解讀基于矢量網絡分析儀ZVB的放大器測試分析

放大器的測試指標可以分為兩類：線性指標測試和非線性指標測試。線性指標的測試基于S 參數的測量，采用常規(guī)矢量網絡分析議來完成。對于非線性指標的測試，傳統測試方案采用頻譜儀加信號源方法，但這種方案有很多缺點如無法實現同步掃頻、掃功率測試，不能進行相位測量如幅度相位轉化（AM/PM）測量。R&S ZVB采用創(chuàng)新的硬件結構，其輸出功率很高、功率掃描范圍寬，因而無需另外單獨使用前置放大器，一次掃描即可確定放大器功率壓縮特性。ZVB采用了強大的自動電平控制設計以及高選擇性、高靈敏性的接收機，因而可在較寬的動態(tài)范圍下進行放大器的諧波測試而無需使用外部濾波器。

端口匹配特性測量

端口匹配特性主要測試端口的S11與S22參數。如端口1的S11參數等于反射信號b1與入射信號a1之比：

S11參數也可稱為輸入反射因子。S11為復數，工程上通常用回波損耗（RL）和駐波比（VSWR）來表達端口的匹配程度。S11與這兩個參數的關系如下：

以上兩個參數與S11的換算由ZVB自動完成，用戶只需要在［Format］ 菜單中選擇［dB Mag］-》回波損耗，［SWR］-》駐波比，就可以顯示相應的測試曲線。ZVB提供軌跡統計功能［Trace Statistics］，可自動顯示軌跡的最大值、最小值和峰-峰值，并且可以通過設置 ［Eval Range］，來調整統計頻率范圍。該功能對帶限器件（如濾波器）的帶內指標測試非常有用。

圖1 回波損耗測試和軌跡統計結果

在電路設計的過程中，精確輸入阻抗信息對于設計人員更為重要。比如：在手機板設計中，設計人員要精確測試前端放大器的輸入、輸出阻抗，然后根據輸入、輸出阻抗信息來設計對應的匹配網絡，達到手機的最大功率發(fā)射和最佳的整機靈敏度。輸入阻抗與S11的關系如下：

用戶通過選擇［Format］ 鍵中的［Smith］菜單來顯示阻抗測試軌跡，通過設置Marker可以方便的測得每一頻點對應的輸入電抗和電阻。另外ZVB標配的虛擬加嵌功能，能模擬 在輸入、輸出端口加上虛擬的匹配網絡之后，整個網絡的性能。該功能大大簡化了設計人員的工作量，無需實際的電路調整，就能預測調整后的DUT性能。用戶通 過選擇［Mode］菜單中的［Virtual Transform］來激活該功能。

傳輸參數測量

除了端口匹配特性的測量，放大器前向放大和反向隔離特性也可分別由測試S21 和S12 得到。前向的傳輸參數S21 等于在端口2測得前向功率b2與端口1的激勵功率a1的比值：

而放大器的增益等于S21絕對幅度的對數值：

反向的傳輸參數S12 等于在端口1測得反向功率b1與端口2的激勵功率a2的比值：

而放大器的反向隔離度等于S12絕對幅度的對數值：

用戶只需分別設置S21和S12的 顯示格式為dB（［format］ -》 ［dB Mag］），放大器增益和隔離度即可同時顯示在ZVB上。

圖2 增益和反向隔離測試結果

功率壓縮特性測量

功率壓縮特性的測試主要用來衡量待測件（DUT）的線性度。對于放大器的測試，工程上通常采用輸出功率1 dB壓縮點（P1dB ）來表征該特性。P1dB的定義為： 隨著輸入功率的增加，放大器的增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值，如圖3所示。

圖3 P1dB定義

ZVB不僅可以測量參數隨頻率變化的曲線還可以測量參數隨輸入功率變化的曲線。ZVB內置信號源可以提供非常大的功率掃描范圍，其典型值為60dB，而且60dB的功率掃描范圍完全由電子衰減器來實現而非采用傳統的機械步進衰減器。機械式衰減器的幅度可重復度較差且使用壽命較短，所以ZVB特別適合測試有源器件的功率壓縮特性。

P1dB的測量涉及到S21隨著絕對輸入功率變化的曲線，而矢量網絡分析儀通常用于S參數相對量的測量。為了提高其絕對測量精度，推薦使用的功率計對矢網做功率校準。R&S公司的NRP系列功率計可以通過USB接口直接和ZVB連接，從而省掉功率計主機和昂貴GPIB卡。ZVB功率校準過程分成兩個過程：矢網的內部源幅度校準和接收機幅度校準。在第一個過程中將功率探頭直接和矢網的源端口連接，對應選擇 ［CAL］鍵下的菜單［Start Power Cal］-》 ［Souce Power Cal］。 第二步將已校準的源端口和接收端口連接進行接收機的校準，對應選擇 ［CAL］鍵下的菜單［Start Power Cal］-》 ［Receiver Power Cal］。

諧波測量

隨著激勵功率的增加，放大器將進入非線性工作區(qū)，不僅除出現輸出功率壓縮現象，還會出非線性頻率分量。這些新的頻率輸出分量多為輸入頻率的整數倍，稱為諧波分量。設計人員往往比較關心的是輸入基波分量與諧波分量的幅度差值，因為幅度差越大，意味著在同樣的直流輸入功率情況下，更多的功率轉換為所需的基波功率，而非諧波功率，也可視為提高了放大器的效率。ZVB打破了傳統矢網信號源和接收機必須工作在同一頻率上的限制，可以使源和接收機工作在不同的頻率點上。具體對于諧波測量而言，可以讓矢網源輸出基波信號，而接收機工作在諧波頻率上，并可方便實現對基波輸入頻率或輸入功率的掃描測試。對應ZVB的設置：可先通過［Chan Select］+［Add channel +trace+Diag Area］的方法來添加一個新的觀測窗口和新的測試通道。然后在［Mode］鍵下選擇［Harmonics］進入諧波測試模式，而后通過選擇 2nd、3rd或者輸入其它諧波次數來測量對應的諧波。

對于測試絕對諧波功率對輸入基波功率的變化，同樣推薦在測試前應該進行功率校準。ZVB也提供諧波功率校準的方法。通過［Harmonic Power Cal］ 進入功率校準對話框，其基本操作過程與測試放大器功率壓縮特性時相同，只不過在進行源功率校準時的頻率為整個測試頻率而在接收機校準時的頻率為諧波頻率而已。

幅度相位轉化測量

放大器的非線性特征除了功率壓縮和產生諧波頻率兩個方面外，還有相位非線性特征，即隨著輸入功率的改變，放大器插入相移的變化。工程上通常采用AM/PM轉化來描述，其具體的定義為： 輸入功率每變化1dB ，插入相移的改變量，單位為Degrees/dB。

同功率壓縮特性的測量一樣，應設置ZVB掃描類型 ［Sweep Type］ 為功率掃描 ［Power］。測試軌跡為S21，但顯示格式［Format］應設置為相位方式［Phase］。在測試過程中，可使用ZVB 提供Delta Marker與Reference功能方便的讀值。