射频及微波校准源测量方法

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  在开发中进行测量,可用以评估是否达成目标规范的性能,同时在测试制程中的产品时将面临各种挑战,包括确认使用的方法是否可提供较为确定的所需数值范围、缺乏某项参数的追溯,以及确认可作为交叉检查的替代技术,以验证选择的方法。使用者同时须有可迅速取得的设备、运用合适的方法,以进行例行性的重新校准工作。本文将简述仪器设计架构,并概述所运用的测量方法。

  利用具备外部校准探头仪器进行测试

  信号源频率范围介于10Hz~4GHz之间,振幅则介于+24~-130dBm间,专门用于产生绝大多数常见RF及微波校准应用所需的信号,并具有一定的准确度,而无须在使用时以其他设备进行监控或特性化(Characterize)输出,如使用功率分离器与功率传感器测量输出振幅、使用调变分析仪监控调变电平等。

  为协助输出信号直接传送至负载或待测单元(UUT)输入,并将因缆线与互连而产生的效能低落情形降至最低,因此新型仪器配备外部校准探头(Leveling Head),信号会自主机中产生,并馈入包含电平探测器与衰减器电路的外部校准探头。

  许多校准应用大多须要获得高纯度的信号,且常须要使用外部滤波器,而外部校准探头的设计为藉由输出信号路径内设置合适滤波器的方法,可降低谐波与假性含量。此外,此项设计亦具有内部类比调变功能,调频(FM)以最高300kHz的速率于频率合成器内产生,而调幅(AM)则以最高220kHz的频率在输出放大与水平电路(Leveling Circuit)内产生。此外,测量需求包括水平振幅电平(RF功率)、输出电压驻波比(VSWR)及调变。

  功率传感器无法支持较低不确定度测量

  RF电平(Level)测量值为参考频率的绝对值,接着再测量相对于此参考频率数值的频率响应,即平坦度,而关于100kHz参考点的测量,可采用交流电(AC)电压测量标准测量在已知50Ω终端上形成的均方根(RMS)电压,再计算相应的功率电平。RF功率计与功率传感器用于高频测量,此为常用的技术,若能使用含修正资料且正确校准的功率传感器,将可进行不确定度极低的追溯测量工作。

  然而,此项技术仍无法提供够低、约-50dBm左右的不确定度。测量工作可利用现代频谱分析仪接近线性的振幅响应,以较低的电平进行,而此类仪器的线性绝大多数均取决于用于数字化中频(IF)信号的交流对直流(AC-DC)转换器,以便在数字领域中进行后续处理。测量的分析仪线性误差通常可大幅低于在测试中预估的不确定度,即在70dB的范围内小于0.02dB,频谱分析仪依功率传感器测量的UUT输出,在- 47dBm标准化,且不须更改分析仪的设定,即可在50dB范围内,最低在-97dB进行测量,之后,频谱分析仪即在-97dBm标准化,以于-130dBm进行测量。

  信号源输入阻抗可预估失配程度

  知道信号源,即信号源端匹配的输入阻抗不仅对确认规范而言十分重要,亦可让使用者预估其应用中失配的不确定度。VSWR或输入回流损失测量技术通常用于连接「Leveling」准位来源的被动式装置,将有窒碍难行之处并产生错误的结果,且进行此工作时,难以有实验室能为产生器以符合标准的方式进行信号源端匹配(Source Match)测量,且鲜少有制造商会在自身的文献中记载方法。如图1所示,此架构选择的方法为输入回流损失电桥。

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  图1 信号源VSWR测量架构

  信号发生器从UUT输出频率,以约莫10Hz的少许固定频率偏移插入信号。UUT输出与反射信号将以10Hz的比率加减,此信号以设为「零跨距(Zero Span)」模式的频谱分析仪侦测,并使用指针测量最大与最小振幅差异及时间,参考电平亦以UUT取代开路与短路测量,并计算电压反射系数与VSWR。

  AM与FM的精准度目标为高于0.1%,且失真小于0.05%(-66dB),然而传统测量方式却难以达成此目标,但可使用配备测量解调器的频谱分析仪进行测量,解调器采用数字信号处理,以数字化IF资料的方式,从取得的资料获取所需的信号特性(图2)。

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  图2 频谱分析仪信号处理

  为何须为AM与FM测量调变率、调变深度/ 偏移及失真,如进行失真测量时,即可设定解调器显示信号的音频频谱,且使用总谐波失真(THD)测量算法判定所需带宽中出现的总谐波含量。先不论FM偏移测量的贝索零值(Bessel Null)技术,分析频谱分析仪与测量解调器中的固有误差来源后发现,应取得极为准确的调变测量值,否则技术人员也无法找出可提供够低的追溯不确定度的方法或其他实验室,以完整评估潜在的性能。

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