介紹矢網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分—反射計(jì)(Reflectometer)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是射頻微波器件測(cè)試必不可少的設(shè)備，主要用于測(cè)試器件的S參數(shù)及其衍生參數(shù)。大多數(shù)射頻工程師都有接觸，但是對(duì)于其基本組成及測(cè)試原理深度探究的并不多。后面計(jì)劃寫一些文章，專門介紹矢網(wǎng)的基礎(chǔ)內(nèi)容。本文主要介紹矢網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分——反射計(jì)(Reflectometer)，包含哪些關(guān)鍵部件，以及基本工作原理。

圖1給出了反射計(jì)的基本結(jié)構(gòu)示意圖，主要包含信號(hào)源、參考接收機(jī)、測(cè)量接收機(jī)、定向元件及衰減器等部分，有的矢網(wǎng)可能還含有Bias-Tee模塊，用于給DUT提供直流偏置。反射計(jì)的基本工作過程為：激勵(lì)源提供的掃頻信號(hào)或者單頻點(diǎn)信號(hào)，饋入DUT，經(jīng)DUT反射的信號(hào)經(jīng)過定向元件進(jìn)入接收機(jī)測(cè)試，將測(cè)得的信號(hào)與激勵(lì)源提供的信號(hào)取比值即可得到反射系數(shù)。

曾經(jīng)在給客戶介紹矢網(wǎng)基本原理的時(shí)候，被問到“既然矢網(wǎng)上可以設(shè)置功率，為什么還需要參考接收機(jī)？直接利用測(cè)量接收機(jī)測(cè)試的信號(hào)與信號(hào)設(shè)置功率比較，不就可以確定DUT的傳輸特性嗎？”

這個(gè)問題其實(shí)并不難，且不論矢網(wǎng)設(shè)置的功率是否準(zhǔn)確，功率是一個(gè)標(biāo)量，只能表征幅度，卻沒有相位信息。而S參數(shù)測(cè)試是矢網(wǎng)最基本的測(cè)試功能，不僅僅要得到幅度參數(shù)，還要有相位信息，如果參與計(jì)算的激勵(lì)信號(hào)是一個(gè)標(biāo)量，那怎么可能得到矢量參數(shù)呢？

正因?yàn)榇?，反射?jì)中需要有一個(gè)接收機(jī)能夠?qū)?lì)信號(hào)進(jìn)行幅度和相位的標(biāo)定，以此作為參考信號(hào)，用于計(jì)算DUT的S參數(shù)，這就是參考接收機(jī)的由來。

圖1. 反射計(jì)基本架構(gòu)示意圖

源步進(jìn)衰減器位于激勵(lì)源與定向元件之間，主要用于擴(kuò)展矢網(wǎng)端口輸出功率范圍的，適用于高增益有源器件或模塊的測(cè)試。接收機(jī)步進(jìn)衰減器位于測(cè)量接收機(jī)的通道上，防止接收機(jī)過載飽和而惡化測(cè)試精度。一般在測(cè)試PA等大功率應(yīng)用下，才會(huì)用到接收機(jī)步進(jìn)衰減器。

定向元件作為反射計(jì)的核心部件之一，主要用于分離入射波和反射波，這樣才能夠測(cè)試反射系數(shù)。對(duì)于10 GHz以下的矢網(wǎng)，定向元件多數(shù)采用VSWR bridge實(shí)現(xiàn)，更高頻率的矢網(wǎng)基本都采用雙定向耦合器。

介紹完了反射計(jì)基本架構(gòu)及各個(gè)部件的作用，下面聊聊一個(gè)深度問題：源步進(jìn)衰減器的位置對(duì)于測(cè)試的影響如何？

目前業(yè)界的矢網(wǎng)，源步進(jìn)衰減器除了具有圖1所示的位置，還有一種圖2所示的位置，定向元件不再是雙定向耦合器，而是使用兩個(gè)普通的定向耦合器實(shí)現(xiàn)的，源步進(jìn)衰減器位于兩個(gè)耦合器之間。源步進(jìn)衰減器的位置不同對(duì)測(cè)試有什么影響呢？

圖2. 衰減器位置不同的反射計(jì)架構(gòu)

如果DUT是無源器件，則一般不需要調(diào)節(jié)源步進(jìn)衰減器，所以其位于哪個(gè)位置，對(duì)測(cè)試都沒有影響。如果DUT為高增益有源器件或者模塊，要求的端口輸出功率可能超過了激勵(lì)源本身輸出的動(dòng)態(tài)范圍，此時(shí)就需要設(shè)置源步進(jìn)衰減器。

對(duì)于圖1，如果使用了源步進(jìn)衰減器，端口輸出的功率減小的同時(shí)，饋入到參考接收機(jī)的信號(hào)也會(huì)減弱，那么SNR就會(huì)降低，從而使得測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大。但是這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就是，強(qiáng)信號(hào)(比如-10 dBm)下做完系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，測(cè)試時(shí)激勵(lì)功率降低至弱信號(hào)時(shí)，校準(zhǔn)依然有效，無需重新校準(zhǔn)。

對(duì)于圖2，如果在強(qiáng)信號(hào)下做完校準(zhǔn)，測(cè)試時(shí)再使用源步進(jìn)衰減器降低端口輸出功率，則校準(zhǔn)將失效。因此，只能在測(cè)試時(shí)所要求的信號(hào)電平上校準(zhǔn)。但是，這樣會(huì)惡化校準(zhǔn)精度，因?yàn)樾?zhǔn)的過程就是測(cè)試校準(zhǔn)件的過程，如果激勵(lì)信號(hào)小了，測(cè)量接收機(jī)的SNR就會(huì)降低，從而降低了校準(zhǔn)精度。對(duì)于這種測(cè)試場(chǎng)景，只能先在高功率狀態(tài)下校準(zhǔn)，通過一定的方法事先將引入衰減器后的頻響變化確定下來，然后再進(jìn)行補(bǔ)償，才能保證校準(zhǔn)、測(cè)試精度。

從源步進(jìn)衰減器位置的角度看，不同廠家的矢網(wǎng)采用的架構(gòu)不同，在這種要求低功率激勵(lì)信號(hào)的應(yīng)用下，各家都有自己的應(yīng)對(duì)措施。比如圖1這種架構(gòu)，為了提高參考接收機(jī)的SNR，可以通過降低測(cè)量帶寬或者平均的方式抑制跡線噪聲，這需要在測(cè)量速度與精度之間權(quán)衡。采用圖2所示架構(gòu)的廠家，據(jù)稱可以通過技術(shù)手段來消除衰減器的變化引入的影響，由于參考接收機(jī)受SNR的影響較小，所以跡線噪聲相對(duì)較小，測(cè)試結(jié)果更加平滑。

最后介紹一下如何完成準(zhǔn)確的反射測(cè)試。由于組成反射計(jì)的部件并非是理想的，會(huì)引入損耗與相移，而且還存在失配，所以直接由兩個(gè)接收機(jī)測(cè)得的信號(hào)計(jì)算出的反射系數(shù)并不是DUT真實(shí)的反射系數(shù)，可以稱之為反射系數(shù)測(cè)量值。如何得到真正的反射系數(shù)？

這就需要系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)了，對(duì)于單端口反射測(cè)試，一般采用精度最高的OSM校準(zhǔn)，使用特征參數(shù)已知的Open\\Short\\Match三個(gè)校準(zhǔn)件，就可以求解出所涉及的所有誤差項(xiàng)。