新型射頻及微波校準(zhǔn)源測(cè)量法

在開(kāi)發(fā)中進(jìn)行測(cè)量，可用以評(píng)估是否達(dá)成目標(biāo)規(guī)范的性能，同時(shí)在測(cè)試制程中的產(chǎn)品時(shí)將面臨各種挑戰(zhàn)，包括確認(rèn)使用的方法是否可提供較為確定的所需數(shù)值范圍、缺乏某項(xiàng)參數(shù)的追溯，以及確認(rèn)可作為交叉檢查的替代技術(shù)，以驗(yàn)證選擇的方法。使用者同時(shí)須有可迅速取得的設(shè)備、運(yùn)用合適的方法，以進(jìn)行例行性的重新校準(zhǔn)工作。本文將簡(jiǎn)述儀器設(shè)計(jì)架構(gòu)，并概述所運(yùn)用的測(cè)量方法。

利用具備外部校準(zhǔn)探頭儀器進(jìn)行測(cè)試

信號(hào)源頻率范圍介于10Hz～4GHz之間，振幅則介于+24～-130dBm間，專門(mén)用于產(chǎn)生絕大多數(shù)常見(jiàn)RF及微波校準(zhǔn)應(yīng)用所需的信號(hào)，并具有一定的準(zhǔn)確度，而無(wú)須在使用時(shí)以其他設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控或特性化(Characterize)輸出，如使用功率分離器與功率傳感器測(cè)量輸出振幅、使用調(diào)變分析儀監(jiān)控調(diào)變電平等。

為協(xié)助輸出信號(hào)直接傳送至負(fù)載或待測(cè)單元(UUT)輸入，并將因纜線與互連而產(chǎn)生的效能低落情形降至最低，因此新型儀器配備外部校準(zhǔn)探頭(Leveling Head)，信號(hào)會(huì)自主機(jī)中產(chǎn)生，并饋入包含電平探測(cè)器與衰減器電路的外部校準(zhǔn)探頭。

許多校準(zhǔn)應(yīng)用大多須要獲得高純度的信號(hào)，且常須要使用外部濾波器，而外部校準(zhǔn)探頭的設(shè)計(jì)為藉由輸出信號(hào)路徑內(nèi)設(shè)置合適濾波器的方法，可降低諧波與假性含量。此外，此項(xiàng)設(shè)計(jì)亦具有內(nèi)部類比調(diào)變功能，調(diào)頻(FM)以最高300kHz的速率于頻率合成器內(nèi)產(chǎn)生，而調(diào)幅(AM)則以最高220kHz的頻率在輸出放大與水平電路(Leveling Circuit)內(nèi)產(chǎn)生。此外，測(cè)量需求包括水平振幅電平(RF功率)、輸出電壓駐波比(VSWR)及調(diào)變。

功率傳感器無(wú)法支持較低不確定度測(cè)量

RF電平(Level)測(cè)量值為參考頻率的絕對(duì)值，接著再測(cè)量相對(duì)于此參考頻率數(shù)值的頻率響應(yīng)，即平坦度，而關(guān)于100kHz參考點(diǎn)的測(cè)量，可采用交流電(AC)電壓測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量在已知50Ω終端上形成的均方根(RMS)電壓，再計(jì)算相應(yīng)的功率電平。RF功率計(jì)與功率傳感器用于高頻測(cè)量，此為常用的技術(shù)，若能使用含修正資料且正確校準(zhǔn)的功率傳感器，將可進(jìn)行不確定度極低的追溯測(cè)量工作。

然而，此項(xiàng)技術(shù)仍無(wú)法提供夠低、約-50dBm左右的不確定度。測(cè)量工作可利用現(xiàn)代頻譜分析儀接近線性的振幅響應(yīng)，以較低的電平進(jìn)行，而此類儀器的線性絕大多數(shù)均取決于用于數(shù)字化中頻(IF)信號(hào)的交流對(duì)直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器，以便在數(shù)字領(lǐng)域中進(jìn)行后續(xù)處理。測(cè)量的分析儀線性誤差通常可大幅低于在測(cè)試中預(yù)估的不確定度，即在70dB的范圍內(nèi)小于0.02dB，頻譜分析儀依功率傳感器測(cè)量的UUT輸出，在- 47dBm標(biāo)準(zhǔn)化，且不須更改分析儀的設(shè)定，即可在50dB范圍內(nèi)，最低在-97dB進(jìn)行測(cè)量，之后，頻譜分析儀即在-97dBm標(biāo)準(zhǔn)化，以于-130dBm進(jìn)行測(cè)量。

信號(hào)源輸入阻抗可預(yù)估失配程度

知道信號(hào)源，即信號(hào)源端匹配的輸入阻抗不僅對(duì)確認(rèn)規(guī)范而言十分重要，亦可讓使用者預(yù)估其應(yīng)用中失配的不確定度。VSWR或輸入回流損失測(cè)量技術(shù)通常用于連接「Leveling」準(zhǔn)位來(lái)源的被動(dòng)式裝置，將有窒礙難行之處并產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，且進(jìn)行此工作時(shí)，難以有實(shí)驗(yàn)室能為產(chǎn)生器以符合標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行信號(hào)源端匹配(Source Match)測(cè)量，且鮮少有制造商會(huì)在自身的文獻(xiàn)中記載方法。如圖1所示，此架構(gòu)選擇的方法為輸入回流損失電橋。

圖1 信號(hào)源VSWR測(cè)量架構(gòu)

信號(hào)發(fā)生器從UUT輸出頻率，以約莫10Hz的少許固定頻率偏移插入信號(hào)。UUT輸出與反射信號(hào)將以10Hz的比率加減，此信號(hào)以設(shè)為「零跨距(Zero Span)」模式的頻譜分析儀偵測(cè)，并使用指針測(cè)量最大與最小振幅差異及時(shí)間，參考電平亦以UUT取代開(kāi)路與短路測(cè)量，并計(jì)算電壓反射系數(shù)與VSWR。

AM與FM的精準(zhǔn)度目標(biāo)為高于0.1%，且失真小于0.05%(-66dB)，然而傳統(tǒng)測(cè)量方式卻難以達(dá)成此目標(biāo)，但可使用配備測(cè)量解調(diào)器的頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，解調(diào)器采用數(shù)字信號(hào)處理，以數(shù)字化IF資料的方式，從取得的資料獲取所需的信號(hào)特性(圖2)。

圖2 頻譜分析儀信號(hào)處理

為何須為AM與FM測(cè)量調(diào)變率、調(diào)變深度/ 偏移及失真，如進(jìn)行失真測(cè)量時(shí)，即可設(shè)定解調(diào)器顯示信號(hào)的音頻頻譜，且使用總諧波失真(THD)測(cè)量算法判定所需帶寬中出現(xiàn)的總諧波含量。先不論FM偏移測(cè)量的貝索零值(Bessel Null)技術(shù)，分析頻譜分析儀與測(cè)量解調(diào)器中的固有誤差來(lái)源后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)取得極為準(zhǔn)確的調(diào)變測(cè)量值，否則技術(shù)人員也無(wú)法找出可提供夠低的追溯不確定度的方法或其他實(shí)驗(yàn)室，以完整評(píng)估潛在的性能。