第14章 射频电路与系统测试技术 无线通信射频电路技术与设计[文光俊]

1、1 第14章 射频电路与系统测试技术 教学教学 重点重点 本章重点介绍了射频电路测量的基本设备及其功能；介绍本章重点介绍了射频电路测量的基本设备及其功能；介绍 了常用的定标及误差校准技术；介绍了几种参数的测试方了常用的定标及误差校准技术；介绍了几种参数的测试方 法：法：S参数的测试方法，频率测试技术，相位噪声测试技参数的测试方法，频率测试技术，相位噪声测试技 术，功率特性测试技术；介绍了器件的温度特性测试技术术，功率特性测试技术；介绍了器件的温度特性测试技术 发展情况。发展情况。 教学教学 重点重点 教学教学 重点重点 掌握：常用的定标及误差校准技术；掌握：常用的定标及误差校准技术；S参数的测

2、试方法参数的测试方法,频频 率测试技术，相位噪声测试技术，功率特性测试技率测试技术，相位噪声测试技术，功率特性测试技 术术 。 了解：了解：器件的温度特性测试技术的发展情况。器件的温度特性测试技术的发展情况。 熟悉：射频电路测量的基本设备及其功能。熟悉：射频电路测量的基本设备及其功能。 能力能力 要求要求 2 本章目录 v 第一节 基本测试设备 v 第二节 频率特性测试技术 v 第三节 噪声特性测试技术 v 第四节 功率特性测试技术 v 第五节 温度特性测试技术 3 知识结构 射射 频频 电电 路路 与与 系系 统统 测测 试试 技技 术术 基本测试设备基本测试设备 信号源信号源 频谱分析仪频

3、谱分析仪 矢量网络分析仪矢量网络分析仪 频率特性测试技术频率特性测试技术 噪声特性测试技术噪声特性测试技术 功率特性测试技术功率特性测试技术 计数法计数法 测量系统的三阶截断点的方法测量系统的三阶截断点的方法 直接测量法直接测量法 鉴相器法鉴相器法 鉴频器法鉴频器法 微波功率测量方法微波功率测量方法 功率测量中的误差功率测量中的误差 温度特性测试技术温度特性测试技术 噪声系数分析仪噪声系数分析仪 外差法外差法 低温测量低温测量 4 14.1 基本测试设备 14.1.1 信号源 信号源是能够产生射频/微波测试信号的装置，其核心部件是 振荡器或频率合成器。按应用要求，信号源可以分为简易微波信 号源

4、、标准微波信号源、点频微波信号源和扫频微波信号源。 1. 简易微波信号源与标准微波信号源产生输出频率、输出电平 和调制系数都能调节的信号，且能够准确读数，并对信号的泄漏 有严格要求。 2. 标准信号源在简易微波信号源的基础上，增加了一个定标衰 减器模块。 3. 扫频微波信号源的输出频率可以在指定范围按一定的频率步 进周期性变化（即为扫频）。 4. 点频微波信号源按点频方式工作，一次只能输出单一频率的 微波信号，而对应的测量方法称为点频测量法。 5 14.1 基本测试设备 14.1.2 频谱分析仪 对于射频信号，由于频率很高，无法直接用时域测量仪器进 行测量，只能将时域信号经过傅氏变换，变为频域

5、信号来分析其 频谱。供测量信号频谱的仪器称为频谱分析仪。频谱分析仪可以 用于显示所测量信号的电压、波形、功率、周期、频率以及旁频 带。 频谱分析仪面板频谱分析仪面板 6 14.1 基本测试设备 频谱分析仪的核心是混频器，基本功能是将被测信号下变 至中频，然后在中频上进行处理，得到幅度。在下变频的过程 中，是由本振来实现下变频的。本振信号是扫描的，本振扫描 的范围覆盖了所要分析信号的频率范围，所以调谐是在本振中 进行的。全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到频 谱。 频谱分析仪的基本结构框图频谱分析仪的基本结构框图 7 14.1 基本测试设备 14.1.3 矢量网络分析仪 矢量网络分析仪是

6、全面测量网络参数的高精度、智能化仪器， 能快速、精确地测量有源器件和无源器件的特性，例如放大器、 混频器、双工器、滤波器、耦合器、衰减器和移相器等无源和有 源电路。 1. S参量的测量 在测量、建模和设计多元件的复杂系统中，器件的S参数特 性起着关键的作用。矢量网络分析仪能方便快捷的测量出被测 器件的四个S参量。网络分析仪通常有1个输出端口，该端口可 以通过内部信号源或外接信号源输出射频信号，另外还有3个分 别标为R,A和B的测量通道，其结构如图所示。 8 14.1 基本测试设备 11 S 21 S 12 S22 S 射频源通常是覆盖特定频段的扫频源。测量通道R用于测量入射 波，同时也作为参考

7、端口。通道A和B通常用于测量反射波和传 输波。测量通道A和B可以同时测量任意两个S参量元素。此时， 和 的数值可以分别通过计算A/R和B/R的比值得到。若要测 量 和 ，则必须将待测元件反过来连接。 利用网络分析仪测试利用网络分析仪测试S参数的实验系统参数的实验系统 9 14.1 基本测试设备 2. 测量误差及分析方法 使用矢量网络分析仪测量待测器件（DUT）的S参数时，测 量误差由三部分组成：系统误差，随机误差和漂移误差。系统 误差主要包括方向性误差、隔离误差、源/负载的失配误差、反 射/传输路径的频率响应误差等。 矢量网络分析仪的系统误差模型矢量网络分析仪的系统误差模型 10 14.1 基

8、本测试设备 （1） 反向性误差和隔离误差 方向性误差表现为矢量网络分析仪发射的测试信号未通过 DUT，而直接进入了反射信号的通道，这是由于发射端的定向 耦合器没有足够的隔离造成的。隔离误差表现为入射信号通过 DUT后而直接进入了接收端的反射通道，而没有进入接收端的 传输通道。 （2） 源失配误差和负载失配误差 11 S22 S 21 S 12 S 源失配误差的产生机理是：实际的测试系统并非理想匹配，在 进行反射测量时，由于从DUT向源看去的反射系数不完全等于零， 导致部分反射功率的损失，对测量 和 造成影响。同理在传 输测量时，负载失配误差是由于从DUT向负载看去的等效反射系 数不完全等于零，

9、导致部分传输功率的损失，对测量 和 造成 影响。 11 14.1 基本测试设备 （3） 反射路径的频率响应误差和传输路径的频率响应误差 频率响应误差是由测试系统的功率分配器，定向耦合器，转 换接头和传输电缆的频率响应特性并不是一条很平坦的直线而引 起的误差。表现为若用一个标准的短路校准件进行校准时，系统 的频率响应的不平坦性。 以上六种误差是系统误差，是可以校准的。另外还有两类误差 随机误差和漂移误差是不能校准的。 （1） 随机误差 随机误差（又称偶然误差）是指测量结果与同一待测量的大 量重复测量的平均结果之差。 （2） 漂移误差 分析测试仪器由于供电电源电压不稳，电子学元件老化，光电 倍增管

10、暗电流大，环境温度变化，室内气流骚扰等原因，造成分 析仪器示值不稳所引起的分析测试结果与理论实际数据的偏差。 12 14.1 基本测试设备 3. 测试夹具及校准技术 夹具的作用是连接DUT和矢量网络分析仪，所以理想的夹具 要求无损耗、线性相位变化、平坦的频率响应、阻抗匹配的连接 端、电长度已知、输入和输出端的隔离度无穷大等。使用高质量 的测试夹具可以获得高的测量精度，下图是用于手机芯片的测试 夹具照片，利用它可以方便的进行手机芯片测试，并得到很好的 测量精度。 手机芯片测试夹具照片手机芯片测试夹具照片 13 14.1 基本测试设备 4. 通用校准与定标方法 11 S 21 S 21 S 11

11、S （1） SOLT校准 先后连接匹配负载，短路器和开路器并测量反射系数 ，通 过计算可校准反射参数相关的误差项。在得到与反射误差相关的 误差项后，连接匹配负载并测量传输系数 可得到传输路径的 隔离误差，连接直通段并测量 和 可以得到传输路径的频率 响应误差和负载失配误差。所以要得到所有的12个误差项，通过 正向和反向各六次测量就可以得到测量系统的所有12个误差项。 正向误差模型正向误差模型反向误差模型反向误差模型 14 14.1 基本测试设备 （2） TRL校准 直通-反射-传输线（TRL）校准方法不需要已知的负载，而是 采用下图所示的3种不同连接方式进行校准。 直通直通-反射反射-传输线校

12、准方法的信号流图传输线校准方法的信号流图 对于直通状态，已知 ， 。令 ，则有： 1122 0SS 1221 1SS 1221 EE 12 22 1 T R E R E E 12 22 1 TXT R E BEE E E 2 12 11 22 1 TR R E AEE E E 15 14.1 基本测试设备 对于直通状态，已知 ， ，则有： 1122 SS 1221 0SS 12 22 1 R E R E 2 12 11 22 1 R E AE E RX BE 对于传输线状态，已知 ， ，则有： 1221 0SS 1221 l SSe 12 2 22 1 L l R E R E E e 22 1

13、2 11 2 22 1 l R L l R E E e AE E E e 12 2 22 1 l LXT l R E BEE e E E e 11 E 22 E 12 E X E R E l e 根据上述公式可以解出校准网络的未知参数 ， ， ， ， , 反射系数 ，以及传输线参数 。在完成了误差校准后，就可 以测量DUT的S参数了。 16 14.1 基本测试设备 5. 探针台及校准技术 用探针台能够实现极其精确的MMIC性能测试。与测试夹具 相比，探针台测量技术具有如下一些优点： （1） 单扫频系统已实现直流到120GHz信号的测量。 （2）引入的系统误差很小，测量更精确，并具有可重复性。

14、（3）校准程序简单，采用晶圆片上校准和验证标准可以实现 校准程序自动化。 （4）其使VNA测量参考面位于探针尖或在沿MMIC传输线一段 距离处；后者可以完全消除过渡效应。 （5）其提供了一种快速、无破坏测量MMIC的方法，从而可以在 切片和封装之前进行芯片选择。 17 14.1 基本测试设备 14.1.4 噪声系数分析仪 噪声系数测试仪的原理方框图如下图所示。10 1 600 MHz信 号进入低通滤波器后,任何高于1 650 MHz的信号将被抑制,程控放 大器调整输入信号电平以满足第一变频器的需要。第一变频器 使输入信号和第一本振差频 得到第一中频,第一中频经隔 离器进入低通滤波器,然后进 入

15、第二变频器。第一中频与 1750 MHz本振进行第二次混 频得到第二中频。第二中频 再和280 MHz本振混频产生第 三中频,再经放大滤波之后进 入检波、A/D变换,最后由 CPU计算、修正、存储、显 示。 噪声系数分析仪原理图噪声系数分析仪原理图 18 14.2 频率特性测试技术 14.2.1 外差法 X f S f dXS fff 外差法的基本原理是将待测的信号频率 与本机已知的准确 振荡频率 通过混频器混频，输出差频信号 ，再通过 分析三个频率的关系，测出待测频率。 外差法原理外差法原理 s f d 0f 若本机频率 连续可变，则可以通 过调节本机频率，使输出差频 便可测得待测频率为：s

16、 X ff X f s f s f X f dsX 0fnfmf 当 和 含有谐波分量时，则可以调节 的n次谐波等于 的 m次谐波，即 ，则可以得到待测频率为： Xs n ff m 19 14.2 频率特性测试技术 14.2.2 计数法 X f X T s f 计数法的基本原理是将未知频率 的每一个周期 变为一个脉 冲，由计数器计出通过闸门的脉冲数，标准频率 用于控制闸 门的开关时间，如图所示： 计数法原理计数法原理 g T s f gs TmT Xs nTmT 设闸门开放的时间 等于 的m个周期，即 ，在开 放期间通过闸门的脉冲数为n个，则 ，于是得到待测 频率为： 。 Xs n ff m

17、20 14.2 频率特性测试技术 14.2.3 测量系统的三阶截断点的方法 如果基频信号增大10 dB，三阶交调就会增大30 dB，所以对于 基频分量有： 33i ()OIPaG IIPP 而对于三阶交调分量有： 33i 3 ()OIPbG IIPP i P 其中a和b为当输入功率为 时的基频和三阶交调的输出功率。 化简上两式得到： 3 3 2 ab OIP 于是我们可以得到三阶截断点为： 33 IIPOIPG 21 14.3 噪声特性测试技术 m ()Sf 相位噪声的功率谱密度 可以定义为： 2 rmsm m () () f Sf B 2 rmsm ()f ( ) t m f 其中 是 在频

18、率 处产生功率，B为测量噪声的等 效带宽。 ( ) t根据调制理论，当 最大值远小于1 rad时，可得到如下关系： mm 1 ()() 2 fSf 22 14.3 噪声特性测试技术 14.3.1 直接测量法 m ()f 将未加调制的高频载频信号直接加到频谱仪上，调节适当 的频率范围和其他参数便可观测出该信号的 。 m ()f 3dB B 为了更加精确的测量 ，需要进行一定的修正。首先将分 辨带宽 乘以1.2作为测量带宽B。由于频谱仪读数对噪声功率 有2.5 dB的压缩，所以需要加上2.5 dB的修正项，最后结果为： m ()10lg(1.2)2.5fNB 14.3.2 鉴相器法 ( ) t m

19、 ()Sf 用鉴相器法测量相位噪声其过程是将待测信号与一个高稳定 度的同频参考信号相位正交的进行混频，检出与被测信号的相 位起伏成比例的低频噪声电压，经过低通滤波和低噪声放大， 输入到频谱仪中读出 的功率谱 。 23 14.3 噪声特性测试技术 鉴相器法测相位噪声鉴相器法测相位噪声 设被测信号为 cc ( )cos( )v tVtt ,参考信号为 rrr ( )cos()v tVt 两信号经过混频器和滤波器后得到： bcrcr ( )cos()( )v tV Vtt 当 cr 时，又有： bcr ( )cos ( )v tV Vt 24 14.3 噪声特性测试技术 因为 0 ( )( )tt

20、，若可以调节 0 2 ，则有： bcr ( )sin( )v tV Vt ( ) t当 的最大值远小于1 rad时，就得到： bcr ( )( )v tV Vt 考虑频域，同样有： bmcrm ()()vfV Vf b( ) v t( ) t cr KV V b( ) vt K ( ) t m ()Sf 可知 就是与相位起伏 成比例的低频电压。令 称 为鉴相常数，通过频谱仪测量输出电压 ， 通过鉴相常数 的校正就可以得到 的功率谱 。 25 14.3 噪声特性测试技术 14.3.3 鉴频器法 f V V m ()Sf m ()f 鉴频器法的原理是将被测信号的频率起伏 由鉴频器变为电 压起伏 ，

21、从而通过测量 的频谱得到 或 。 鉴频器法测相位噪声鉴频器法测相位噪声 通过鉴频器输出的信号在频域上可表示为： md mdm md sin ()2() f V fKf f f K 其中 是与延迟线、混频器和低噪声放大器的增益或插 损相关的量。 26 14.3 噪声特性测试技术 d K 定义鉴频常数 ： md m dd mmd sin() 2 () fV f KK f ff m f m d 1 f d K dd 2KK 在频率 偏差很小 时，鉴频常数 可近似为 . 在得出鉴频常数后，其他的校准工作与鉴相法相同，最后的 测量结果为： md ()10lg2.520lgSfNBK mmd 1 ()()

22、10lg2.520lg3 2 fSfNBK 27 14.4 功率特性测试技术 14.4.1 微波功率测量方法 用满足量程的微波功率计测量微波功率的电路也可以分为两 种，即终端式和通过式。终端式测量电路是将微波信号直接输入 到微波功率计中进行测量，此时需要注意输入信号与功率计间的 阻抗匹配，否则会带来较大的测量误差。通过式测量电路是在输 出信号的传输线上通过耦合器按比例提取一部分微波功率进行测 量，最后按比例计算出信号的功率。 另一种小量程功率计的扩展测量电路称为衰减法，它是由待测 微波输出和小量程功率计，以及它们之间附加的一个已知衰减量 的衰减器组成。测量时将测出的功率加上衰减量，就得到微波的

23、 输出功率。 通过式法测功率通过式法测功率 衰减法测功率衰减法测功率 28 14.4 功率特性测试技术 14.4.2 功率测量中的误差 实际的测量电路中输入源和功率计的阻抗失配是不可避免的。 分两种情况对因阻抗失配带来的测量误差进行分析。 功率测量的等效电路功率测量的等效电路 g 0 L 0第一种是源匹配（ ），但功率计或功率探头不匹配（ ） 的情况。设源的资用功率为 ，输出到功率计上的功率为 ，跟 据功率计算公式有： A P L P 2 LAL 1PP 29 14.4 功率特性测试技术 L P A P 2 L 可以看出测量的功率 小于实际的输出功率 ，由于在这 种情况下 是确定的，所以是可以校正的，求出实际输出功 率为： L A 2 L 1 P P gL ,0 第二种情况是源端和功率计端都不匹配（ ）的情况。 根据功率计算公式： 2 L L0 2 Lg 1 1 PP 其