淺談單接受機(jī)測(cè)試S參數(shù)相位

今天的話題是單接受機(jī)測(cè)試S參數(shù)相位，主講人是一位講段子水平已經(jīng)到爐火純青地步的測(cè)試工程師。

看完全文后，小編不得不感嘆一句，“段子手”講測(cè)試，太形象了，秒懂。

一起來(lái)看下全能工程師的講解

魯迅先生一直說(shuō)“不要輕易說(shuō)相位”。

雙接收機(jī)VNA結(jié)構(gòu)和原理

當(dāng)然矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀就是要測(cè)相位，傳統(tǒng)的VNA架構(gòu)一般每個(gè)端口都是有2個(gè)接收機(jī)，一個(gè)叫參考接收機(jī)Reference Receiver（也稱(chēng)a接收機(jī)，對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)叫a），另一個(gè)叫測(cè)量接收機(jī)Measurement Receiver（也稱(chēng)b接收機(jī)，對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)叫b）。

我們要測(cè)這個(gè)DUT的S11，只要測(cè)試b1/a1就可以了。如果有2個(gè)接收機(jī)，很好理解，只要同時(shí)（后面會(huì)講，其實(shí)不同時(shí)也可以）測(cè)出b1和a1的幅度和相位（校準(zhǔn)和補(bǔ)償本文先不討論），兩者做比值就可以了。

但是這里我們要求b接收機(jī)和a接收機(jī)的本振要相參，這樣測(cè)出的S參數(shù)才穩(wěn)定（注意這里的源和接收機(jī)的本振并不要求相參，只要2個(gè)接收機(jī)的本振相參就可以了，而且通常接收機(jī)還是超外差接收機(jī)，接收機(jī)的本振和源的本振頻率都不一樣，當(dāng)然不一樣的頻率也可以相參）。

常見(jiàn)誤區(qū)

注意，這里常見(jiàn)的一個(gè)理解誤區(qū)就是，a和b信號(hào)的相位時(shí)刻在變。

假設(shè)a和b接收機(jī)是一個(gè)示波器，并假設(shè)b1信號(hào)的頻率是1GHz，在時(shí)域看波形，那么每秒鐘，它的相位確實(shí)變化360*1E9度。

所以會(huì)有誤區(qū)，要比較a和b的相位，必須在同一時(shí)刻采集a和b信號(hào)。

但是網(wǎng)分的a和b接收機(jī)是調(diào)諧接收機(jī)（不是示波器），是有本振LO和混頻器的，所以a或b接收機(jī)測(cè)到的，實(shí)際上是接收機(jī)的LO相于對(duì)被測(cè)信號(hào)a或者b的相對(duì)相位差。

因此，你把網(wǎng)分打到“絕對(duì)量（absolute模式a1或者b1，有些網(wǎng)分也稱(chēng)wave quantity a1或b1）”，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)置成CW模式（有的網(wǎng)分是Span=0）， 比如掃描101個(gè)點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候橫軸是點(diǎn)數(shù)（即次數(shù)或者是不同的時(shí)間點(diǎn)）可以看到的a1或者b1的相位是一個(gè)常數(shù)，實(shí)際上是a或b信號(hào)和接收機(jī)本振LO的相對(duì)相位差，并不隨時(shí)間變化。

如上所述，即使不是在同一時(shí)刻，用調(diào)諧接收機(jī)接收a和b信號(hào)，也是可以測(cè)試S參數(shù)的相位的。

單接收機(jī)VNA

只要解決了上面這個(gè)誤區(qū)，就可以順理成章的得出結(jié)論----單接收機(jī)也可以測(cè)試相位！如下圖，可以使用開(kāi)關(guān)在a和b接收機(jī)之間切換，并且傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法仍然適用。

如果這個(gè)系統(tǒng)的源和接收機(jī)能共用本振這樣效果更好，這樣即使較長(zhǎng)時(shí)間之后，兩者的相對(duì)相位關(guān)系仍然可以保持穩(wěn)定不變。

例如NI-5841VST，矢量信號(hào)源和分析儀二合一儀表，采用零中頻架構(gòu)，信號(hào)源和分析儀可以共用一個(gè)本振，再結(jié)合定制的外部定向耦合器（port mudule）和軟件，就可以支持全2端口S參數(shù)測(cè)試，當(dāng)然包含相位。

引申討論

如果源和接收機(jī)的本振是兩個(gè)獨(dú)立的PLL鎖相環(huán)，能否測(cè)試相位呢？

假設(shè)SRC和LO是兩個(gè)獨(dú)立的鎖相環(huán)，并且兩者是傳統(tǒng)的PLL（不是DDS或者帶相位記憶的鎖相環(huán)），每次起震，其初始相位φSRC和φLO是隨機(jī)的，經(jīng)過(guò)傳輸路徑Δ之后，分別被接收機(jī)測(cè)量，其各自測(cè)得相位φa、φb。但是φa-φb兩者一減，得到其相位差，即S11的相位的時(shí)候，源和本振的隨機(jī)相位效應(yīng)可以抵消，仍然可以測(cè)試相位。

獨(dú)立的PLL，即便是共用參考（例如10或100MHz晶振），隨著時(shí)間和溫度的變化，其相位偏移比較大，遠(yuǎn)不如共本振的效果好。

當(dāng)然如果采用雙接收機(jī)模式，只要保證2個(gè)接收機(jī)共本振，效果也很好，所以雙接收機(jī)是目前專(zhuān)用網(wǎng)分的常用架構(gòu)。

結(jié)論

本文主要探討了單接受機(jī)測(cè)試S參數(shù)相位的可行性，糾正了大家對(duì)射頻調(diào)諧接收機(jī)測(cè)到的相位的理解的一個(gè)常見(jiàn)誤區(qū)。

正如蘇東坡說(shuō)的，蓋將自其變者而觀之，則天地曾不能以一瞬；自其不變者而觀之，則物與我皆無(wú)盡也。

從時(shí)域角度看，相位隨時(shí)在變，從射頻調(diào)諧接收機(jī)角度看，實(shí)際上測(cè)到的是被測(cè)信號(hào)和接收機(jī)本振的相位差。

編輯：jq