微波毫米波系统应用

微波毫米波系统应用——微波毫米波测试仪器技术的新进展摘要:电子测量仪器是一个国家的战略性装备,其发展水平已成为一个国家科技水平、综合国力和国际竞争力的标志。在通信、雷达、导航、电子对抗、空间技术、测控和航空航天等领域中,微波毫米波测试仪器是必不可少的测量手段。它复杂程度高,技术难度大,工艺要求严格,一直备受关注并取得了突飞猛进的发展。本文介绍了微波毫米波网络分析仪、信号发生器和信号分析仪设计技术的新进展和发展趋势,涉及到双端口和多端口网络分析仪及误差修正、非线性网络分析、频率合成、正交数字调制与解调等关键技术。关键词:微波毫米波测试仪器;网络分析仪;信号发生器;信号分析仪1微波毫米波网络分析仪技术1.1双端口网络分析仪及误差修正技术在突破扫频测量与误差修正等关键技术后,矢量网络分析仪(VNA)在高效、快速和多参数测量方面取得了显著进步。分体式矢网20世纪90年代趋于成熟并一直作为工业标准使用,虽然分体式VNA构成比较繁杂,但频段覆盖很宽,达到0.045～110GHz,测量精度也很高。一体化结构的VNA集成了激励信号源、S参数测试装置和多通道高灵敏度幅相接收机,实现了高性能和超宽带分析。全新的硬件设计方案使测量速度和性能有了极大的提高,具有奔腾芯片的嵌入式计算机和Windows操作系统的引入,使互连性和自动化程度有了质的飞跃。在测量速度、测试精度、动态范围、人机界面、智能化程度、稳定性、可靠性和重复性等方面具有明显的优势。二端口VNA的指标达到:频率范围10MHz～20/40/67/110GHz(可扩到325GHz)、频率分辨率1Hz、动态范围61～122dB、迹线噪声0.006dB/0.1°,具有频域和时域测试能力。67～110GHz还是分体式,但已大大简化了系统结构。从VNA的设计原理来看,幅相接收机部分仍采用窄带锁相接收和同步检波技术。目前大都采用数字滤波和数字同步检波技术,接收机等效带宽最小达1Hz,测量精度和动态范围都有很大的提高。VNA的频率变换采用传统的取样变频法,虽然有成本低和易于实现的优势,但变频损耗较大,限制了VNA的动态范围。新型VNA采用基波/谐波混频法实现频率变换,它减小了变频损耗,动态范围提高约20dB;没有假响应进入锁相环路,有效地避免了假锁;本振源和激励源具有同样的调谐灵敏度,开环频率跟踪误差降低,加快了锁相捕获速度、扫描速度和跟踪速度。误差修正技术是VNA的核心技术,通过测量校准和误差修正将校准件的精度转移到VNA上。误差修正技术包括误差模型的建立、校准件的定标和误差参数的提取。模型是基于将一个非理想的VNA等效为一个理想的VNA与测量参考面之间插入一个两端口的误差适配器,误差适配器的参数将表征所有的系统误差。图1是VNA的12项误差模型[1],模型中下标带A的S参数为被测(DUT)的实际S参数,下标带M的S参数为VNA测出的S参数。12项误差为:有效方向性误差EDF和EDR,传输跟踪误差ETF和ETR,反向测量跟踪误差ERF和ERR,通道隔离度误差EXF和EXR,等效源失配误差ESF和ESR,等效负载失配误差ELF和ELR。利用模型可以获得DUT网络包括12个误差项在内的测量值的解析表达式,VNA通过对一系列已知S参数的校准件的测量,求解系统的误差系数,从而获得DUT网络的实际S参数。近年来,误差模型的建立和简化研究也取得一定的成效。由于12项误差是VNA内部设计结构产生的误差,是定向耦合器不理想、信号源与匹配负载不理想和信号泄漏产生的误差,并且已经作为系统误差存储下来。实际测试时,要把连接用的传输线和转接器引入的误差消除,需要在使用前进行校准。在传输线和转接器的正反方向传输损耗不变的前提下,对12项误差模型进行简化,提出了8项误差模型并进行了仿真和实验,有望取得应用。VNA的校准方式有开路/短路/负载(OSL)校准;偏置/短路校准;传输线/反射/传输线(LRL)或传输线/反射/匹配(LRM)校准;以及直通/反射/匹配校准(TRM);直通/反射/传输线(TRL)等。校准件分成经济级、标准级和精密级3个等级,每一个标准都有严格的数学定义,校准件的数学定义放在存储器中供仪器调用。机械校准件通常包括开路器、短路器、负载,更高标准的校准件还包括滑动负载和空气线等。其中,开路器的边缘电容和短路器边缘电感的影响以三次多项式表示;匹配负载一般能吸收入射波能量的98%以上,相当于回波损耗34dB;匹配负载非理想性引入的误差没有采取补偿措施。精密空气线是目前最高的阻抗标准,无介质支撑,内外导体的加工精度优于5μm,当作理想的空气线,其误差在0.2%。国际标准同轴线的内导体和外导体的尺寸测量是由空气计量测量系统完成的。校准件溯源到国家或国际标准上,这种繁琐的周期性的溯源,以及计量环境和使用环境差异引入的误差,在一种远程校准技术的研究开发中得到解决。利用基本阻抗测量系统(PIMMS)配合硬件校准程序完成校准、测量和不确定度评价[2]。一个20dB衰减器在18GHz频率上,反射系数和传输系数的标准不确定度达到0.00033和0.000049,总不确定度达到0.0010和0.000090。近年出现了电子校准(Ecal)新技术,电子校准模块包含了控制电路、多状态阻抗网络和含有表征电子校准模块特性的非易失存储器。电子校准件校准质量高、重复性好,有逐步替代机械校准件的趋势。1.2多端口与非线性网络分析仪用两端口VNA进行多端口器件和平衡器件的测试时,不但连接繁琐,而且缺乏有效的平衡器件校准方法与校准件,无法消除巴伦引入的匹配、频响、幅度和相位平衡等产生的误差。多端口VNA可以快速准确的进行多端口和平衡器件的S参数测量。它的硬件方案和双端口类似,关键是多端口校准与矢量误差修正技术需要突破。多端口VNA的系统误差项数目为3N2,N为校准的端口数。图2所示的是四端口矢量误差修正模型,每个端口有4个匹配误差项、4个跟踪误差项和1个方向性误差项,以及12个串扰(隔离)误差项,共有48个误差项(模型中没有给出12项串扰误差)。通过进行全四端口校准,可以消除全部的48项误差,进行最精确的四端口测量。国外多端口VNA达到频率范围300kHz～20GHz、噪声基底-105～-115dBm、动态范围110～125dB、方向性110～125dB、负载匹配36～44dB和源匹配35～40dB。国内在超宽带倍频源设计技术、毫米波多通道混频接收组件设计技术,以及宽带同轴校准件的设计制造技术方面都有多年的研究并取得较大进展,即将推出频率范围45MHz～40GHz的多端口VNA。超越S参数的重要性已经引起许多国家研究结构的极大关注,并陆续启动新一代具有非线性测量能力的网络分析技术的项目研发。其中,校准方法是非线性器件测量中研究的重点。近几年来,讨论较多的是NosetoNose(NTN)相位校准;开路/短路/负载/通过(OSLT)校准和LRM校准研究;应用SPICE模型研究NTN校准误差等。目前,已经开发了与NTN校准中互连网络和失配模型,揭示了NTN相位校准中的非线性误差机理。光电采样校准技术的突破,可提供比NTN校准技术更高的谐波相位准确度。2003年为VNA和LSNA测量开发了随机16项测量技术,用宽带谐波校准将LSNA延拓至50GHz。非线性网络仪是在真实的工作状态下对DUT进行测试,例如,连续和已调波、大电平扫描激励、程控直流偏置、源和负载失配等条件;在DUT的2个端口上,同步测量入射波和反射波的电压或电流的绝对波形,属于宽带测试DUT的特性,而不仅是获取DUT的线性特征参数;非线性网络仪除了做相对校准外,还必须做绝对校准。难点在于非线性大信号散射参数等非线性网络特性参数的定义,以及在测量数据中如何直接提取。建立非线性网络的频域黑箱模型一是需要寻找一个能够描述DUT网络入射波和反射波之间关系的多维复数函数,二是在大信号激励下拟合这些描述函数。在非线性网络仪的硬件设计中,宽带谐波取样变频器是关键,它将微波信号搬移到几十兆的中频带宽内。取样本振信号是由SRD阶跃恢复二极管转换成的4个同步窄脉冲序列。在取样器的中频输出端口有大量的谐波混频产物,为了将射频信号的基波以及各次谐波都搬移到中频带宽内,必须用合适的算法选择本振频率。通常需要考虑输入信号包含了N次谐波的微波信号、已调载波的窄带调制模式信号和已调载波的宽带调制模式信号等多种情况。非线性网络仪的校准误差模型分量比传统的网络仪多,主要表示微波信号的幅度误差和相位误差。除了相对校准外,还要进行功率校准和相位校准。功率校准可以用功率计进行,相位误差的校准采用谐波相位标准(相位校准件)进行。谐波相位标准的输出反射系数和频谱等特性表征是用宽带采样示波器来完成。通过离散Fourier变换可获得相关谐波的相位关系,它的测量原理就是NTN校准技术。谐波相位的准确度取决于宽带采样示波器的准确度,也直接影响到非线性网络仪的相位准确度。通过校准消除系统误差,获得入射波和反射波的完整的频谱,并用来重构信号的时域波形。目前,需要解决的难点:一是校准的重复性;二是在宽带多频调制激励测量或更高功率的测量中,还需进行额外的校准,消除不同通道之间由于信号和本振路径长度差异,以及通道特性不理想引入的误差。参考文献[1]王正伟.基于LTCC技术的微波毫米波收发组件研究[D].电子科技大学,2012.[2]夏雷.微波毫米波LTCC关键技术研究[D].电子科技大学,2008.[3]宋开军.基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究[D].电子科技大学,2007.[4]王沁泉.光外差法产生微波（毫米波）信号的研究[D].电子科技大学,2009.[5]俞泉.微波、毫米波功率模块固态放大驱动技术研究[D].电子科技大学,2006.[6]彭洋洋.微波/毫米波单片集成收发机中关键电路的设计及其小型化[D].浙江大学,2012.[7]刘祖深.微波毫米波测试仪器技术的新进展[J].电子测量与仪器学报,2009,03:1-8.[8]高艳.利用模式生物研究毫米波及微波辐射生物效应及医学防护[D].中国人民解放军军事医学科学院,2012.[9]李瑛.微波光子学中的毫米波产生及应用研究[D].复旦大学,2009.[10]尹震峰.微波毫米波功分器/滤波器设计[D].电子科技大学,2012.[11]王志刚.微波毫米波前端中的LTCC技术研究[D].电子科技大学,2010.[12]唐敬双.微波毫米波天线测试系统技术研究[D].西安电子科技大学,2007.[13]蒋石磊.微波、毫米波混频器研究[D].南京理工大学,2009.[14]李建强.基于铌酸锂调制器的微波光子信号处理技术与毫米波频段ROF系统设计[D].北京邮电大学,2009.[15]周太富.微波与毫米波增益均衡及放大技术研究[D].电子科技大学,2012.[16]裴丽,刘观辉,宁提纲,高嵩,李晶,张义军.基于偏振稳定双波长保偏光纤光栅激光器的可调谐微波/毫米波产生技术[J].物理学报,2012,06:217-223.[17]赵正平.固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的新进展[J].半导体技术,2011,12:897-904.[18]于孟国.微波、毫米波功率均衡器研究[D].电子科技大学,2007.[19]史嫄嫄.基于扰偏器和保偏光纤的微波毫米波产生研究[D].北京交通大学,2009.[20]于庆伟.光生微波毫米波技术及其相位噪声研究[D].西安电子科技大学,2014.