安立矢量网络分析仪在远距离高频S参数测量的应用

目前大多数常规矢量网络分析仪(VNA)都是将矢网端口集成安装在机箱上的,这样做的目的是将矢网内部的源和测量电路尽量接近,以简化设计并实现高频矢量S参数测量所需的严格同步。

安立矢量网络分析仪在远距离高频S参数测量的应用

随着测量频率越来越高,电缆对S参数测量的影响也开始愈来愈严重。虽然可以通过软件算法,将电缆的影响从测量结果中去除,使测试结果仅反映出DUT的性能。这在常规的台式仪表测量应用中,效果很好。因为在台式仪表应用中,其测量夹具与VNA相当接近,并且电缆和夹具的射频特性非常稳定,因此可以通过上述“去嵌入”的方式有效地消除它们对测量的影响。

但是,并非所有的VNA测量应用场景都是这种稳定的环境。大尺寸的DUT和OTA测试通常需要更长的测试电缆,才能将VNA连接到被测设备或对应的测试天线上,而且大多数应用还需要移动和重新连接对应的接口电缆,从而影响测量的稳定性,比如飞机射频屏蔽效能和传播测试应用等(如图1所示)。

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图1.飞机屏蔽和传播特性测量示意图

连接矢网端口到DUT的长电缆可能会对S参数测量产生一些负面影响。在毫米波频率下,几米长的电缆会在DUT和VNA之间,会明显地增加插入损耗;40 GHz的同轴电缆每米损耗会增加约4 dB。例如大型OTA暗室,矢网位于暗室的外面,一般需要4到5米的微波同轴电缆来将VNA端口连接到源天线和暗室内的被测天线(AUT)。假设每个端口需要5米长的电缆连接到暗室内,那么电缆在40 GHz频率下会给测量路径增加40 dB的额外插入损耗,从而显著地降低了整个测量系统的有效动态范围。

对于像远场天线这样的测试,由于源天线和测试天线之间的距离要求,存在很大的自由空间路径损耗。OTA损耗与接口电缆损耗加起来,使得VNA进行这些测量所需的动态范围非常高(如图2所示),这导致在OTA暗室应用中需要使用非常昂贵的高动态范围的VNA。

10米远,40 GHz频率对应20 dBi增益天线的自由空间路径损耗:~44 dB

整体损耗:约88 dB

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图2. 远距离OTA测试要求VNA具有高动态范围

长电缆还会使测量不稳定。在环境温度发生微小变化或移动的情况下,同轴电缆会在测量结果中引入几度相位偏移,这将导致明显地测量偏差。这些相位偏差是由于环境条件改变引起的,而这无法避免,因此也很难将电缆的这种影响从测量中去除。

电缆可能产生的相位变化,如图3所示,该图阐述了四米同轴电缆在两个5摄氏度温度范围内的相位变化,即使在这些较小的温度范围内,相变也很明显。对于电缆长度通常较长且温度波动较大的户外应用来说,这种相变会更加严重。

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图3. 同轴电缆相位随温度变化

同轴电缆的插入损耗和稳定性问题随着距离和频率的增加而变得尤为突出,有必要考虑使用除同轴电缆之外的其他方法将VNA连接到DUT。图4显示了两种在长距离连接中替换同轴电缆的常用方法。一种方法是使用混频器将测试频率下变频为较低的中频频率,这要求同轴电缆通常具有更好的相位稳定性和插入损耗特性;另一种方法是通过将电信号转换为光信号,从而替换掉同轴电缆,以最大程度地减少高频损耗和稳定性问题。

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图4. 远距离S参数测试中的长同轴电缆的替代解决方案

虽然这两种替代方法都解决了同轴电缆对长距离S参数测量的诸多负面影响,但增加了复杂性和成本,同时也没有解决VNA端口远离DUT的基本问题。

安立公司已经开发出使用专用电缆和额外放大功能的典型解决方案,以将VNA与模块之间的距离延伸到大约5米,这就是独特的矢量网络分析仪MS46522B E波段2端口高性能VNA,带有5米长的线缆 (图5)。但是,随着距离超过5米以上,这种设计结构也不可避免的出现问题。

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图5. ShockLine MS46522B E波段2端口性能VNA

为了简化长距离高频S参数测试,就需要一种新的VNA架构。这种新的设计需要本质上是独立VNA的模块,这些模块具有完整的源和测量功能,这些功能不依赖于主机中的信号源或数据处理。另外,必须确保两个独立的VNA之间的相位同步,以便支持复杂的2端口S参数测量。

为了解决此问题,安立推出了矢量网络分析仪 ME7868A分布式2端口VNA(图6)。其突破性的设计,通过使用具有完整信号源和测量功能的独立矢量网络分析仪 MS46131A模块化单端口VNA作为便携式测试端口,消除了VNA主机。由于每个单端口VNA均包含完整的源和接收机,因此可以在DUT本地产生和测量高频信号,同时插入损耗和测量稳定性也得到了改善,从而消除了任何长距离传输带来的各种不利影响。因为不需要主机连接,单端口VNA可以自由地在很远的距离上进行测量,以进行独立的回波损耗(RL)测量。

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图6. ShockLine ME7868A分布式模块化2端口VNA

为了实现复杂的插入损耗(IL)测量,两个单端口VNA必须进行相位同步。通常VNA端口同步是在VNA主机中完成的,但是在分布式结构中为了实现同步,安立公司开发了一项名为PhaseLync的突破性技术,该技术允许两个单端口VNA在100米或更远的距离上进行相位同步。

借助PhaseLync技术,该单端口VNA能够在端口之间几米的跨度内保证最高至43.5 GHz±2度的相位稳定性和±0.5 dB的幅度稳定性的同步IL测量。相对于同轴电缆,ME7868A分布式2端口VNA在远距离传输测量方面,显示出明显优于同轴电缆的优势。

图7描述了传统同轴电缆与ShockLine ME7868A分布式2端口VNA在5米范围内的IL测量的相位稳定性的比较。

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图7.相位稳定性比较

该图显示了两种相位随频率的变化。其中一条曲线是传统的VNA连接,它测量电长度较短的RF DUT,用2.25英寸半径弯曲的5米长电缆连接。如图所示,在40 GHz下大约有六度的相移。

与之对应的,将其与具有5米PhaseLync连接的ShockLine ME7868A分布式2端口VNA进行比较, PhaseLync电缆以相同的半径弯曲,以测量相同的电长度的DUT。在40 GHz频率下,相移小于2度,这表明PhaseLync的相位稳定性是同轴电缆的三倍。

借助这种新的架构,得以实现将VNA端口移近DUT端以简化S参数测试的目的。通过消除单个矢网主机架构的诸多物理限制,无需主机即可在DUT端生成高频信号并进行测量,从而大大提高了VNA测试的灵活性。将VNA端口连接到DUT还可以改善动态范围和稳定性,并简化了校准和夹具去嵌入,从而在远距离上实现更好的整体S参数测试。

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