隨著越來越多的技術人員和工程師必須在惡劣狀況下到野外進行量測，手持式量測儀器的需求也節節攀升；尤其新一代手持式儀器已能達到媲美桌上型儀器的高精準度表現，可望加速滲透戶外測試市場。
對很多設計工程師來說，準確的微波量測必須在實驗室環境中使用桌上型儀器才能完成。但不久前，量測業界已經出現高準確度手持式儀器，其量測結果並不輸昂貴的實驗室儀器所測得之結果。
這些集所有功能於一身的現代化工具，讓技術人員和工程師能夠進行網路、頻譜、功率和頻率的高準確度微波量測，而且其結果的關聯性比較達百分之幾分貝(dB)以內。
為確定所挑選的手持式儀器具備這樣的高效能，有必要將其效能與桌上型儀器進行比較。大多數人會先從查看產品規格書中所列的規格開始，然而事實上很難這樣直接比較兩者，因為規格值通常視特定的操作條件而定。舉例來說，手持式儀器的規格可能是在惡劣工作環境中測得，而桌上型儀器的規格則是在恆溫環境中求得的。即使還可翻閱其技術文件與應用案例，但要將桌上型儀器與手持式儀器進行比較還是很不容易，因為這類的文件來源很有限。
有鑑於此，工程師必須將使用多款桌上型儀器所記錄的量測值，與使用手持式儀器所記錄的量測值，進行實際的關聯性比較。如此一來，將可確定手持式儀器可提供野外準確測試所需之高準確度微波量測值。
藉關聯性比較評估量測水準
關聯性比較是描述對同一待測裝置(DUT)，利用如高效能桌上型儀器和手持式儀器等的不同儀器所記錄之量測資料的一致性。兩者的一致性越高，則手持式儀器取代桌上型機種的機會就越高。因此，關聯性比較可用來判斷特定的手持式儀器，是否能有效地提供與桌上型儀器相同的量測準確度水準。但為什麼關聯性比較對於確保待測裝置能否成功操作如此重要呢？
在產品生命週期的各個階段，工程師須使用各種不同的工具(通常是一組特定的測試設備)對待測裝置(或產品)進行量測。例如在前期階段，包括設計驗證、產品開發和製造測試，量測值通常是在受控制的實驗室環境內，使用桌上型儀器所測得的。到了研發測試階段，須依據效能、功能和動態範圍等特性來選擇合適的桌上型儀器。
而生產測試時，則須要具備高速量測速度和較低成本的儀器。一旦在野外安裝新的元件或系統，實驗室的量測值必須能夠提供可重測穩定度，以便驗證該裝置的效能。將來進行定期維護和偶爾的維修操作時，也都須要進行野外測試。
這些作業大多數都是在最嚴苛的狀況下進行，包括暴風雪和沙塵暴等惡劣的天候，甚或是在行駛於驚濤駭浪中的船舶上，以手持式儀器進行相關測試。
在所有野外測試中，將資料與實驗室量測值進行關聯性比較，對待測裝置和待測系統成功運作極具關鍵性。如果無法確實比較野外測試資料與實驗室資料的關聯性，即便可有效運作的元件也可能無法通過測試。同樣地，不良的元件很可能會通過測試。關聯性越高，可確保待測裝置的實際效能可以達到設計標準。
比對量測值關聯性
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| 圖1 使用MXA訊號分析儀(左)和FieldFox頻譜分析儀(右)所擷取的10GHz多頻訊號之頻譜量測結果 |
為了確定特定的手持式儀器之量測資料，與使用高效能桌上型儀器測得的資料之關聯性有多高，必須檢視多種不同的量測，如頻譜、S參數和RF功率。如果是使用結合不同儀器功能(如頻譜分析儀、向量網路分析儀或功率表)的手持式儀器，則更須要這樣做。
例如，圖1顯示出10GHz多頻訊號的兩個頻譜量測結果，該訊號具有等頻率間隔的側頻，各個相鄰側頻的振幅差10dB。左邊的頻譜量測結果是採用高效能桌上型訊號分析儀所得到的，而在右邊的是使用手持式儀器於頻譜分析儀模式下所擷取的。
當使用三角標記來比較兩組量測結果時發現，在桌上型儀器中，三角標記量測值為-40.37dB，而手持式儀器的讀值為-40.07dB。兩種儀器之間的誤差只有0.3dB，代表其關聯性甚佳。其他側頻的標記結果，也顯示兩種儀器間有極佳的關聯性。在本例中，就掃描速度和動態範圍而言，手持設備無法直接取代桌上型儀器，但它非常適合用於野外測試和一般用途的實驗室測試。
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| 圖2 圖中顯示3GHz至12GHz的寬頻放大器所測得的S參數。重疊的曲線包括安捷倫(Agilent)8510C向量網路分析儀(藍色)、PNA-X(綠色)和FieldFox的向量網路分析儀模式(洋紅色)的量測值。 |
圖2的範例以具有23dB增益的3G～12GHz寬頻放大器為待測裝置，以便比較S參數量測結果。在此範例中，採用三種不同的向量網路分析儀，包括兩台桌上型和一台手持式儀器，來量測四個S參數。所有這三種儀器都設置為頻率範圍100M～26.5GHz、四百零一個量測點和10kHz的中頻頻寬，並且全都使用完全的二埠機械式校驗方式進行校驗。
為了便於比較，所記錄的三組S參數都被複製到其中一台桌上型儀器中重疊顯示。圖2顯示，三組量測結果除了桌上型儀器的S21資料(1號曲線)只在高頻範圍有些差異外，其餘幾乎相同。手持式儀器(3號曲線)與其他高效能桌上型儀器(2號曲線)之間具有極佳的關聯性。此亦再次證明，手持式儀器顯示其非常適合用於野外的S參數量測以及用於一般實驗室的應用。
連續波(CW)、脈衝和複雜波形的射頻(RF)功率量測，可用多種設備配置來進行，而功率感測器是主要元件。功率感測器可設置為接上獨立功率表或透過通用序列匯流排(USB)纜線連接到個人電腦(PC)或手持式/桌上型儀器。個人電腦或手持式/桌上型儀器只是用來顯示功率量測結果，假設將相同功率傳感器用於手持式和桌上型量測配置，兩者就會產生極為接近的結果。
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| 表1 比較對CW測試訊號進行量測，所測得的射頻功率對頻率的函數。FieldFox手持式分析儀以通道功率表(CPM)功能量測訊號功率，進行此量測時，只需一條連接到測試點的短同軸纜線，並指定量測該通道的頻寬即可。 |
雖然功率表被認為是射頻功率量測的黃金標準，工程師仍可只使用手持式儀器進行功率量測。當然，前提是該手持式儀器有直接量測訊號功率的能力。為了便於比較，表1顯示CW測試訊號所測得的功率對頻率的函數，並將使用功率感測器和功率表組合測得的功率，與使用內建功率量測功能之手持式儀器所量取的量測值進行比較。雖然使用手持式儀器無法像採用功率感測器一樣準確，然而在富有挑戰性的環境和測試條件下，使用單一儀器量測功率，是十分便利的選擇。
自動校驗/內建校驗 媲美桌上型儀器
前面的範例對量測資料做關聯性比較，並清楚顯示現今的手持式分析儀不是只能夠進行與桌上型儀器量測值具有極佳關聯性的量測作業而已。之所以如此，其中一個原因是現今的手持式儀器與其桌上型同類儀器使用相同的量測科學，例如一些高效能射頻和微波桌上型儀器使用客製的單晶片微波積體電路(MMIC)。相同的MMIC晶片設計現在也可用於手持式儀器，以便將多種功能整合到輕薄短小、高效能的晶片組。
這些高度積體化的電路可提高手持設備的效能和可靠性，同時也降低總功耗。此外，它們可讓手持式儀器設置為不同的儀器，例如頻譜分析儀、向量網路分析儀、功率表或纜線和天線分析儀等更多功能。
除了這些技術的進展外，現今的手持式儀器可提供自動校驗和內建校驗等功能，使其能在整個頻率範圍內維持出色的量測準確度。這些功能正是為什麼現今的手持式儀器，能夠擁有媲美桌上型儀器之高效能量測能力的重要原因之一。
在使用手持式儀器進行野外測試時，確定量測結果與桌上型儀器的結果近乎一致至關重要。將量測結果進行關聯性比較，則是技術人員和工程師確保一致性的方法之一。
(本文作者任職於安捷倫)