switch matrix)和纜線,則取決于DUT 的電性和機構屬性。在RF 和微波的頻率,有一些基本的特性需要特別留意。
           

          • 電性參數
            DUT 的基本性質是主要的考量:它是被動和線性的,或是主動和非線性的?被動的線性元件較容易處理,因為它們在整個工作頻寬范圍內所有允許的輸入功率位準下,增益和相位偏移量一般都是固定的。相反地,主動元件就需要格外謹慎,因為它們通常具有非線性的工作區域,對輸入功率相當敏感,可能會在不同的位準產生不同的結果。如此一來,可能就需要在測試系統中加入放大器或衰減器,以精確地控制功率位準,而且也許還要加入耦合器,將輸入到DUT 的功率位準分一些出來并確認是否正確。這些額外加入的東西千萬不能輕忽:在高頻下,每一個系統組成要件都具有復數的阻抗值(伴隨有S參數),而且每多一項連接就有可能與DUT 產生不必要的相互影響。
             
          • 避免不匹配:任何連接線的阻抗不匹配
            都可能造成注入損耗(insertion loss),而損耗掉信號源或量測信號的一些功率。眾所周知,在高頻下功率是很昂貴的,而且如果必須在很廣的頻率范圍提供所需功率的話,還會變得更加昂貴。秘訣:使用精確度高的纜線和配件,且要使用向量式網路分析儀(VNA)充分量測纜線和配件的實際阻抗,特別是如果DUT 是主動元件的話。
             
          • 將VSWR 降到很低
            切換矩陣加上其接頭、內部和外部纜線、甚至是任何RF 纜線的彎曲半徑等組合,可能因DUT 的電壓駐波而產生誤差。秘訣:若要將這項誤差減到非常小,可以使用電壓駐波比(VSWR)規格為1:2:1 或更佳的切換矩陣。
             
          • 增加隔離度
            如果您的測試需要同時量測高位準和低位準的信號,則切換矩陣的隔離度規格將會影響量測的正確性。秘訣:如果通過DUT 的路徑有很多條,可以使用信號產生器和頻譜分析儀,盡可能地量測出隔離度的特性。如果無法做到這一點,則系統在配置和設定時,應該將高位準和低位準的信號繞接到不相鄰的路徑上,或繞經不同的切換器。
             
          • 機構屬性
            另外一組需要考量的細節是信號和電源(交流電或直流電)接頭的數量和類型,這會影響所需的切換矩陣大小,以及系統接線的復雜度等因素。秘訣:使用埠數足夠的切換矩陣,一次就可以接好系統到DUT 的所有連接,這樣一來,就可以將等待信號穩定所需的延遲時間縮到最短,并且將功率位準突然改變而損壞切換矩陣或DUT 的機率降到非常低。

          秘訣三:瞭解、量測及修正RF 信號路徑的特性
          沒有經過額外的修正,產品的規格只能延伸到位于儀器輸入和輸出接頭上的“校準”(calibration plane)而已。若要得到準確又穩定一致的量測結果,以及修正過的DUT 結果,我們建議將校準面往外推,盡可能地靠近DUT。不論路徑是被動或主動的,DUT 是位在本端或遠端,都有幾種方法可以做到。
          被動路徑的處理方式

                 元件在整個頻寬范圍內所有允許的輸入功率位準下,都有固定的增益和相位偏移量。然而,沿著被動路徑所接出去的每一條接線上可能會有阻抗不匹配的情形,因而造成注入損耗和相位偏移(或延遲)。在高頻下,連簡單的被動元素也會變成復雜的傳輸線元素,無法直接將路徑上的損耗和相位偏移用簡單的代數法相加得出。秘訣:使用VNA 來量測整個相連的路徑或分析每一項元素的S 參數特性,并使用向量學來模擬整個路徑的總損耗和相位偏移量。這些數值可以儲存在系統的PC 中,并且視需要予以套用,以修正量測結果,或者供網路分析儀使用,例如用來即時地調整濾波器和其他變動的DUT。

          • 修正主動的路徑
            主動元件的效能會隨著輸入功率的改變而不同,若要提高量測的準確度,其做法會取決于元件是在其線性或非線性的響應區內工作。如果一個主動元件(如放大器)在校準和量測作業期間,是在遠低于其1 dB 壓縮點的線性區內工作,則可以在該區內的任何功率位準下進行準確的修正。
          • 秘訣:如果主動元件是在其非線性的響應區內工作,則校準時也必須使用量測用的功率位準,以確保能夠做準確的修正。如果需要在非線性模式下,于多個功率位準進行量測,那么也必須在每一個位準下分別進行校準,并儲存起來供日后使用。
          • 秘訣:在DUT 的頻率范圍內,檢查主動元件的頻率響應。同樣地,您應該在特定的功率位準下量測整個路徑,或是分析每一個介面的S 參數特性,并使用向量學,產生一個可以在事后套用或即時套用的模型。
          • 秘訣:為了簡化量測和修正RF 信號路徑特性的作業,有些系統開發人員會盡可能少用主動元件,這樣做可以減少校準的工夫,以及在非線性模式工作時,因功率位準改變而造成誤差的機會。
          • DUT 的距離-近或遠
            不論DUT 是固定在測試系統的夾具上,或是位在幾碼外的測試室中,要進行準確的修正有時相當困難。固定在夾具上的量測具有挑戰性,因為路徑通常會包括從同軸纜線轉換到微帶線式(microstripbased)的短路、開路和負載上。秘訣:如果無法使用高品質的微帶線組件的話,就需要使用網路分析儀來量測夾具、模擬阻抗、以及將那些效應從量測結果中消除。當DUT 位在遠端時,主要的問題出在纜線距離長所造成的路徑衰減,以及因溫度變化和纜線彎曲所造成的路徑差異。秘訣:若可能的話,應量測儀器和DUT之間的整個路徑,或是量測路徑上每一個相關的元素,并使用向量學將其復數響應值合起來,以分析出路徑衰減的程度。
          •  
          • 秘訣四:別輕忽了所有與儀器相連的東西
          • 設備制造商在訂定每一部儀器的效能規格時,通常只會提供到面板上供應信號和量測信號用之接頭的規格而已。從接頭開始,所有出現在儀器和DUT 之間的東西都可能會影響儀器的效能和量測的穩定一致性。在RF 和微波的頻率及功率位準下,通常有三大罪魁禍首:纜線、切換器和信號整波器(signal conditioner)。
          • 選擇正確的線纜類型
            訂定測試系統的規格時,需決定要使用哪一種纜線來連接各個裝置,而且您可能還可以指定切換矩陣中所要使用的類型。一般的原則是,穩定的纜線具有較低的注入損耗和較佳的VSWR,因此量測的穩定一致性較高。在高頻下,經常使用的三種纜線類型為:半硬式( s e m i -rigid)、軟性(conformable)和彈性(flexible)的纜線。
          • 半硬式纜線
            顧名思義,這種纜線不會輕易地改變形狀,可確保很好的效能和穩定。高品質的半硬式纜線在生產制造的過程中,可透過施以符合MIL 標準的溫度循環刺激(temperature cycling)法,達到更高的穩定度。在成形步驟后使用溫度循環刺激法,可以消除內部的壓力,避免已成形的纜線日后變形。這些纜線中使用之介電質的品質也會影響其量測的效能。Solid Teflon是常用的,但會造成注入損耗。Expanded Teflon是目前很好的替代品,可提供較低的注入損耗和較寬的頻率范圍。這種對細節的注重全都會反映在這些纜線的成本上,相較于軟性或彈性的纜線,其價格高出許多。
          • 軟性纜線
            這種纜線的穩定度比半硬式纜線差,因為它們很容易塑形和重新塑形,這樣的
            彈性會影響量測的穩定和長期的可靠度。
          • 彈性纜線
            有時又稱為“ 測試儀器等級的纜線”,通常可以提供良好的相位穩定度和低注入損耗,但相對地價格也不低。這種纜線的維護需求較高,使用時需要額外地小心,不然嚴重的變形可能會改變其電性特性,造成量測結果不準確。
          • 避免切換相關的問題
            切換對整體系統功能的運作相當重要,可以將儀器和DUT 之間的信號與電源供應連接作業自動化。由于大部分作為信號源以及需要量測的信號都會經過切換矩陣,因此其規格若有任何缺失,可能會影響量測的效能、速度和穩定。在高頻下,有三項規格特別重要:隔離度、VSWR 和注入損耗。
            • 擴大隔離
            存在一個或多個高功率的信號時,信號路徑間的洩漏可能會讓低功率信號的量測變得極為困難。(當高功率和低功率的信號同時繞經一個切換矩陣時,有可能發生這種狀況。)秘訣:選擇隔離度規格為90 dB 或更佳的切換器,這樣一來就可以減少洩漏,可能也比較不需要將信號繞經不同的切換組件了。
            • 降低VSWR
            高VSWR 可能造成相位誤差,因而影響向量和調變量測 的準確度。切換矩陣的VSWR 與矩陣中使用之同軸切換器的VSWR 直接相關,而個別切換器的VSWR 會取決于它的機構尺寸和容許度。秘訣:可以使用與所需的頻寬相較算是短的纜線,進一步將VSWR 降到很低。如果因為高頻寬的需求或機構上的要求而無法使用短的纜線,那么不錯的替代方法就是透過損耗墊或損耗性纜線,將注入損耗加入傳輸線中,如此一來,就可以在想要的頻率范圍,減小VSWR 引起之漣波的振幅,不過,代價是整體的注入損耗較高。
            • 控制注入損耗
            在較高的頻率,注入損耗容易變成一個問題,其規格通常是以表格或方程式的形式,相對于頻率來訂定的。秘訣:隨著切換器逐漸老化,其注入損耗可能會改變,因此要留意“注入損耗的穩定”或“注入損耗的穩定度”這類的規格,這種規格的有效性可以持續到產品預計的使用壽命到期時。瞭解這種很糟情況下的損耗值可以協助控管誤差量。
             
          • 評估信號整波器
            如秘訣三所述,DUT、其測試要求及其所在的位置會決定是否要將被動或主動式信號整波器加入信號路徑中。整波器可以是獨立運作的裝置或是內建在切換矩陣中,放大器、衰減器和轉頻器是很常用的信號整波元件。
          • 放大器
            如果需要進行精確的振幅量測,或是如果信號是透過很長的纜線來傳送,那么可能就需要提供額外的信號增益。有幾項重要的規格可以協助確定所要使用的放大器是否合適。
            • VSWR
            放大器惡名昭彰的問題是VSWR 不佳。秘訣:將衰減器或隔離器(雖然這兩者的頻寬較有限)連接到放大器的輸出,可以減輕VSWR 的問題。
            • 交互調變
            量測DUT 頻寬以外的交互調變失真或旁生發射噪音時,放大器的頻寬相當重要。秘訣:要慎防動態范圍不佳或有很低的1 dB 壓縮點的放大器,因為若存在很強的基頻信號時,這種放大器會造成足以影響諧波量測結果的交互調變失真。
            • 雜波(spur)
            切換式電源供應器可能會產生與切換頻率(通常為100-200kHz)有關的雜波。秘訣:避免使用含切換式電源供應器的放大器或任何其它的元件。
          • 衰減器
            機電式(electromechanical)和電子式的設計在管理信號位準上,可提供不同程度的彈性和精確度。機電式衰減器採用分離式切換器,一般的步進解析度為1 或10 dB。電子式衰減器可提供幾乎連續的設定,解析度為0.1 或0.25 dB;然而,採用PIN 二極體型切換器的衰減器可能會產生足以發生“視頻洩漏”的尖峰波(spike),而影響量測的結果。秘訣:視需要串接機電式和電子式衰減器,以提供較佳的衰減控制。秘訣:需留意衰減器接頭上使用的電鍍材料,舉例來說,鎳在高功率位準下會變成非線性,且會造成交互調變失真,因此要選擇較高品質的接頭,如金制的。
          • 轉頻器
            當DUT 與測試系統相隔較遠時,可以使用降頻器將信號轉移到較低的頻率范圍,藉此減少纜線過長所造成的注入損耗。秘訣:在測試系統端,可以使用升頻器,將信號恢復到原本的頻率,不過,可能也需要加入濾波的功能,以便將轉換過程中產生的多余頻率成份濾除。
          • 秘訣:執行向量或調變量測時,若使用了多組信號、多條路徑或多次轉換,就必須使用某種形式的鎖相機制,以確保準確的結果。做法是:將儀器和轉頻器連接到共通的頻率參考點,然后量測每一組信號相對于參考信號的相位。

             

          秘訣五:檢查切換器的操作屬性
          切換矩陣要採用哪一種技術時,除了電性效能外,再進一步考量操作上的特性,如使用壽命、電源需求及失效/ 故障安全防護(fail-safe)功能等因素,將可協助您做出正確的選擇。

          • 機電式vs. 電子式
            機電式切換器包含眾多會移動的機構零件和實體接點,因此容易有品質惡化速度相對較快的問題,會降低其穩定和縮短有限的壽命。相反地,電子式切換器沒有會移動的機構零件,因此具有較長的使用壽命和更高的穩定。實務上,應該選擇哪一種比較好?部分因素會取決于系統實際需要的切換開關次數:要考量每次測試的閉合次數、每天的測試次數、以及系統預期的使用壽命等因素。

            另一個實際的考量是所繞接之信號的功率位準。切換高功率的信號會損壞大部分的切換器、降低穩定和縮短使用壽命。秘訣:若要防止機電式或電子式切換器的壽命提早結束,可以設定系統的儀器在打開或關閉矩陣中的任何切換器之前,先降低信號的位準。
             
          • 自鎖式(latching)vs. 非自鎖式(non-latching)
            機電式切換器內部會使用自鎖式或非自鎖式繼電器。大部分的自鎖式繼電器會需要一個100-200 msec 的直流電源脈沖來打開或關閉繼電器。為了將電源需求減到很低,有些開發人員會設定系統依序或以一次一小批的方式,打開這些切換器(雖然這樣做會延長總切換時間)。而非自鎖式切換器需要固定的電源,通常為200 mA 時24V,才能保持接觸連通的狀態。在一個大型的切換矩陣中,非自鎖式切換器可能會在系統機架內產生足以影響量測效能的熱度。秘訣:如果選擇使用非自鎖式切換器,需檢查實際的溫度上升情形,并且要有心理準備:系統機架中可能要另外加入冷卻裝置。
             
          • 秘訣:瞭解這兩種切換器在電源中斷或緊急斷電后的作為是非常重要的。若要達到很高的安全性,可選擇當電源恢復時,會回復到已知狀態或設定的切換矩陣。非自鎖式切換器通常是失效/ 故障安全防護的優先選擇,因為當電源中斷時,它們會打開,而且直到測試程式供電之前都不會閉合。不過,自鎖式切換器如果包含在電源中斷時,會將自己鎖入安全模式的硬體和韌體的話,也可以具有失效或故障時的安全防護能力。
             
          • 進階的功能:內建信號整波器
            在系統中使用切換矩陣的好處之一是,可以由制造商將信號整波功能內建到矩陣中。舉例來說,安捷倫的客制化切換矩陣可以配置多種的元件:放大器和衰減器;濾波器和隔離器;以及轉相和轉頻元件,如混波器、倍頻器(doubler)和分頻器(divider)。這些元件都是使用半硬式同軸纜線做固定的連接,而且不需要再另外接線,可提供一套小巧、方便的單機式解決方案。
             
          • 秘訣六:加快量測設定與執行的速度
            是以“每單位時間內所測試的DUT 數量”、“每單位時間內所執行的測試次數”、或其它以時間為基礎的衡量指標來評估系統的效能,量測速度皆取決于兩項基本的因素:設定系統所需的時間,以及執行量測所需的時間。所有系統的三大組成要素-硬件、I/O 和軟件,對這兩項作業都可能是助力或阻力。
            • 微調個別的儀器
              系統中使用的所有可設定裝置都可能成為限制量測速度的瓶。新一代的RF/ 微波儀器-信號產生器、功率錶、頻譜分析儀和網路分析儀-具有彈性的功能和能力,可以減少瓶頸的產生和提高系統的效能。
            • 信號產生器
              許多信號產生器都內建調變和任意波形產生能力,有助于減少系統中需要使用的儀器數目、簡化系統的接線、以及降低軟件的復雜度。秘訣:儀器的設定可能會有點復雜和耗時,但可藉由預先產生一些設定狀態,將之儲存在記憶體中,然后設定系統視需要叫出儲存的狀態,而大幅縮短測試時間。如果系統需要在測試執行中載入任意波形資料,也只要下載很少的點數,并使用二進位格式,而非ASCII
              格式。
            • 功率錶
              能夠節省時間的因素或許來自于某些機種提供了內建的校準能力,可以將校準的間隔時間從數小時延長為數個月。秘訣:盡量使用可提供寬廣的視頻頻寬和快速的資料取樣速度的數字功率錶,有些這類的機種每秒可以產生1000 或更多個修正過的讀值,并透過平均計算提高量測的準確度和穩定性。
            • 頻譜分析儀
              就任何的頻譜分析儀而言,三項主要的調整包括:頻距、每次量測的點數、以及解析頻寬(RBW)。秘訣:使用必要的很少點數以及可能的很寬RBW 是縮短量測時間很簡單的方法,盡可能採用會自動加快速度的新一代頻譜分析儀,例如進行窄頻距量測時,會切到快速傅立業轉換(FFT)模式。秘訣:若要達到很大的效果,應選擇性地使用自動輸入范圍調整功能。量測振幅改變速度很快的信號時,自動范圍調整功能可能會頻繁地改變輸入衰減器的設定,而減慢量測的速度。然而,如果信號位準很低且相當固定,則使用自動范圍調整功能可以改善信噪比(SNR),同時縮短量測時間,因為它可以使用較寬的頻距和RBW 設定。
            • 網路分析儀
              VNA 的校準有時非常耗時,特別是需要以手動的方式與標準品逐一連接的時候。秘訣:安捷倫的電子校準或ECal 模組可將這個過程自動化,只需透過單一連接,即可針對一到四個埠,提供更快速、更穩定一致的校準結果。這種方法也可以減少測試埠接頭和校準標準品的磨損。秘訣:在分析儀內部套用修正資料通常會比在外部的系統控制器中進行來得快速。大部分的VNA 都可以讓您儲存特定測試的校準曲線,并且在需要時重新叫出使用。有一點要提醒的是:這種方法用在一連串較窄的頻距時,會比用在一個超寬的量測頻距來得有效。 
               
              測試系統開發的未來發展
              測試系統都會面臨一些獨特的挑戰,但無論是什么情況,能夠在效能、速度和穩定一致性之間做恰當的直接和間接取捨,將可協助達到量測正確性的要求。在選擇儀器設備、I/O 連接介面和軟體等測試系統的組成要件時,同樣也需要在這些重要的取捨因素間求取恰當的平衡。

           

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