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远距离高频S参数测量解决方案


  来源: 安立通讯科技Anritsu 时间:2021-04-02 编辑:清风
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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。对于大多数台式仪表而言,将端口集成到机箱上并不是什么大问题,因为可以使用较短的高质量同轴电缆连接矢网端口和被测设备,也可以最小化地减少对S参数测量结果的影响。


但是,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)。


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

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。


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。


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。将VNA端口移近DUT的概念并不新鲜,比如使用外部倍频器模块来解决约60 GHz或更高的测量频率,即使对于台式仪表,插入损耗和稳定性问题也与上述较长电缆距离的问题类似,成为至关重要的问题。


关键词:矢量网络分析仪 测量 解决方案    浏览量:15448

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