如何克服RF信号路径上常会碰到的问题

秘诀一：排定效能、速度与稳定的优先顺序
为了让全部六大秘诀有论述的依据，有必要先釐清我们对效能、速度及稳定的定义。在大部分的情况下，只有其中一个或两个因素会成为首要的考量条件，主导您的测试需求与设备的选择。无论如何，仔细地审视效能、速度与稳定之间的相互影响与取捨关系（如表1 到表3 的摘要所列），将可协助您掌控特有的需求状况。
■基本的定义
效能
在RF 和微波测试设备中，安捷伦科技对“效能”的定义主要指的是仪器的准确度、量测范围和频宽。仪器的准确度包括明订的振幅和频率量测绝对准确度；量测范围指的是动态范围、失真、噪音位准和相位噪音，这些属性会影响信号位准量测的精确度；而频宽则是指可以处理和分析的频率宽度或资料速率。速度测试系统的速度或Throughput 会取决于所使用的硬件、输入/ 输出（I/O）介面和软件，我们的重点将放在硬件和四项会影响速度的因素上：量测设定时间、量测执行时间、资料处理时间、以及资料传输时间。在RF 和微波的频率，设定时间中非常重要的一环就是DUT 或测试系统在每次变更（例如切换器的开或闭、功率位准改变）之后， 所需的稳定时间（settling time）。
稳定一致性对任何测试系统来说，每一次的测试以及每天的测试都能产生一致的结果是非常重要的。然而，稳定佳并不代表精确度也高，因为精确度会取决于个别仪器的效能，而稳定指的是无论明订的准确度为何，所量测到的结果都是一致的。就每一部仪器而言，稳定可能会因某些量测或模式而异，因此查看产品的规格或询问制造商是很重要的。在某些程度内，透过更多次的平均，或修改演算法以准确地逼近符合标准量测方法所得到的结果，将可以提高稳定。将量测设定（如中心频率、频距和衰减位准）的改变次数减到最少，可以达到最佳的稳定一致性。
■三者的关系概述
DUT 的测试要求和商业上的考量可以协助您评估效能、速度与稳定之间的相对重要性，一旦您确立了首要的考量条件及其要求的高低程度后，就比较容易理出彼此的关系及其对系统的影响。表1、表2 和表3 分别就两种状况：首要考量条件的要求为高或低，摘要整理了相互间的影响关系。




表1：以效能为首要的考量条件时，最重要的相互影响因素是效能和速度。




表2：以速度为首要的考量条件时，最重要的关系在于速度和稳定。




表3：以稳定一致性为首要的考量条件时，最重要的关系也是稳定一致性和速度。

稳定与效能
在表1 和表3 中，稳定与效能之间有一个重要的第二层关系，这是由量测不确定度所串起的一种间接关系。面对不确定度时，有些系统开发人员会设计一个“误差量”（error budget），其大小取决于测试要求与系统不确定度之间的差距。影响不确定度的两大主要因素是绝对准确度（仪器的效能）和量测一致性（稳定）。如果系统中的仪器具有很高的绝对准确度，那么误差量中就有较大的空间可以容忍较低的稳定。如果仪器可以提供一致的结果，那么误差量中也会有较大的空间可以容忍较低的绝对准确度。
多项要求皆“高”
若要满足“高速与高稳定”或“高效能与高速”这类多重的要求，可能就需要使用复杂精密的仪器，其价格相较于能力较差的设备自然会稍微高一些。不过，许多高性能的仪器中可能会内建硬件加速器，可以加快一些耗时的作业，如平均计算和校准。有些机种也可能包含多种演算法，可以计算诸如相邻频道功率（ACP）等参数。如果全部三项要求皆“高”，就必须仔细检查系统的每一个部份－测试设备、切换子系统、缆线、接头等。最佳的解决方案很可能价格也不低，但可以提供一些额外的功能和优点。

秘诀二：审视DUT 的本质和特性
典型的自动化测试系统可以执行三项基本的任务：提供信号源、进行量测、以及进行切换，至于该使用哪一种信号产生器、功率錶、频谱分析仪、网路分析仪、切换矩阵（switch matrix）和缆线，则取决于DUT 的电性和机构属性。在RF 和微波的频率，有一些基本的特性需要特别留意。
■电性参数
DUT 的基本性质是主要的考量：它是被动和线性的，或是主动和非线性的？被动的线性元件较容易处理，因为它们在整个工作频宽范围内所有允许的输入功率位准下，增益和相位偏移量一般都是固定的。相反地，主动元件就需要格外谨慎，因为它们通常具有非线性的工作区域，对输入功率相当敏感，可能会在不同的位准产生不同的结果。如此一来，可能就需要在测试系统中加入放大器或衰减器，以精确地控制功率位准，而且也许还要加入耦合器，将输入到DUT 的功率位准分一些出来并确认是否正确。这些额外加入的东西千万不能轻忽：在高频下，每一个系统组成要件都具有复数的阻抗值（伴随有S参数），而且每多一项连接就有可能与DUT 产生不必要的相互影响。
•避免不匹配：任何连接线的阻抗不匹配
都可能造成注入损耗（insertion loss），而损耗掉信号源或量测信号的一些功率。众所周知，在高频下功率是很昂贵的，而且如果必须在很广的频率范围提供所需功率的话，还会变得更加昂贵。秘诀：使用精确度高的缆线和配件，且要使用向量式网路分析仪（VNA）充分量测缆线和配件的实际阻抗，特别是如果DUT 是主动元件的话。
•将VSWR 降到最低
切换矩阵加上其接头、内部和外部缆线、甚至是任何RF 缆线的弯曲半径等组合，可能因DUT 的电压驻波而产生误差。秘诀：若要将这项误差减到最小，可以使用电压驻波比（VSWR）规格为1：2：1 或更佳的切换矩阵。
•增加隔离度
如果您的测试需要同时量测高位准和低位准的信号，则切换矩阵的隔离度规格将会影响量测的正确性。秘诀：如果通过DUT 的路径有很多条，可以使用信号产生器和频谱分析仪，尽可能地量测出隔离度的特性。如果无法做到这一点，则系统在配置和设定时，应该将高位准和低位准的信号绕接到不相邻的路径上，或绕经不同的切换器。
■机构属性
另外一组需要考量的细节是信号和电源（交流电或直流电）接头的数量和类型，这会影响所需的切换矩阵大小，以及系统接线的复杂度等因素。秘诀：使用埠数足够的切换矩阵，一次就可以接好系统到DUT 的所有连接，这样一来，就可以将等待信号稳定所需的延迟时间缩到最短，并且将功率位准突然改变而损坏切换矩阵或DUT 的机率降到最低。


秘诀三：瞭解、量测及修正RF 信号路径的特性
如果没有经过额外的修正，产品的规格最多只能延伸到位于仪器输入和输出接头上的“校准”（calibration plane）而已。若要得到准确又稳定一致的量测结果，以及修正过的DUT 结果，我们建议将校准面往外推，尽可能地靠近DUT。不论路径是被动或主动的，DUT 是位在本端或远端，都有几种方法可以做到。
■被动路径的处理方式
被动元件在整个频宽范围内所有允许的输入功率位准下，都有固定的增益和相位偏移量。然而，沿着被动路径所接出去的每一条接线上可能会有阻抗不匹配的情形，因而造成注入损耗和相位偏移（或延迟）。在高频下，连简单的被动元素也会变成复杂的传输线元素，无法直接将路径上的损耗和相位偏移用简单的代数法相加得出。秘诀：使用VNA 来量测整个相连的路径或分析每一项元素的S 参数特性，并使用向量学来模拟整个路径的总损耗和相位偏移量。这些数值可以储存在系统的PC 中，并且视需要予以套用，以修正量测结果，或者供网路分析仪使用，例如用来即时地调整滤波器和其他变动的DUT。
■修正主动的路径
主动元件的效能会随着输入功率的改变而不同，若要提高量测的准确度，其做法会取决于元件是在其线性或非线性的响应区内工作。如果一个主动元件（如放大器）在校准和量测作业期间，是在远低于其1 dB 压缩点的线性区内工作，则可以在该区内的任何功率位准下进行准确的修正。
秘诀：如果主动元件是在其非线性的响应区内工作，则校准时也必须使用量测用的功率位准，以确保能够做准确的修正。如果需要在非线性模式下，于多个功率位准进行量测，那么也必须在每一个位准下分别进行校准，并储存起来供日后使用。
秘诀：在DUT 的频率范围内，检查主动元件的频率响应。同样地，您应该在特定的功率位准下量测整个路径，或是分析每一个介面的S 参数特性，并使用向量学，产生一个可以在事后套用或即时套用的模型。
秘诀：为了简化量测和修正RF 信号路径特性的作业，有些系统开发人员会尽可能少用主动元件，这样做可以减