如何提高射频测试仪器的射频测量技术？

Question

如题所述

Answer 1

一、射频信号源的选择
所有的射频信号源都能产生连续（CW）射频正弦波信号。某些信号发生器也能够产生模拟调制射频信号（如AM信号或脉冲射频信号），矢量信号发生器采用IQ调制器产生各种模拟或数字调制信号。

射频信号源进一步可以分成很多种，包括固定频率CW正弦波输出源、扫描输出一个频段非固定频率CW正弦波的扫频源、模拟信号发生器以及增加模拟和数字调制功能的矢量信号发生器。

如果测试需要激励信号，那么就需要射频信号源。射频信号源的关键指标是频率与幅值范围、幅值精度和调制质量（对于产生调制信号的信号源而言）。频率调谐速度和幅值稳定时间对于减少测试时间也是非常关键的。

矢量信号发生器是一种高性能的信号源，通常结合任意波形发生器一起产生某些调制信号。通过任意波形发生器可以使矢量信号发生器产生任意类型的模拟或数字调制信号。这种发生器可以在内部产生多种基带波形，在某些情况下，也可以在外部产生某种基带波形然后载入到仪器中。如果测试规范要求被测的元件、设备或系统按照待测设备最终使用中的处理调制方式进行测试，那么这种情况下通常需要使用矢量信号发生器。

如果测试规范需要进行接收器灵敏度测试、误码率测试、相邻信道抑制、双音互调抑制、或双音互调失真的测试，那么也需要使用射频信号源。双音互调测试和相邻信道抑制测试需要两个信号源，接收器灵敏度测试和/或误码率测试只需要使用一个射频信号源。　　

如果待测器件是用于移动电话的，那么测试者可能要根据移动电话标准的需要进行调制信号类型的测试。移动电话功率放大器需要结合调制信号源（例如矢量信号发生器）进行测试。在选择某种矢量信号发生器之前，要评估一下该信号发生器在不同调制信号之间的切换速度，以确保其能够提供最快的测试时间。

二、射频功率计——射频领域的数字万用表
功率是射频领域中最经常被测量的一个量。测量功率最简单的方法就是使用功率计，它实际上是用来测量射频信号功率的。功率计中使用宽带检波器，按瓦特、dBm、或者dBμV显示绝对功率的大小。对于大多数功率计而言，宽带检波器（或传感器）是一个射频肖特基二极管或者二极管网络，实现射频到直流的转换处理。

功率计是所有测量功率的射频仪器中最准确的。高端功率计（通常需要一个外部功率传感器）可以实现0.1dB或更高的测量精度。功率计最低可以测量-70dBm（100pW）的功率。传感器有各种模型，从高功率模型、高频率（40GHz）模型，到峰值功率测量的高带宽模型等。

功率计有单通道和双通道两种。每个通道都需要配置自己的传感器。两个通道的功率计就能够测量出一个器件、电路或系统的输入和输出功率，并计算出增益或损耗。某些功率计能够达到每秒200到1500次读数的测量速度。而有些功率计能够测量多种信号的峰值功率特性，包括通信和某些应用中使用的调制信号和脉冲射频信号。双通道的功率计还能够准确测量出相对功率。功率计还可以针对便携式应用的需要设计成尺寸精巧的外形，使其更适合于现场测试的需要。功率计的主要局限在于其幅值测量范围。频率范围是与测量量程之间进行折衷的。此外，功率计虽然能够非常准确地测量出功率，但是无法表示信号的频率分量。

三、射频频谱或射频信号分析仪——射频工程师的示波器
频谱或矢量信号分析仪利用窄带检测技术在频域内测量射频信号。其主要的输出显示是功率频谱与频率之间的关系，包括绝对功率和相对功率。这种分析仪还可以输出解调信号。

频谱分析仪和矢量信号分析仪没有像功率计那样的精确性，但是，射频分析仪中使用的窄带检测技术使其能够测量低达-150dBm的功率。射频分析仪的精度一般在±0.5dB以上。

频谱和矢量信号分析仪可以测量的信号频率从1kHz到40GHz（甚至以上）。频率范围越宽，分析仪的成本就越大。最常见的分析仪的频率达到3GHz。工作在5.8GHz频率范围的新通信标准就需要带宽为6GHz以上的分析仪。

矢量信号分析仪是增加了信号处理功能的频谱分析仪，它不仅能够测量信号的幅值，而且能够将信号分解成它的同相和正交分量。矢量信号分析仪可以将某些调制信号进行解调，例如一些由移动电话、无线LAN设备和基于其他一些新通信标准的设备所产生的调制信号。矢量信号分析仪可以显示星座图、码域图和调制质量（例如误差矢量幅度）的计算度量。

传统的频谱分析仪是扫描-调谐式设备，因为其中的局部振荡器要扫描一个频率范围，窄带滤波器就可以获取该频率范围内每个单位频率上的功率分量。矢量信号分析仪也扫描一部分频谱，但是它们捕捉一定宽带内的数据进行快速傅立叶变换得到单位频率上的功率分量。因此矢量信号分析仪扫描频谱的速度比频谱分析仪快得多。

评价矢量信号分析仪性能的关键指标在于它的测量带宽。一些新的高带宽通信标准，例如WLAN和WiMax，需要捕捉带宽为20MHz的信号。要想捕捉并分析这些信号，分析仪必须具有足够大的带宽才能捕捉到整个信号。如果测试高带宽、数字调制的信号，那么要确保分析仪的测量带宽能够充分捕捉到所测的信号。

频谱分析仪可以用于检验待测发射机是否产生了正确的功率频谱。如果设计工程要求测试某些失真分量，例如谐波或寄生信号，那么就需要采用频谱分析仪或矢量信号分析仪。类似的，如果设计者关注器件的噪声功率，那么也需要使用这样的射频分析仪。其他一些需要频谱分析仪或矢量信号分析仪的例子包括：测试互调失真、三阶截断、功率放大器或功率晶体管的1dB增益压缩、器件的频率响应等。

测试那些涉及数字调制信号的发射机或放大器就需要使用矢量信号分析仪，对调制信号进行解调。矢量信号分析仪能够测量出某个器件产生了多大的调制失真。解调过程是一个复杂、计算密集的过程。能够快速进行解调和测量计算操作的矢量信号分析仪就可以大大缩短测试时间，降低测试成本。

四、网络分析仪
除了频谱分析仪和矢量信号分析仪，第三类分析仪就是网络分析仪。网络分析仪包含一个内置的射频信号源和一个测试射频器件的宽带（或窄带）探测器。网络分析仪以x-y坐标、极坐标或史密斯圆图的形式输出显式器件的特性。

从本质上来看，网络分析仪测量的是器件的S参数。矢量网络分析仪可以提供幅值和相位信息，可以以很高的精度判断这些器件在某个宽频段上的传输损耗与增益。通过矢量网络分析仪，还可以测量出回波损耗（反射系数）和阻抗匹配，进行相位测量和群延迟测量。

网路分析仪主要用于分析诸如滤波器和放大器之类的元件。值得注意的是，网络分析采用的是未经调制的连续波，分析仪的校准十分重要。利用制造商提供的校准工具包可以实现网络分析仪的校准。由于网络分析仪在一台仪器内集成了信号源和测量功能，而且分析仪具有较宽的频率范围，因此这类仪器的价格比较昂贵。

有时需要同时使用上述四种主要的射频测试仪器，例如功率放大器（PA）的测试。信号源可以提供输入信号，功率计或频谱分析仪可以测量输出功率。如果精度非常重要，比如在测量最大功率时，就需要使用功率计进行输出测量。PA的输入匹配对于从事射频发射器的设计者来说是一个关键参数。放大所有供给PA的功率，不因反射而损耗实际的功率，这是非常重要的。因此，PA制造商一般会使用网络分析仪测量PA的回波损耗（即S11）。

Answer 2

现代射频仪器具有远远超过其前代产品的令人印象深刻的测量能力和精度。然而，如果不能提供高品质的信号，这些仪器就不能充分发挥其潜能。完备的测量方法和注意事项可以保证您能够充分获取在射频仪器上投资的收益。

获得可靠的射频测量

射频测量通常在理论上很简单，但付诸实施的时候却困难重重。您能够很容易地从当代射频仪器所提供的广泛测量手段中获得核心的射频测量结果，例如功率，频率和噪声。但是，获得结果与获得正确结果则有着天壤之别。通过在您的整个射频测量过程中执行最优方法，您可以确保一个可靠、精确并且可重复的结果。

因为显示给出千分之一分贝的功率或分数赫兹的频率并不意味着该仪器具有测量这些细微变化的能力。通常这些显示的位数远远超过了仪器在这一水平的测量能力。要充分了解一个射频仪器的测量能力，往往要参考说明书或数据表。

前后一致的定义可以减少您测量中可能出现的混淆。以下是您在使用中会经常看到的一些关键术语：

分辨率-仪器所能可靠检测到的最小改变

重复性-在同样条件下多次进行同一测量获得相同结果的能力

不确定性-对被测量的准确值缺乏认知部分的量化

精度-仪器在一定误差范围内测量一个参数实际/绝对值的能力

不确定性是始终存在的，对误差来源的*估可以帮助确定测量的不确定度。除上述外，还有一些相关术语在依据美国国家标准与技术研究所(NIST)或其它标准机构的说明文件来描绘性能时会有用。可描述性是保证所有的测量器件有一个共同的绝对基准所必须的。所谓"规范"是指保证性能由校准溯源到NIST的测试设备产生。"典型"往往意味着性能是百分之百测试，但不包括测量不确定因素。"象征性"的表现通常是补充信息，不是在每个仪器上的普遍测量。

精度是仪器在规定的误差范围内测量参数绝对值的能力。换句话说，X加减Y，没有误差限制(和单位)一个34的测量值是没有意义的。同样地，一个5的误差说明也是没有用的，甚至一个百分之五的误差说明也几乎没有帮助。那到底是正或负百分之五，还是正百分之三和负百分之二?为了准确，精度应该像这样规定，例如34V+/-1V,34V+/-1%,或34V+2/-1V。

请多花时间了解射频测量的术语并熟悉它们的意义。您关于测量的表达越准确，结果就越利于理解也越可信。

了解你的被测试装置

被测试装置(DUT)的性能会显著影响射频测量。例如，温度会影响稳定性，并因此与可重复性密切相关。许多射频器件和射频仪器没有对温度变化的内部补偿。因此，它们必须在稳定的温度下工作以使温度漂移引起的测量误差最小。当前的环境(例如，空调循环的开启与关闭，覆盖物和面板的移除或增加，处于户外或室内，以及是否接近热源)会有很大影响。需要注意适当的预热时间、被测试装置的冷却需求和周边的环境以确保温度稳定性。

在有源器件中，过高的功率会导致发热。例如，在测试高功率放大器时，被测试器件本身可以保持温度稳定，但是下游组件会怎么样呢?看看是否有开关或衰减器因为放大器的输出而被加热。寻找由放大器产生的异常信号，例如谐波。电源线容易受到可直接叠加到输出的环境噪声的影响。而且，测量放大器的线性参数(增益和相位)，随后却发现放大器同时处于被压缩状态是令人沮丧的。所有这些都影响了射频测量的精度。在器件被测试前对其本身、其运作方式以及它对射频测量参数的影响进行了解，会得到有意义的结果。

识别出现不确定性的方面

仅仅匹配射频测试设备的数据表格说明与被测试装置的测试要求是不够的。这在更高频率或者失配的射频测量中尤其明显，除其它外，还有放大不确定性。在测量的每个步骤中引入的误差会使总体结果出现偏差。当一个不正确的测量结果出现时，你应该在质疑被测量装置存在问题之前首先怀疑测量出现错误。

请在测量过程中了解仪器仪表以及被测试装置的关键操作规范。在其它规范中，了解匹配，频率响应，噪声系数和功率。同时，也要了解这些参数的容许误差。请记住如下要素：

"射频开关重复性，老化和功率处理

"耦合器的指向性，电缆的相稳定性以及适配器的插入损耗和回波损耗

"电路板线路的阻抗质量，器件插座和电路板的开关转换

"测量中的电磁干扰(EMI)辐射和耦合

一些通常没有被认真考虑的项目，例如冷却、谐波、激励以及其他非线性行为也能够增加测量中的误差。审视整个测试设备并确定每一块的误差分布以获得对预期测量不确定性的实际*价。找出误差原因和它们对精度、重复性和不确定性的影响。这可以得到更好的结果，使您能更加有效和有意义地分配预算和资源。

注意所有的连接和组件

开发、设计、测试以及将产品推广到市场这一系列的花费是一笔相当大的投资。一个公司的成败与否取决于产品的性能。在高性能的射频测试设备上的支出是有重要意义的，因为这能够表明产品达到或超过与市场份额挂钩的关键技术要求。此外它还代表了一种竞争优势和公司收入的主要增加来源。

然而，仅有一个高性能的，昂贵的，经过良好校准的测试系统和同样性能显著的被测试器件是不够的，还应该对被测试器件测试系统中的附属连接和组件的质量和重复性给予同等的关注。也许在关键的技术指标上十分之一或二的改进都是一个有竞争力的优势。在大多数标准下，源和负载的匹配(驻波比)为1：1.5是不错的，但是这种程度的匹配将引入一个错误的(大约)为+/-0.35分贝的失配不确定性。一个0.2分贝的关键技术指标不可能在这么多的不确定性影响下得到证明。

容易忽视的项目例如电缆、开关、衰减器、连接器、插座、适配器和附件会不利于整个测量。从需要的精度出发，然后选择适合测量的组件。一个好的经验法则会使测试系统性能十倍于你正在测试的被测试装置的参数。有了一个高品质信道，下一步是要采用好的测量方法。请确保你正确清洁和存放电缆、连接器和适配器。即使是最好的电缆和连接器失效了，也要放弃对它们的使用，它们是测试过程中的耗材。采取措施，尽量减少适配器的使用，确保扭矩扳手和连接规格按常规使用以使热切换最小。请记住正确的静电放电(ESD)做法。即使测试系统间最高品质的元件和被测试装置的级联也可以引入测量误差。

为作业选择适当的工具

需要测量哪些参数和需要达到怎样的精度水平很大程度上决定了测试被测装置所需要选择的射频设备。最好的选择是一个安全的策略，但它会浪费你能够用于测量其它方面的预算资源。如果射频功率是要测量的唯一量，一个射频功率计可能是比一台矢量信号分析仪更理想的选择。

标量仪器只测量幅度(振幅)，而矢量仪器测量幅度和相位。即使不需要测量相位，也要考虑到矢量工具可以提供更好的误差更正，因为相位信息可以用来量化系统中不需要的反射。

将价格与性能等同并不是在购买射频仪器时应遵循的最佳法则。一台高质量的扫频调谐光谱分析仪将花费你大量的预算。尽管它们在已有的测量用途上是优秀的测量仪器，具有典型的±1分贝或更低的测量精度，但它们却难以达到测量绝对射频功率的要求。同样，如果使用的仪器具有-140dBm/Hz的本底噪声，那么它也很难测量出被测装置上-155dBm/Hz的本底噪声。

请为每项作业考虑合适的工具。为精度和不需要的测量付出太多不仅是对金钱和资源的浪费，它限制了用于例如对测量质量更有利的电缆和开关等其它方面的资金。

开发流程

一旦你确定并执行了最优方法，就要使它们逐步成为能够在团体间清楚理解和交流的惯例或流程。这能够使射频测量结果具有更好的重复性和一致性。整个设计、验证、测试和制造阶段的流程能够影响射频测量性能。考虑哪些操作参数需要验证，哪些应该在制造中测试，以及影响射频测量精度、重复性和不确定性的上游和下游工序(例如，返工，焊接，装配和屏蔽)。

流程对于获得并执行良好的射频方法很重要。这有利于良好方法的常规学习和标准化。在产品寿命周期内始终如一地遵循已建立的流程对射频参数以及对它们的正确测量能够产生重大的影响。

进行射频测量可以很容易;然而，要做好就比较有挑战性。使用健全的方法并且在测量过程中找出它们可以提高射频测量的品质。有许多方法可以确定和执行最优方法。改进射频测量是一个获得认知和付诸实践的连续过程。本文介绍的步骤有助于建立一种体系来提高射频测量技术并充分利用您的射频测试仪器。

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Answer 3

问大脚丫