解析射頻及微波校準(zhǔn)源測量方法

　　在開發(fā)中進行測量，可用以評估是否達成目標(biāo)規(guī)范的性能，同時在測試制程中的產(chǎn)品時將面臨各種挑戰(zhàn)，包括確認使用的方法是否可提供較為確定的所需數(shù)值范圍、缺乏某項參數(shù)的追溯，以及確認可作為交叉檢查的替代技術(shù)，以驗證選擇的方法。使用者同時須有可迅速取得的設(shè)備、運用合適的方法，以進行例行性的重新校準(zhǔn)工作。本文將簡述儀器設(shè)計架構(gòu)，并概述所運用的測量方法。

　　利用具備外部校準(zhǔn)探頭儀器進行測試

　　信號源頻率范圍介于10Hz～4GHz之間，振幅則介于+24～-130dBm間，專門用于產(chǎn)生絕大多數(shù)常見RF及微波校準(zhǔn)應(yīng)用所需的信號，并具有一定的準(zhǔn)確度，而無須在使用時以其他設(shè)備進行監(jiān)控或特性化（Characterize）輸出，如使用功率分離器與功率傳感器測量輸出振幅、使用調(diào)變分析儀監(jiān)控調(diào)變電平等。

　　為協(xié)助輸出信號直接傳送至負載或待測單元（UUT）輸入，并將因纜線與互連而產(chǎn)生的效能低落情形降至最低，因此新型儀器配備外部校準(zhǔn)探頭（Leveling Head），信號會自主機中產(chǎn)生，并饋入包含電平探測器與衰減器電路的外部校準(zhǔn)探頭。

　　許多校準(zhǔn)應(yīng)用大多須要獲得高純度的信號，且常須要使用外部濾波器，而外部校準(zhǔn)探頭的設(shè)計為藉由輸出信號路徑內(nèi)設(shè)置合適濾波器的方法，可降低諧波與假性含量。此外，此項設(shè)計亦具有內(nèi)部類比調(diào)變功能，調(diào)頻（FM）以最高300kHz的速率于頻率合成器內(nèi)產(chǎn)生，而調(diào)幅（AM）則以最高220kHz的頻率在輸出放大與水平電路（Leveling Circuit）內(nèi)產(chǎn)生。此外，測量需求包括水平振幅電平（RF功率）、輸出電壓駐波比（VSWR）及調(diào)變。

　　功率傳感器無法支持較低不確定度測量

　　RF電平（Level）測量值為參考頻率的絕對值，接著再測量相對于此參考頻率數(shù)值的頻率響應(yīng)，即平坦度，而關(guān)于100kHz參考點的測量，可采用交流電（AC）電壓測量標(biāo)準(zhǔn)測量在已知50Ω終端上形成的均方根（RMS）電壓，再計算相應(yīng)的功率電平。RF功率計與功率傳感器用于高頻測量，此為常用的技術(shù)，若能使用含修正資料且正確校準(zhǔn)的功率傳感器，將可進行不確定度極低的追溯測量工作。

　　然而，此項技術(shù)仍無法提供夠低、約-50dBm左右的不確定度。測量工作可利用現(xiàn)代頻譜分析儀接近線性的振幅響應(yīng)，以較低的電平進行，而此類儀器的線性絕大多數(shù)均取決于用于數(shù)字化中頻（IF）信號的交流對直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換器，以便在數(shù)字領(lǐng)域中進行后續(xù)處理。測量的分析儀線性誤差通?？纱蠓陀谠跍y試中預(yù)估的不確定度，即在70dB的范圍內(nèi)小于0.02dB，頻譜分析儀依功率傳感器測量的UUT輸出，在- 47dBm標(biāo)準(zhǔn)化，且不須更改分析儀的設(shè)定，即可在50dB范圍內(nèi)，最低在-97dB進行測量，之后，頻譜分析儀即在-97dBm標(biāo)準(zhǔn)化，以于-130dBm進行測量。

　　信號源輸入阻抗可預(yù)估失配程度

　　知道信號源，即信號源端匹配的輸入阻抗不僅對確認規(guī)范而言十分重要，亦可讓使用者預(yù)估其應(yīng)用中失配的不確定度。VSWR或輸入回流損失測量技術(shù)通常用于連接「Leveling」準(zhǔn)位來源的被動式裝置，將有窒礙難行之處并產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，且進行此工作時，難以有實驗室能為產(chǎn)生器以符合標(biāo)準(zhǔn)的方式進行信號源端匹配（Source Match）測量，且鮮少有制造商會在自身的文獻中記載方法。如圖1所示，此架構(gòu)選擇的方法為輸入回流損失電橋。

　　圖1 信號源VSWR測量架構(gòu)

　　信號發(fā)生器從UUT輸出頻率，以約莫10Hz的少許固定頻率偏移插入信號。UUT輸出與反射信號將以10Hz的比率加減，此信號以設(shè)為「零跨距（Zero Span）」模式的頻譜分析儀偵測，并使用指針測量最大與最小振幅差異及時間，參考電平亦以UUT取代開路與短路測量，并計算電壓反射系數(shù)與VSWR。

　　AM與FM的精準(zhǔn)度目標(biāo)為高于0.1%，且失真小于0.05%（-66dB），然而傳統(tǒng)測量方式卻難以達成此目標(biāo)，但可使用配備測量解調(diào)器的頻譜分析儀進行測量，解調(diào)器采用數(shù)字信號處理，以數(shù)字化IF資料的方式，從取得的資料獲取所需的信號特性（圖2）。

　　圖2 頻譜分析儀信號處理

　　為何須為AM與FM測量調(diào)變率、調(diào)變深度/ 偏移及失真，如進行失真測量時，即可設(shè)定解調(diào)器顯示信號的音頻頻譜，且使用總諧波失真（THD）測量算法判定所需帶寬中出現(xiàn)的總諧波含量。先不論FM偏移測量的貝索零值（Bessel Null）技術(shù)，分析頻譜分析儀與測量解調(diào)器中的固有誤差來源后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)取得極為準(zhǔn)確的調(diào)變測量值，否則技術(shù)人員也無法找出可提供夠低的追溯不確定度的方法或其他實驗室，以完整評估潛在的性能。