第14章 射頻電路與系統(tǒng)測試技術(shù) 無線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計[文光俊]

1、1第14章 射頻電路與系統(tǒng)測試技術(shù)教學(xué)教學(xué)重點重點本章重點介紹了射頻電路測量的基本設(shè)備及其功能；介紹本章重點介紹了射頻電路測量的基本設(shè)備及其功能；介紹了常用的定標(biāo)及誤差校準(zhǔn)技術(shù)；介紹了幾種參數(shù)的測試方了常用的定標(biāo)及誤差校準(zhǔn)技術(shù)；介紹了幾種參數(shù)的測試方法：法：S參數(shù)的測試方法，頻率測試技術(shù)，相位噪聲測試技參數(shù)的測試方法，頻率測試技術(shù)，相位噪聲測試技術(shù)，功率特性測試技術(shù)；介紹了器件的溫度特性測試技術(shù)術(shù)，功率特性測試技術(shù)；介紹了器件的溫度特性測試技術(shù)發(fā)展情況。發(fā)展情況。 教學(xué)教學(xué)重點重點教學(xué)教學(xué)重點重點掌握：常用的定標(biāo)及誤差校準(zhǔn)技術(shù)；掌握：常用的定標(biāo)及誤差校準(zhǔn)技術(shù)；S參數(shù)的測試方法參數(shù)的測試方法,頻

2、頻 率測試技術(shù)，相位噪聲測試技術(shù)，功率特性測試技率測試技術(shù)，相位噪聲測試技術(shù)，功率特性測試技 術(shù)術(shù) 。 了解：了解：器件的溫度特性測試技術(shù)的發(fā)展情況。器件的溫度特性測試技術(shù)的發(fā)展情況。 熟悉：射頻電路測量的基本設(shè)備及其功能。熟悉：射頻電路測量的基本設(shè)備及其功能。 能力能力要求要求2本章目錄v 第一節(jié) 基本測試設(shè)備v 第二節(jié) 頻率特性測試技術(shù)v 第三節(jié) 噪聲特性測試技術(shù)v 第四節(jié) 功率特性測試技術(shù)v 第五節(jié) 溫度特性測試技術(shù) 3知識結(jié)構(gòu)射射頻頻電電路路與與系系統(tǒng)統(tǒng)測測試試技技術(shù)術(shù)基本測試設(shè)備基本測試設(shè)備信號源信號源頻譜分析儀頻譜分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率特性測試技術(shù)頻率特性測試技術(shù)噪

3、聲特性測試技術(shù)噪聲特性測試技術(shù)功率特性測試技術(shù)功率特性測試技術(shù)計數(shù)法計數(shù)法測量系統(tǒng)的三階截斷點的方法測量系統(tǒng)的三階截斷點的方法直接測量法直接測量法鑒相器法鑒相器法鑒頻器法鑒頻器法微波功率測量方法微波功率測量方法功率測量中的誤差功率測量中的誤差溫度特性測試技術(shù)溫度特性測試技術(shù)噪聲系數(shù)分析儀噪聲系數(shù)分析儀外差法外差法低溫測量低溫測量414.1 基本測試設(shè)備14.1.1 信號源 信號源是能夠產(chǎn)生射頻/微波測試信號的裝置，其核心部件是振蕩器或頻率合成器。按應(yīng)用要求，信號源可以分為簡易微波信號源、標(biāo)準(zhǔn)微波信號源、點頻微波信號源和掃頻微波信號源。 1. 簡易微波信號源與標(biāo)準(zhǔn)微波信號源產(chǎn)生輸出頻率、輸出電平

4、和調(diào)制系數(shù)都能調(diào)節(jié)的信號，且能夠準(zhǔn)確讀數(shù)，并對信號的泄漏有嚴(yán)格要求。 2. 標(biāo)準(zhǔn)信號源在簡易微波信號源的基礎(chǔ)上，增加了一個定標(biāo)衰減器模塊。 3. 掃頻微波信號源的輸出頻率可以在指定范圍按一定的頻率步進(jìn)周期性變化（即為掃頻）。 4. 點頻微波信號源按點頻方式工作，一次只能輸出單一頻率的微波信號，而對應(yīng)的測量方法稱為點頻測量法。514.1 基本測試設(shè)備14.1.2 頻譜分析儀 對于射頻信號，由于頻率很高，無法直接用時域測量儀器進(jìn)行測量，只能將時域信號經(jīng)過傅氏變換，變?yōu)轭l域信號來分析其頻譜。供測量信號頻譜的儀器稱為頻譜分析儀。頻譜分析儀可以用于顯示所測量信號的電壓、波形、功率、周期、頻率以及旁頻帶。

5、頻譜分析儀面板頻譜分析儀面板614.1 基本測試設(shè)備 頻譜分析儀的核心是混頻器，基本功能是將被測信號下變至中頻，然后在中頻上進(jìn)行處理，得到幅度。在下變頻的過程中，是由本振來實現(xiàn)下變頻的。本振信號是掃描的，本振掃描的范圍覆蓋了所要分析信號的頻率范圍，所以調(diào)諧是在本振中進(jìn)行的。全部要分析的信號都下變頻到中頻進(jìn)行分析并得到頻譜。 頻譜分析儀的基本結(jié)構(gòu)框圖頻譜分析儀的基本結(jié)構(gòu)框圖714.1 基本測試設(shè)備14.1.3 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是全面測量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的高精度、智能化儀器，能快速、精確地測量有源器件和無源器件的特性，例如放大器、混頻器、雙工器、濾波器、耦合器、衰減器和移相器等無源和有源電路

6、。 1. S參量的測量 在測量、建模和設(shè)計多元件的復(fù)雜系統(tǒng)中，器件的S參數(shù)特性起著關(guān)鍵的作用。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能方便快捷的測量出被測器件的四個S參量。網(wǎng)絡(luò)分析儀通常有1個輸出端口，該端口可以通過內(nèi)部信號源或外接信號源輸出射頻信號，另外還有3個分別標(biāo)為R,A和B的測量通道，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 814.1 基本測試設(shè)備11S21S12S22S射頻源通常是覆蓋特定頻段的掃頻源。測量通道R用于測量入射波，同時也作為參考端口。通道A和B通常用于測量反射波和傳輸波。測量通道A和B可以同時測量任意兩個S參量元素。此時， 和 的數(shù)值可以分別通過計算A/R和B/R的比值得到。若要測量 和 ，則必須將待測元件反過來連

7、接。 利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試?yán)镁W(wǎng)絡(luò)分析儀測試S參數(shù)的實驗系統(tǒng)參數(shù)的實驗系統(tǒng) 914.1 基本測試設(shè)備2. 測量誤差及分析方法 使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量待測器件（DUT）的S參數(shù)時，測量誤差由三部分組成：系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差和漂移誤差。系統(tǒng)誤差主要包括方向性誤差、隔離誤差、源/負(fù)載的失配誤差、反射/傳輸路徑的頻率響應(yīng)誤差等。 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差模型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差模型 1014.1 基本測試設(shè)備（1） 反向性誤差和隔離誤差 方向性誤差表現(xiàn)為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射的測試信號未通過DUT，而直接進(jìn)入了反射信號的通道，這是由于發(fā)射端的定向耦合器沒有足夠的隔離造成的。隔離誤差表現(xiàn)為入射信號通過DUT

8、后而直接進(jìn)入了接收端的反射通道，而沒有進(jìn)入接收端的傳輸通道。（2） 源失配誤差和負(fù)載失配誤差11S22S21S12S 源失配誤差的產(chǎn)生機(jī)理是：實際的測試系統(tǒng)并非理想匹配，在進(jìn)行反射測量時，由于從DUT向源看去的反射系數(shù)不完全等于零，導(dǎo)致部分反射功率的損失，對測量 和 造成影響。同理在傳輸測量時，負(fù)載失配誤差是由于從DUT向負(fù)載看去的等效反射系數(shù)不完全等于零，導(dǎo)致部分傳輸功率的損失，對測量 和 造成影響。1114.1 基本測試設(shè)備（3） 反射路徑的頻率響應(yīng)誤差和傳輸路徑的頻率響應(yīng)誤差 頻率響應(yīng)誤差是由測試系統(tǒng)的功率分配器，定向耦合器，轉(zhuǎn)換接頭和傳輸電纜的頻率響應(yīng)特性并不是一條很平坦的直線而引起的

9、誤差。表現(xiàn)為若用一個標(biāo)準(zhǔn)的短路校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)時，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的不平坦性。 以上六種誤差是系統(tǒng)誤差，是可以校準(zhǔn)的。另外還有兩類誤差隨機(jī)誤差和漂移誤差是不能校準(zhǔn)的。（1） 隨機(jī)誤差 隨機(jī)誤差（又稱偶然誤差）是指測量結(jié)果與同一待測量的大量重復(fù)測量的平均結(jié)果之差。 （2） 漂移誤差 分析測試儀器由于供電電源電壓不穩(wěn)，電子學(xué)元件老化，光電倍增管暗電流大，環(huán)境溫度變化，室內(nèi)氣流騷擾等原因，造成分析儀器示值不穩(wěn)所引起的分析測試結(jié)果與理論實際數(shù)據(jù)的偏差。1214.1 基本測試設(shè)備 3. 測試夾具及校準(zhǔn)技術(shù) 夾具的作用是連接DUT和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，所以理想的夾具要求無損耗、線性相位變化、平坦的頻率響應(yīng)、阻抗匹

10、配的連接端、電長度已知、輸入和輸出端的隔離度無窮大等。使用高質(zhì)量的測試夾具可以獲得高的測量精度，下圖是用于手機(jī)芯片的測試夾具照片，利用它可以方便的進(jìn)行手機(jī)芯片測試，并得到很好的測量精度。手機(jī)芯片測試夾具照片手機(jī)芯片測試夾具照片 1314.1 基本測試設(shè)備 4. 通用校準(zhǔn)與定標(biāo)方法11S21S21S11S （1） SOLT校準(zhǔn) 先后連接匹配負(fù)載，短路器和開路器并測量反射系數(shù) ，通過計算可校準(zhǔn)反射參數(shù)相關(guān)的誤差項。在得到與反射誤差相關(guān)的誤差項后，連接匹配負(fù)載并測量傳輸系數(shù) 可得到傳輸路徑的隔離誤差，連接直通段并測量 和 可以得到傳輸路徑的頻率響應(yīng)誤差和負(fù)載失配誤差。所以要得到所有的12個誤差項，通

11、過正向和反向各六次測量就可以得到測量系統(tǒng)的所有12個誤差項。正向誤差模型正向誤差模型反向誤差模型反向誤差模型1414.1 基本測試設(shè)備 （2） TRL校準(zhǔn) 直通-反射-傳輸線（TRL）校準(zhǔn)方法不需要已知的負(fù)載，而是采用下圖所示的3種不同連接方式進(jìn)行校準(zhǔn)。直通直通-反射反射-傳輸線校準(zhǔn)方法的信號流圖傳輸線校準(zhǔn)方法的信號流圖 對于直通狀態(tài)，已知 ， 。令 ，則有：11220SS12211SS1221EE12221TRERE E12221TXTREBEEE E21211221TRREAEEE E1514.1 基本測試設(shè)備 對于直通狀態(tài)，已知 ， ，則有：1122SS 12210SS12221RERE

12、21211221REAEERXBE 對于傳輸線狀態(tài)，已知 ， ，則有：12210SS1221lSSe122221LlRERE E e2212112221lRLlRE E eAEE E e122221lLXTlREBEE eE E e11E22E12EXEREle 根據(jù)上述公式可以解出校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的未知參數(shù) ， ， ， ， , 反射系數(shù) ，以及傳輸線參數(shù) 。在完成了誤差校準(zhǔn)后，就可以測量DUT的S參數(shù)了。 1614.1 基本測試設(shè)備 5. 探針臺及校準(zhǔn)技術(shù) 用探針臺能夠?qū)崿F(xiàn)極其精確的MMIC性能測試。與測試夾具相比，探針臺測量技術(shù)具有如下一些優(yōu)點：（1） 單掃頻系統(tǒng)已實現(xiàn)直流到120GHz信號的測量

13、。（2）引入的系統(tǒng)誤差很小，測量更精確，并具有可重復(fù)性。（3）校準(zhǔn)程序簡單，采用晶圓片上校準(zhǔn)和驗證標(biāo)準(zhǔn)可以實現(xiàn) 校準(zhǔn)程序自動化。（4）其使VNA測量參考面位于探針尖或在沿MMIC傳輸線一段 距離處；后者可以完全消除過渡效應(yīng)。（5）其提供了一種快速、無破壞測量MMIC的方法，從而可以在 切片和封裝之前進(jìn)行芯片選擇。1714.1 基本測試設(shè)備14.1.4 噪聲系數(shù)分析儀 噪聲系數(shù)測試儀的原理方框圖如下圖所示。10 1 600 MHz信號進(jìn)入低通濾波器后,任何高于1 650 MHz的信號將被抑制,程控放大器調(diào)整輸入信號電平以滿足第一變頻器的需要。第一變頻器使輸入信號和第一本振差頻得到第一中頻,第一中

14、頻經(jīng)隔離器進(jìn)入低通濾波器,然后進(jìn)入第二變頻器。第一中頻與 1750 MHz本振進(jìn)行第二次混頻得到第二中頻。第二中頻再和280 MHz本振混頻產(chǎn)生第三中頻,再經(jīng)放大濾波之后進(jìn)入檢波、A/D變換,最后由CPU計算、修正、存儲、顯示。噪聲系數(shù)分析儀原理圖噪聲系數(shù)分析儀原理圖1814.2 頻率特性測試技術(shù)14.2.1 外差法XfSfdXSfff 外差法的基本原理是將待測的信號頻率 與本機(jī)已知的準(zhǔn)確振蕩頻率 通過混頻器混頻，輸出差頻信號 ，再通過分析三個頻率的關(guān)系，測出待測頻率。 外差法原理外差法原理sfd0f 若本機(jī)頻率 連續(xù)可變，則可以通過調(diào)節(jié)本機(jī)頻率，使輸出差頻 便可測得待測頻率為：sXffXfs

15、fsfXfdsX0fnfmf 當(dāng) 和 含有諧波分量時，則可以調(diào)節(jié) 的n次諧波等于 的m次諧波，即 ，則可以得到待測頻率為：Xsnffm1914.2 頻率特性測試技術(shù)14.2.2 計數(shù)法XfXTsf計數(shù)法的基本原理是將未知頻率 的每一個周期 變?yōu)橐粋€脈沖，由計數(shù)器計出通過閘門的脈沖數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)頻率 用于控制閘門的開關(guān)時間，如圖所示：計數(shù)法原理計數(shù)法原理gTsfgsTmTXsnTmT 設(shè)閘門開放的時間 等于 的m個周期，即 ，在開放期間通過閘門的脈沖數(shù)為n個，則 ，于是得到待測頻率為： 。Xsnffm2014.2 頻率特性測試技術(shù)14.2.3 測量系統(tǒng)的三階截斷點的方法 如果基頻信號增大10 dB，三

16、階交調(diào)就會增大30 dB，所以對于基頻分量有：33i()OIPaG IIPP而對于三階交調(diào)分量有：33i3 ()OIPbG IIPPiP 其中a和b為當(dāng)輸入功率為 時的基頻和三階交調(diào)的輸出功率。化簡上兩式得到：332abOIP于是我們可以得到三階截斷點為：33IIPOIPG2114.3 噪聲特性測試技術(shù)m()Sf相位噪聲的功率譜密度 可以定義為： 2rmsmm()()fSfB2rmsm()f( ) tmf其中 是 在頻率 處產(chǎn)生功率，B為測量噪聲的等效帶寬。( ) t根據(jù)調(diào)制理論，當(dāng) 最大值遠(yuǎn)小于1 rad時，可得到如下關(guān)系：mm1()()2fSf2214.3 噪聲特性測試技術(shù)14.3.1 直

17、接測量法m()f 將未加調(diào)制的高頻載頻信號直接加到頻譜儀上，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)念l率范圍和其他參數(shù)便可觀測出該信號的 。 m()f3dBB 為了更加精確的測量 ，需要進(jìn)行一定的修正。首先將分辨帶寬 乘以1.2作為測量帶寬B。由于頻譜儀讀數(shù)對噪聲功率有2.5 dB的壓縮，所以需要加上2.5 dB的修正項，最后結(jié)果為：m()10lg(1.2)2.5fNB14.3.2 鑒相器法( ) tm()Sf 用鑒相器法測量相位噪聲其過程是將待測信號與一個高穩(wěn)定度的同頻參考信號相位正交的進(jìn)行混頻，檢出與被測信號的相位起伏成比例的低頻噪聲電壓，經(jīng)過低通濾波和低噪聲放大，輸入到頻譜儀中讀出 的功率譜 。 2314.3 噪聲特

18、性測試技術(shù)鑒相器法測相位噪聲鑒相器法測相位噪聲設(shè)被測信號為cc( )cos( )v tVtt,參考信號為rrr( )cos()v tVt兩信號經(jīng)過混頻器和濾波器后得到：bcrcr( )cos()( )v tV Vtt當(dāng)cr時，又有：bcr( )cos ( )v tV Vt2414.3 噪聲特性測試技術(shù)因為0( )( )tt ，若可以調(diào)節(jié)02，則有：bcr( )sin( )v tV Vt( ) t當(dāng) 的最大值遠(yuǎn)小于1 rad時，就得到： bcr( )( )v tV Vt考慮頻域，同樣有：bmcrm()()vfV Vfb( )v t( ) tcrKV Vb( )vtK( ) tm()Sf 可知 就

19、是與相位起伏 成比例的低頻電壓。令 稱為鑒相常數(shù)，通過頻譜儀測量輸出電壓 ， 通過鑒相常數(shù) 的校正就可以得到 的功率譜 。2514.3 噪聲特性測試技術(shù)14.3.3 鑒頻器法fVVm()Sfm()f鑒頻器法的原理是將被測信號的頻率起伏 由鑒頻器變?yōu)殡妷浩鸱?，從而通過測量 的頻譜得到 或 。鑒頻器法測相位噪聲鑒頻器法測相位噪聲通過鑒頻器輸出的信號在頻域上可表示為：mdmdmmdsin()2()fV fKf ffK 其中 是與延遲線、混頻器和低噪聲放大器的增益或插損相關(guān)的量。 2614.3 噪聲特性測試技術(shù)dK定義鑒頻常數(shù) ： mdmddmmdsin()2()fV fKKf ffmfmd1fdK

20、dd2KK在頻率 偏差很小 時，鑒頻常數(shù) 可近似為 . 在得出鑒頻常數(shù)后，其他的校準(zhǔn)工作與鑒相法相同，最后的測量結(jié)果為：md()10lg2.520lgSfNBKmmd1()()10lg2.520lg32fSfNBK2714.4 功率特性測試技術(shù)14.4.1 微波功率測量方法 用滿足量程的微波功率計測量微波功率的電路也可以分為兩種，即終端式和通過式。終端式測量電路是將微波信號直接輸入到微波功率計中進(jìn)行測量，此時需要注意輸入信號與功率計間的阻抗匹配，否則會帶來較大的測量誤差。通過式測量電路是在輸出信號的傳輸線上通過耦合器按比例提取一部分微波功率進(jìn)行測量，最后按比例計算出信號的功率。 另一種小量程功

21、率計的擴(kuò)展測量電路稱為衰減法，它是由待測微波輸出和小量程功率計，以及它們之間附加的一個已知衰減量的衰減器組成。測量時將測出的功率加上衰減量，就得到微波的輸出功率。通過式法測功率通過式法測功率衰減法測功率衰減法測功率2814.4 功率特性測試技術(shù)14.4.2 功率測量中的誤差 實際的測量電路中輸入源和功率計的阻抗失配是不可避免的。分兩種情況對因阻抗失配帶來的測量誤差進(jìn)行分析。 功率測量的等效電路功率測量的等效電路g0 L0第一種是源匹配（ ），但功率計或功率探頭不匹配（ ）的情況。設(shè)源的資用功率為 ，輸出到功率計上的功率為 ，跟據(jù)功率計算公式有：APLP2LAL1PP 2914.4 功率特性測試技術(shù)LPAP2L 可以看出測量的功率 小于實際的輸出功率 ，由于在這種情況下 是確定的，所以是可以校正的，求出實際輸出功率為： LA2L1PP gL,0 第二種情況是源端和功率計端都不匹配（ ）的情況。根據(jù)功率計算公式：2LL02Lg11PP 其中，20Ag1PP 301