微波射频测试技术白皮书

  微波射频电路是整个电子系统的重要组成部分，主要完成发射和接收信号的功率控制和频率搬移，对整个电子系统灵敏度，动态范围等指标有决定性的影响。典型的微波射频电路包含天线，放大器，滤波器，频率合成器，传输线等有源和无源电路。随着系统功能和性能要求的提高，电子系统对这些电路的要求慢慢的升高，而且很多性能指标的要求还是互相制约的，例如为提高系统的传输效率和抗干扰能力，无线通信采用了复杂调制技术，从MSK调频到PSK调相再到多载波的OFDM调制方式，这会造成信号的功率动态范围慢慢的变大，对于放大器而言就要求尽量宽的线性范围，同时系统对放大器的效率有严格要求以保证功率利用率指标，这对于传统放大器技术来讲是很难满足的。这个技术挑战大大推动了功率放大器线性化技术的出现和发展。现在射频微波应用领域的发展动态有以下典型的几个特点：

  无论在大功率器件还是降低器件噪声性能上，由于新半导体材料的使用让电路的性能得到提高，例如：GaN材料大幅度的提升了功率管的输出功率, 而磷化铟材料大幅度的降低了微波放大器的噪声系数。

  通过获得更宽的频率资源来获得系统性能的增益是很多电子系统采用的技术，例如LTE中的频率聚合技术，通过毫米波工作频段的使用来提高传输速率并降低干扰等。毫米波的应用从简单的汽车防撞雷达扩展到宽带通信等领域。无线通信的信号带宽从几百KHz扩展到了超过100MHz的带宽。

  数字预失真功率放大器是数字信号处理技术和射频微波技术结合最好的代表。通过数字技术来扩展单一功率放大器的线性范围，线性化技术也被认为是射频技术的核心内容。

  无论是军用相控阵雷达还是无线通信中的智能天线都是通过采用多通道技术来实现空间波束的控制和合成，通道数量从几个通道到上万通道不等，这对于射频微波电路的研制开发来讲是机遇也非常大的技术挑战。

  测试仪表是技术开发的重要技术资源，射频微波测试领域常用的仪表包含网络分析仪，信号源，频谱分析仪，功率计，相噪分析仪，示波器等，为适应微波射频技术的发展，测试技术和测试仪表也在发生很大的变化，为先进的技术开发提供新的测试手段和技术途径。

  先通过软件数字仿真设计然后再进行电路实物实现已经是射频微波电路实现的规范化技术流程，现在微波电路仿真EDA工具和测试仪表的技术互联更加紧密，Agilent ADS仿真软件和PNA-X/PXA/PSG微波仪表是仿真软件和测试仪表结合应用的典型例子。在ADS仿真环境下，首先能够直接进行系统级设计，包含在系统的框架下对射频电路的指标进行规划和分配，例如接收机电路的中频选择，多级级联放大器的功率压缩点，噪声系数等参数的分配。当指标分配好后，再利用电路仿真工具完成电路的原理图设计和版图设计。测试仪表的功能包含被测件性能评估，器件模型建立等，特别是通过仪表测试来完成准确的器件模型建立是保证仿真精度的重要基础，微波电路建模技术最大的突破是利用基于PNA-X的非线性网络仪能测试功率放大器的非线性成份的幅度和相位信息，提供完整的线性S参数和非线性X参数模型。Agilent B1500A能完成器件直流I/V,C/V参数测试，用于微波器件的直流参数建模。

  基于仿真软件和测试仪表能构建闭环的微波电路设计平台，针对任何一个微波技术问题，都能有匹配的仿真工具和测试手段来配合，能大幅度的提升电路实现的效率。

  无论是信号源，信号分析仪还是网络分析仪这些传统的射频微波测试仪表，数字化技术在仪表中正慢慢的变多的得到应用，仪表都采用矢量技术的实现技术，这样做才能够利用平台化的仪表来满足不同应用领域的要求，例如矢量信号源通过波形计算，基带DAC转换和IQ调制来建立信号，针对不同应用，只需要利用不同的信号建立软件工具来计算信号波形数据就可实现，而不需要更改硬件平台。在信号分析应用中，射频微波领域最常用的频谱仪技术上已经实现全数字化，频谱仪中重要的中频滤波，检波处理等都已采用ADC转换后的数字化信号处理技术来完成，这样能大大提高仪表频谱测试的性能，同时还能通过解调分析处理算法来实现信号的解调分析，这样单台的分析仪表同时具备了频谱和时域的关联测试，解调测试，信号存储等多功能。针对不同的信号解调分析，只需要切换分析的软件就可完成。基于这些实现技术，平台化的信号源仪表和分析仪表能满足从无线通信到雷达应用不同系统的测试要求，大大提高仪表的使用效益。

  仪表最基本的功能是提供被测对象的测试结果，当测试结果不满足要求时，先进仪表能提供的技术能力能大大提高故障判断的效率，为问题的解决提供丰富的技术途径。首先现在仪表能对被测电子系统各个关键节点提供独立的测试手段，包含数字信号，基带信号，中频和射频信号等，而且分析的工具能实现统一化，如图4所示，可通过逻辑分析仪，示波器，频谱仪分别对接收机系统的数字基带，模拟基带和射频信号进行测试，这些仪表采集的信号波形数据都能通过矢量分析软件来进行分析，分析功能包含频谱，时域和解调分析等。这样在统一的分析环境下对数字信号，基带信号和射频信号的测试结果进行对比，能大幅度的提升问题定位的效率。另外在信号分析的手段上，分析软件能独立地分析信号的幅度误差，频率误差和相位误差，这样可以判断误差的基本来源，分析过程中，可通过时域和频域的关联分析来得到误差的特性是随机误差还是周期误差，这样问题信号的来源就很快得到定位。Agilent 89601A/B矢量分析软件为核心的矢量信号分析系统，能支持Agilent全系列的逻辑分析仪，示波器和信号分析仪，典型的测试分析判断举例如表1所示。

  针对毫米波到太赫兹的应用要求，现在矢量网络仪，信号源和频谱分析仪都可以覆盖到太赫兹测试频段，仪表厂家能够给大家提供系统解决方案，仪表的稳定性很高，工程应用的状态已经很成熟化。图5为Agilent 毫米波网络仪，信号源和频谱仪的配置方案，现在单台的独立测试仪工作频率范围能够达到70GHz，在更高的测试频段，是通过外置的频率扩展装置来扩展工作频率范围。最主要的网络分析仪能工作到1THz频段。

  微波频段网络仪的性能是毫米波直到太赫兹网络仪性能的基础，由于现在网络仪内置激励信号源和接收机性能的提高，首先在毫米波测试应用中，不再需要外置的独立信号源来提供激励信号和接收机本振信号，降低了系统的复杂程度和成本价格，另外仪表的工作性能也得到很大提高，例如太赫兹矢网在750GHz的测试动态范围能达到80dB，测试的轨迹噪声性能小于0.1dB。图6为PNA-X矢网的实测性能。

  网络分析仪是测试射频微波器件的基础性常用仪表，测试应用中，网络仪的基本特点是测试参数完整和测试精度高，传统网络仪主要测试器件的传输反射S参数，由于采用闭环的仪表体系结构和支持校准技术消除系统误差，网络仪能够给大家提供其它仪表不能够比拟的幅度和相位参数测试精度。