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目前大多數常規矢量網絡分析儀(VNA)都是將矢網端口集成安裝在機箱上的，這樣做的目的是將矢網內部的源和測量電路盡量接近，以簡化設計并實現高頻矢量S參數測量所需的嚴格同步。 隨著測量頻率越來越高，電纜對S參數測量的影響也開始愈來愈嚴重。雖然可以通過軟件算法，將電纜的影響從測量結果中去除，使測試結果僅反映出DUT的性能。這在常規的臺式儀表測量應用中，效果很好。因為在臺式儀表應用中，其測量夾具與VNA相當接近，并且電纜和夾具的射頻特性非常穩定，因此可以通過上述“去嵌入”的方式有效地消除它們對測量的影響。 但是，并非所有的VNA測量應用場景都是這種穩定的環境。大尺寸的DUT和OTA測試通常需要更長的測試電纜，才能將VNA連接到被測設備或對應的測試天線上，而且大多數應用還需要移動和重新連接對應的接口電纜，從而影響測量的穩定性，比如飛機射頻屏蔽效能和傳播測試應用等(如圖1所示)。 圖1.飛機屏蔽和傳播特性測量示意圖 連接矢網端口到DUT的長電纜可能會對S參數測量產生一些負面影響。在毫米波頻率下，幾米長的電纜會在DUT和VNA之間，會明顯地增加插入損耗；40 GHz的同軸電纜每米損耗會增加約4 dB。例如大型OTA暗室，矢網位于暗室的外面，一般需要4到5米的微波同軸電纜來將VNA端口連接到源天線和暗室內的被測天線(AUT)。假設每個端口需要5米長的電纜連接到暗室內，那么電纜在40 GHz頻率下會給測量路徑增加40 dB的額外插入損耗，從而顯著地降低了整個測量系統的有效動態范圍。 對于像遠場天線這樣的測試，由于源天線和測試天線之間的距離要求，存在很大的自由空間路徑損耗。OTA損耗與接口電纜損耗加起來，使得VNA進行這些測量所需的動態范圍非常高(如圖2所示)，這導致在OTA暗室應用中需要使用非常昂貴的高動態范圍的VNA。 10米遠，40 GHz頻率對應20 dBi增益天線的自由空間路徑損耗：~44 dB 整體損耗：約88 dB 圖2. 遠距離OTA測試要求VNA具有高動態范圍 長電纜還會使測量不穩定。在環境溫度發生微小變化或移動的情況下，同軸電纜會在測量結果中引入幾度相位偏移，這將導致明顯地測量偏差。這些相位偏差是由于環境條件改變引起的，而這無法避免，因此也很難將電纜的這種影響從測量中去除。 電纜可能產生的相位變化，如圖3所示，該圖闡述了四米同軸電纜在兩個5攝氏度溫度范圍內的相位變化，即使在這些較小的溫度范圍內，相變也很明顯。對于電纜長度通常較長且溫度波動較大的戶外應用來說，這種相變會更加嚴重。 圖3. 同軸電纜相位隨溫度變化 同軸電纜的插入損耗和穩定性問題隨著距離和頻率的增加而變得尤為突出，有必要考慮使用除同軸電纜之外的其他方法將VNA連接到DUT。圖4顯示了兩種在長距離連接中替換同軸電纜的常用方法。一種方法是使用混頻器將測試頻率下變頻為較低的中頻頻率，這要求同軸電纜通常具有更好的相位穩定性和插入損耗特性；另一種方法是通過將電信號轉換為光信號，從而替換掉同軸電纜，以最大程度地減少高頻損耗和穩定性問題。 圖4. 遠距離S參數測試中的長同軸電纜的替代解決方案 雖然這兩種替代方法都解決了同軸電纜對長距離S參數測量的諸多負面影響，但增加了復雜性和成本，同時也沒有解決VNA端口遠離DUT的基本問題。 安立公司已經開發出使用專用電纜和額外放大功能的典型解決方案，以將VNA與模塊之間的距離延伸到大約5米，這就是獨特的矢量網絡分析儀MS46522B E波段2端口高性能VNA，帶有5米長的線纜 (圖5)。但是，隨著距離超過5米以上，這種設計結構也不可避免的出現問題。 圖5. ShockLine MS46522B E波段2端口性能VNA 為了簡化長距離高頻S參數測試，就需要一種新的VNA架構。這種新的設計需要本質上是獨立VNA的模塊，這些模塊具有完整的源和測量功能，這些功能不依賴于主機中的信號源或數據處理。另外，必須確保兩個獨立的VNA之間的相位同步，以便支持復雜的2端口S參數測量。 為了解決此問題，安立推出了矢量網絡分析儀 ME7868A分布式2端口VNA(圖6)。其突破性的設計，通過使用具有完整信號源和測量功能的獨立矢量網絡分析儀 MS46131A模塊化單端口VNA作為便攜式測試端口，消除了VNA主機。由于每個單端口VNA均包含完整的源和接收機，因此可以在DUT本地產生和測量高頻信號，同時插入損耗和測量穩定性也得到了改善，從而消除了任何長距離傳輸帶來的各種不利影響。因為不需要主機連接，單端口VNA可以自由地在很遠的距離上進行測量，以進行獨立的回波損耗(RL)測量。 圖6. ShockLine ME7868A分布式模塊化2端口VNA 為了實現復雜的插入損耗(IL)測量，兩個單端口VNA必須進行相位同步。通常VNA端口同步是在VNA主機中完成的，但是在分布式結構中為了實現同步，安立公司開發了一項名為PhaseLync的突破性技術，該技術允許兩個單端口VNA在100米或更遠的距離上進行相位同步。 借助PhaseLync技術，該單端口VNA能夠在端口之間幾米的跨度內保證最高至43.5 GHz±2度的相位穩定性和±0.5 dB的幅度穩定性的同步IL測量。相對于同軸電纜，ME7868A分布式2端口VNA在遠距離傳輸測量方面，顯示出明顯優于同軸電纜的優勢。 圖7描述了傳統同軸電纜與ShockLine ME7868A分布式2端口VNA在5米范圍內的IL測量的相位穩定性的比較。 圖7.相位穩定性比較 該圖顯示了兩種相位隨頻率的變化。其中一條曲線是傳統的VNA連接，它測量電長度較短的RF DUT，用2.25英寸半徑彎曲的5米長電纜連接。如圖所示，在40 GHz下大約有六度的相移。 與之對應的，將其與具有5米PhaseLync連接的ShockLine ME7868A分布式2端口VNA進行比較， PhaseLync電纜以相同的半徑彎曲，以測量相同的電長度的DUT。在40 GHz頻率下，相移小于2度，這表明PhaseLync的相位穩定性是同軸電纜的三倍。 借助這種新的架構，得以實現將VNA端口移近DUT端以簡化S參數測試的目的。通過消除單個矢網主機架構的諸多物理限制，無需主機即可在DUT端生成高頻信號并進行測量，從而大大提高了VNA測試的靈活性。將VNA端口連接到DUT還可以改善動態范圍和穩定性，并簡化了校準和夾具去嵌入，從而在遠距離上實現更好的整體S參數測試。 以上內容由西安安泰測試整理發布，安泰測試作為安立長期合作伙伴，始終秉承著“誠實守信、服務至上”的原則為廣大客戶提供更優質的服務，為客戶提供產品選型、產品銷售、維修和培訓一站式服務，如果您在產品選型或者使用過程中有任何問題，歡迎關注安泰測試網。 |
