使用矢量網(wǎng)絡分析儀對放大器性能進行分析

1、使用矢量網(wǎng)絡分析儀對放大器性能進行分析放大器的測試指標可以分為兩類：線性指標測試和非線性指標測試。線性指標的測試基于S參數(shù)的測量，采用常規(guī)矢量網(wǎng)絡分析儀完成。對于非線性指標的測試，傳統(tǒng)測試方案采用頻譜儀加信號源方法， 但這種方案有很多缺點：1）無法實現(xiàn)同步掃頻、掃功率測試。2）不能進行相位測量，如幅度相位轉化（AM/PM 測量。I Sib/f K1R線性工作區(qū)輸入功率（dBm） 閨iPub定文R&S ZVB采用創(chuàng)新的硬件結構，其輸出功率很高、功率掃描范圍寬，因而無需另外單獨使用前置放大 器，一次掃描即可確定放大器功率壓縮特性。ZVB采用了強大的自動電平控制設計以及高選擇性、高靈敏性的接收機，因

2、而可在較寬的動態(tài)范圍下進行放大器的諧波測試而無需使用外部濾波器。此外R&SZVB提供了豐富的測試功能和友好的操作界面，使得放大器的各種指標測試變得簡單又直觀。端口匹配特性測量端口匹配特性主要測試端口的S11與S22參數(shù)。如端口 1的S11參數(shù)等于反射信號bl與入射信號al之比：S11參數(shù)也可稱為輸入反射因子。S11為復數(shù)，工程上通常用回波損耗（RL）和駐波比（VSWR）來表達端口的匹配程度。S11與這兩個參數(shù)的關系如下：回波損耗 RL = - 20log（r） ，其中 r = |S11|駐波比VSWR 二1-P以上兩個參數(shù)與S11的換算由ZVB自動完成，用戶只需要在Format菜單中選擇dB

3、Mag-回波損耗, SWR-駐波比，就可以顯示相應的測試曲線。ZVB提供軌跡統(tǒng)計功能Trace Statistics，可自動顯示軌跡的最大值、最小值和峰峰值，并且可以通過設置Eval Range，來調(diào)整統(tǒng)計頻率范圍。該功能對帶限器件（如濾波器）的帶內(nèi)指標測試非常有 用。在電路設計的過程中，精確輸入阻抗信息對于設計人員更為重要。比如：在手機板設計中，設計人員 要精確測試前端放大器的輸入、輸岀阻抗，然后根據(jù)輸入、輸岀阻抗信息設計對應的匹配網(wǎng)絡，達到手機 的最大功率發(fā)射和最佳的整機靈敏度。輸入阻抗與S11的關系如下：I I， 其中 Z0=50Q用戶通過選擇Format鍵中的Smith菜單顯示阻抗測試

4、軌跡，通過設置Marker可以方便的測得每一 頻點對應的輸入電抗和電阻。另外ZVB標配的虛擬加嵌功能，能模擬在輸入、輸出端口加上虛擬的匹配網(wǎng)絡之后整個網(wǎng)絡的性能。該功能大大簡化了設計人員的工作量，無需實際的電路調(diào)整，就能預測調(diào)整后的DUT性能。用戶通過選擇Mode菜單中的Virtual Transform來激活該功能。FuncMmeetal aB Mig 10 oB t Ref 0 dBm ChiHArmoric 2no 閏 aB TO aB?陶f OGEE Ch2Harnt 如 Li dfi Mag tOCh352 M2 Start -45dBm Fpm 1 GHzStoo WdBmCh3

5、H3 Stwt -45dBm Freq 1 OciCdBm10M7K放大器諧玻輸出功率隴離披輸入功率變代曲線傳輸參數(shù)測量除了端口匹配特性的測量，放大器前向放大和反向隔離特性也可分別由測試S21和S12得到。前向的傳輸參數(shù)S21等于在端口 2測得前向功率b2與端口 1的激勵功率al的比值：而放大器的增益等于S21絕對幅度的對數(shù)值:增益Gain201og(|S2I|)反向的傳輸參數(shù)S12等于在端口 1測得反向功率bl與端口 2的激勵功率a2的比值:12az而放大器的反向隔離度等于S12絕對幅度的對數(shù)值:隔離度 Isolation = -20log（ |S12| ），放大器增益和隔離度即用戶只需分別

6、設置 S21和S12的 顯示格式為dB（format-dB Mag可同時顯示在ZVB上。功率壓縮特性測量功率壓縮特性的測試主要用來衡量待測件（ DUT的線性度。對于放大器的測試，工程上通常采用輸岀 功率1 dB壓縮點（P1dB ）來表征該特性。P1dB的定義為：隨著輸入功率的增加，放大器的增益下降到比 線性增益低1dB時的輸出功率值，如圖1所示。ZVB不僅可以測量參數(shù)隨頻率變化的曲線還可以測量參數(shù)隨輸入功率變化的曲線。ZVB內(nèi)置信號源可以提供非常大的功率掃描范圍，其典型值為60dB，而且60dB的功率掃描范圍完全由電子衰減器來實現(xiàn)而非采用傳統(tǒng)的機械步進衰減器。機械式衰減器的幅度可重復度較差且使

7、用壽命較短，所以ZVB特別適合測試有源器件的功率壓縮特性。7 FI0h1Trac|C刖? SUDS 饑Insi- dBm T=t，1U 4一X -XAVwV 二,-*I-15附1T00 dBm00 dGm-18147*0152*Re31XTrc，52*1Pfwt I1 W 嚴Skc 10 c&iZVB提供多通道（Channel）的測試功能，不同的通道可以設置不同的掃描方式，所以可以在一個通道 內(nèi)設置頻率掃描用于測試 S參數(shù)，而在另一通道內(nèi)設置成功率掃描用于測量功率壓縮特性，這樣調(diào)試人員 就可以在調(diào)試放大器 S參數(shù)的同時，觀察放大器 P1dB的變化。用戶可通過Chan select 鍵，選擇Ad

8、d Channel + Trace +Diag Area菜單來增加一個測試通道，然后選擇Sweep鍵中的Sweep type菜單，選擇Power就可以進行功率掃描測試。另外ZVB在軌跡統(tǒng)計功能Trace Statistics中提供了自動尋找增益壓縮點的功能Compression Point，方便用戶快速讀值。P1dB的測量涉及到S21隨著絕對輸入功率變化的曲線，而矢量網(wǎng)絡分析儀通常用于S參數(shù)相對量的測量。為了提高其絕對測量精度，推薦使用的功率計對矢量網(wǎng)絡做功率校準。R&S公司的NRF系列功率計可以通過USB接口直接和ZVB連接，從而省掉功率計主機和昂貴的GPIB卡。ZVB功率校準過程分成兩個過

9、程：矢量網(wǎng)絡的內(nèi)部源幅度校準和接收機幅度校準。在第一個過程中將功率探頭直接和矢量網(wǎng)絡的源端口連接，對應選擇CAL鍵下的菜單Start Power Cal- Souce Power Cal。 第二步將已校準的源端口和接收端口連接進行接收機的校準，對應選擇CAL鍵下的菜單Start Power Cal- Receiver Power Cal。諧波測量隨著激勵功率的增加，放大器將進入非線性工作區(qū)，不僅會岀現(xiàn)輸岀功率壓縮現(xiàn)象，還會岀現(xiàn)非線性 頻率分量。這些新的頻率輸岀分量多為輸入頻率的整數(shù)倍，稱為諧波分量。設計人員往往比較關心的是輸 入基波分量與諧波分量的幅度差值，因為幅度差越大，意味著在同樣的直流輸

10、入功率情況下，更多的功率 轉換為所需的基 波功率，而非諧波功率，也可視為提高了放大器的效率。傳統(tǒng)的放大器的諧波測量是通過信號源加頻譜儀的方式實現(xiàn)，即用信號源作為激勵信號源，頻譜儀觀 測基波和諧波的信號幅度。放大器的諧波測試往往需要測量不同輸入基波功率對應的諧波輸岀功率，或者 測試不同的頻率點上同一輸入基波功率對應的諧波輸岀功率。傳統(tǒng)的方法須手動記錄或者編寫自動測試程 序進行測試。相對于這些繁瑣的方法，ZVB提供了更為靈活的解決方法。ZVB打破了傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡信號源和接收機必 須工作在同一頻率上的限制，可以使矢量網(wǎng)絡信號源和接收機工作在不同的頻率點上。具體對于諧波測量 而言，可以讓矢量網(wǎng)絡源輸岀基

11、波信號，而接收機工作在諧波頻率上，并可方便實現(xiàn)對基波輸入頻率或輸入功率的掃描測試（圖 2）。對應 ZVB的設置：可先通過Chan Select+Add channel +trace+Diag Area 的方法來添加一個新的觀測窗口和新的測試通道。然后在Mode鍵下選擇Harmonics進入諧波測試模式，5知片.山詁母 GI f-li而后通過選擇2nd、3rd或者輸入其它諧波次數(shù)來測量對應的諧波。Tree* O1 SimPwr .丸&Swp 1 5 W閣4”放尢器穗定性厠試ZVB也提供諧對于測試絕對諧波功率對輸入基波功率的變化，同樣推薦在測試前應該進行功率校準。波功率校準的方法。通過Harmon

12、ic Power Cal進入功率校準對話框，其基本操作過程與測試放大器功率 壓縮特性時相同，只不過在進行源功率校準時的頻率為整個測試頻率，而在接收機校準時的頻率為諧波頻 率而已。幅度相位轉化測量放大器的非線性特性除了功率壓縮和產(chǎn)生諧波頻率兩個方面外，還有相位非線性特征，即隨著輸入功率的改變，放大器插入相移的變化。工程上通常采用AM/PM轉化來描述，其具體的定義為：輸入功率每變化1dB，插入相移的改變量，單位為 Degrees/dB（圖3）。同功率壓縮特性的測量一樣，應設置ZVB掃描類型Sweep Type為功率掃描Power。測試軌跡為S21，但顯示格式Format應設置為相位方式Phase。

13、在測試過程中，可使用 ZVB提供Delta Marker與 Reference功能方便地讀值。穩(wěn)定性因子測量理想狀況下放大器的輸入、輸出端接阻抗應該為50Q ,但是在實際的電路環(huán)境下往往并非如此。而有些放大器在某些端接阻抗可能岀現(xiàn)自激振蕩，從而產(chǎn)生許多無用雜散輸岀信號。放大器的穩(wěn)定性是指放大器對產(chǎn)生自激振蕩的抑制能力。工程上一般把放大器的穩(wěn)定性狀況分為兩種情況：絕對穩(wěn)定和條件穩(wěn)定。 絕對穩(wěn)定是指在任何端接阻抗條件下都不岀現(xiàn)振蕩，而條件穩(wěn)定是指如果端接阻抗選擇的合適將不岀現(xiàn)振 蕩現(xiàn)象，但在某些端接阻抗上將岀現(xiàn)自激振蕩。20 log（ S）穩(wěn)定性因子有多種定義的方法,ZVB支持三種穩(wěn)定因子測量。穩(wěn)定性因子的測量基于S參數(shù)的測量,其S參數(shù)的關系如下:對于絕對穩(wěn)定放大器必須滿足：K1和兩個附加條件：1-|S11|2|S12.S21| 與1-|S22|2|S12.S21|