Agilent-混频器测试应用指南

AgilentPNA微波网络分析仪应用指南1408-3使用频率转换器应用程序改善混频器测量及校准精度引言注意：本应用指南中逐步的操作过程只适用于固件版本是A.04.06的PNA(836xA/B)和PNA-L(N5230A)网络分析仪。如果你的PNA或PNA-L有不同的固件版本，具体步骤也许会不一样，但大致方法是相同的。频率转换器件例如混频器和变频器是射频和微波通信系统中的基本模块。准确地描述这些器件的性能对于设计过程非常关键。安捷伦公司的PNA微波网络分析仪能够测量变频器的指标诸如变频损耗包括幅度和相位信息，绝对群时延，端口匹配，和隔离度。本应用指南讨论了使用PNA频率转换器应用程序进行变频器测量的最佳步骤，该测量使用了安捷伦公司独有的基于混频器测量的专利技术：标量混频器校准(SMC)和矢量混频器校准技术(VMC)。本文概述了如何选择合适的校准技术来测量元器件以减少测量误差，获得最高的精度。为了最大化地从本应用指南中受益，你最好对基本的网络分析以及矢量校准技术，标量校准技术有一定的理解。安捷伦应用指南1408-1，1408-2，以及两篇关于矢量混频器校准技术的论文对混频器测量和校准技术作了深入的说明。关于如何获得这些材料可以参见附录，此外，PNA微波网络分析仪的帮助文件对频率转换器应用和混频器校准技术做了深入的描述，有详细的框图和抓屏图形文件。每台PNA仪器里都装有帮助文件，同时也可以访问这个网址以获得在线帮助。频率转换器应用：标量和矢量混频器校准PNA系列微波网络分析仪的频率偏移能力是通过硬件和固件程序一起实现的。频率偏移模式可以让你分别设置PNA网络分析仪的源和接收机来测量混频器。固件程序自动实现频率转换器测量。频率转换器应用提供了一个容易上手的用户图形界面和先进的校准技术，包括标量混频器校准(SMC)和矢量混频器校准(VMC)。标量混频器校准(SMC)可以用来描述混频器的变频损耗幅度信息和反射特性。变频损耗测定义为混频器输出端功率(对应于输出频率)与输入端功率(对应于输入频率)的比值。这个校准是通过端口和器件匹配以及功率计测量联合实现的。利用SMC，混频器输入端和输出端的功率可以通过功率计校准网络分析仪精确地获得，因而可以把功率计测量功率的精度转移到网络分析仪上。采用一端口校准后，端口和器件的输入，输出端的反射系数可以准确的测量出来。利用测试端口，器件和功率传感器之间已知的反射系数，SMC能够修正失配误差。因为SMC通过可追踪的标准件(功率计)作为参考，所以它能够提供变频损耗测量的最高精度。矢量混频器校准(VMC)通过使用标准件(例如短路，开路，负载或者电子校准件)，和一对“校准混频器/中频滤波器”来进行变频损耗，相位，绝对群时延的测量。VMC校准基于修正了的二端口误差模型，但是校准步骤及标准件和传统的二端口校准不一样。在变频器测量中，校准步骤不一样是因为被测件的输入频率和输出频率不同，需要额外的校准步骤。在矢量混频器校准(VMC)中，标准件仍用来确定方向性和匹配误差项。一对校准混频器/中频滤波器作为一个新的标准件用来决定传输跟踪误差项。校准混频器一般假定是互易的，用来描述输入匹配，输出匹配和变频损耗(包括了幅度和相位)的特性。本应用指南的第一部分审查了只跟矢量混频器校准技术相关的几个主题。第二部分讨论了准确测量混频器的可取步骤，包括了基于SMC和VMC的混频器测量。参考混频器，校准混频器，被测混频器基于矢量混频器校准(VMC)的混频器测量需要三个混频器：参考混频器，校准混频器，以及要测量的混频器。在这一部分中，我们将解释这三个混频器之间的不同之处。参考混频器：参考混频器的目的就是为测量提供一个参考相位。参考混频器连在网络分析仪的参考接收机路径上，在”sourceout”和”receiverR1in”之间，如图1所示。参考混频器被当成测试系统设置的一部分，就像网络分析仪或者测试电缆。在校准或者测量过程中，参考混频器不需要移动，连接，或者断开，它一直保持不动。在测量过程中，固件程序控制参考混频器的开和关，图1中标有选件081的就是开关。对于参考混频器，没有什么指标的要求。注意：用户也可以自己控制参考混频器的开和关，具体操作如图2所示。当然，通常，用户让固件程序控制参考接收机的开和关。校准混频器：校准混频器在矢量混频器校准(VMC)中当标准件使用，就像开路，短路或者负载一样。在矢量混频器校准中，它实际上当作“直通”标准件使用。它只在校准过程中使用，测量过程就不再需要了。你可以把它放到一个盒子里，像装有校准件的盒子里，并且可以把它看作是又一个标准件。对于这个标准件的指标要求，一会儿我们会在第6页说明。被测混频器：被测件和参考混频器，校准混频器不同，它是未知的将要测量的器件。然而，如果被测件满足参考混频器或校准混频器的要求，你可以把你的被测件当作参考混频器或校准混频器使用。矢量混频器校准过程矢量混频器校准过程要求知道校准混频器的特性。”SelectCalibrationProcedure”对话框允许你选择只获得校准混频器特性，或者执行完全的矢量混频器校准。选择”CalibrationMixercharacterizationonly”，你只执行了二端口校准，描述了校准混频器的特性，并把数据保存为S2P文件格式。这个过程不需要参考混频器。如果你只想把校准混频器的特性数据保存以便提供给矢量混频器校准使用，那么可以选择”CalibrationMixercharacterizationonly”。同样地，如果你选择了”FullSystemCalibration”，你可以导入之前测得的校准混频器数据文件，或者你可以执行”CalibrationMixercharacterization”作为整个矢量混频器校准过程的一部分(需要参考混频器)，该校准过程包括了校准混频器作为直通标准件的步骤。中频带宽建议你在校准的时候采用窄的中频带宽(1KHz或者更小)，来确保校准时低的噪声。在测量时，你可以加宽中频带宽来加快测量速度。校准混频器特性频率范围校准混频器的频率范围应该和被测器件一样或者更宽一些，输入和输出频率都是这样。如果采用同样的测量设置测量多个被测件，那么校准混频器的带宽要宽，能够覆盖所有被测件的工作频段。使用宽频混频器作校准混频器和参考混频器使用时，具有时间优势。这是因为作矢量混频器所耗的时间更多的是在连接和断开元器件上面。校准过程包括了网络分析仪的扫描，这在PNA上执行时非常快。在很多测量点上进行宽带校准时，需要一定的时间，并且，用户可以内插校准并把它应用到许多测量上去。需要注意的是，如果你要采用校准内插，只在本振频率相同时适用。回波损耗校准混频器的回波损耗对于校准混频器来说，不是很关键。在测量过程中，VMC能够修正由于反射信号所造成的失配误差(从测试端口1反射过来的射频信号，从测试端口2反射回来的中频信号)。然而，谐波和杂散分量能够在混频器和测试端口上产生反射，造成测量误差。因此，被测件有较好的回波损耗时会产生较小的不确定度。如果在混频器前后各放一射频滤波器和中频滤波器，由回波损耗所造成的影响将会减少。如果混频器的变频损耗非常小，那么可以利用衰减器来改善失配误差。回波损耗测量的稳定性，或者说校准混频器的特性，非常关键。你可以直接连接校准混频器到网络分析仪的测试端口来进行准确的测量以获得校准混频器的特性。然后，你可以把它连到你的测试系统中，作为一个直通标准件。变频损耗校准混频器/中频滤波器的变频损耗应该小于10dB，来确保校准的准度。如果校准混频器的变频损耗超过了15dB，那么校准的精度将大大降低。假设中频滤波器在通带内损耗非常小，我们将主要关注校准混频器的变频损耗。要求低变频损耗的原因是校准混频器的特性取决于标准件连在校准混频器输出端的测得的反射系数。这些标准件连到校准混频器/中频滤波器的输出端，如图6所示。变频损耗互易性对校准混频器的最主要的要求就是具有互易性。互易性意味着前向和反向变频损耗必须相同，包括幅度和相位。当一个高频的信号入射到端口1，在端口2测量一个低频的输出信号时，此时我们就测得了前向变频损耗或者VC21。当一低频的输入信号入射到端口2，在端口1测量一高频的输出信号，此时我们就测得了反向转换损耗定义或者VC12。要求互易的原因跟矢量混频器校准原理有关，在整个校准过程中，通过测量进入滤波器和从标准件反射回来的信号，我们就能计算出前向和反向的混频器变频损耗的纯响应。在计算误差项时，假定VC21=VC12，那么校准混频器的特性就确定了，当然假定VC21＝VC12是基于变频损耗互易性的基础上。大家可以参阅安捷伦公司的应用指南1408-1来了解矢量混频器校准(VMC)理论和完整的误差模型。由于互易性是校准混频器的一项关键指标，本应用指南的剩下两部分将讨论：校准混频器互易性测试算法和校准混频器非互易对基于矢量混频器校准(VMC)的测量精度的影响。高阶混频分量的产生(杂散产物)校准混频器的杂散产物必须很小，因为杂散信号会导致测量误差。混频器小功率工作时将减少杂散产物。网络分析仪的硬件和固件程序可以通过配置窄带接收机来减少各种杂散信号所造成的影响。PNA微波网络分析仪的接收机已经设计成了对杂散信号没有响应产生。此外，频率转换器应用程序有一内置的“杜绝杂散信号”算法应用在校准和测量过程中，另一个可行的方法就是稍微改变激励信号或者响应信号的频率，或者测量的点数来避免杂散信号。混频器产生高阶产物之后,这些产物能够从网络分析仪的测试端口反射回来再次进入混频器，和其他信号二次混频，在输出频率处产生误差信号，这个问题可以通过在输入端和输出端放置合适的滤波器来避免。详细可参见第14页关于“减少失配纹波”的章节。隔离度混频器的隔离度共6项：射频对中频和本振，本振对射频和中频，中频对本振和射频。由于本振的功率都较大，导致本振泄漏是造成杂散响应的重要原因。因此，减少本振的泄漏，对于得到准确的矢量混频器校准很关键。一个好的校准混频器要求本振对射频端，中频端的隔离度至少大于20dB。本振泄漏带来的问题是本振泄漏的信号进入射频或者中频端口后，从网络分析仪的测试端口反射后，再次进入混频器，和其他信号混频，会产生失配误差。此外，本振泄漏信号也会进入参考接收机，产生额外的误差，包括“相位失锁”或者“Powerunleveled”。射频功率电平校准混频器应该工作在线性区域来确保反射系数为线性，这样意味着射频功率比本振功率至少小30dB。如果混频器工作在线性区域，中频端口的反射系数不会随着射频输入功率的改变而改变。然而，如果工作在非线性区域，反射分量跟输入功率电平有关。图8显示了不同射频功率电平下，混频器的输入匹配S11的曲线。图8中混频器的本振功率设置为14dBm，我们不能给混频器的本振加太高的功率，只能增加射频端的功率。显然可以看到，射频功率不大于0dBm时，S11基本不变。但射频输入功率为5dBm时，S11变化显著。如果射频输入功率太大，矢量混频器校准也会产生显著的误差，所以要确保校准混频器工作在线性区域。本振功率电平校准混频器的本振功率在自身特性测量时和作为“直通标准件”校准时必须保持不变，这是因为校准混频器的特性跟本振功率有关。另外，校准混频器的本振功率可以和被测件的本振功率不一样。校准混频器互易性测量算法互易型混频器前向和反向传输时，变频损耗是相同的。混频器变频损耗的幅度互易性可以通过标量混频器校准方法来确定。标量混频器校准方法为变频损耗幅度测量提供了失配校准。目前，还没有适合测试混频器相位互易性的方法。接下来会描述使用SMC测量混频器变频损耗的幅度互易性的具体步骤。如图9所示，测试端口1连接到混频器的输入端，测试端口2连接到混频器的输出端。先配置好PNA，进行前向SMC(SC21)和反向SMC(SC12)测量。配置通道1测量SC21，通道2测量SC12。这2个测量必须使用同样的连接设置。网络分析仪的固件程序自动进行前向和反向测量。SMC有一个特点就是它可以