內建高速頻譜分析功能　VNA增進突波搜尋效率

當然，使用VNA執行基本頻譜分析的概念並不新，前幾代分析儀就已經具備這樣的能力。然而，隨著數位轉換器、數位訊號處理器(DSP)和中央處理器(CPU)的執行速度突飛猛進，VNA已經可以內建超高速SA功能，以便加速執行繁瑣耗時的工作，例如突波的搜尋。

藉VNA之力　量測速度加快

在過去幾年間，VNA可以快速地執行所有重要的量測，包括匹配、增益/損耗、雜訊係數、雙音IMD、洩漏、變頻增益、壓縮、延遲等。當今最先進的VNA機型已將國防電子設備的測試時間縮短為原先的十分之一，並將衛星轉換器的量測時間縮短了六十倍，而無線基礎設施量測時間則縮短三倍以上(圖1)。

圖1 現代的VNA可顯著縮短各種應用的測試時間。

高效能頻譜分析儀的核心功能，正是推動效能進化的重要技術。以是德科技(Keysight Technologies)為例，改進目標是在不改變儀器核心架構的狀況下，於VNA中加入全新的SA功能，其Keysight PNA系列向量網路分析儀的選項090便是在此情況下因應而生(圖2)。

圖2 在先進向量網路分析儀中新增高效能頻譜分析儀功能，可讓元件測試的速度、便利性和洞察力均更上層樓。

此項功能透過四種方式解決突波搜尋的問題。首先，它可迅速地在高達67GHz的寬廣頻率範圍內進行搜尋，在尋找中等突波時，其測試時間比單機式SA快了十到五百倍。其次，多通道頻譜分析與內部掃頻訊號產生器維持同步，讓工程師能更深入洞察因果關係。第三，此功能善用VNA校驗和解嵌入技術的出色準確度，來提供測試夾具內的頻譜量測。

此外，它相容於PNA-X微波網路分析儀的單一連接、多次量測(SCMM)功能。有了這些解決方案，工程師便能夠以嶄新的方法徹底掌握裝置的效能。

善用現有架構　發揮預期效能水準

檢視圖3的微波VNA功能方塊圖，便可發現它能夠提供優異的量測結果。由於獲得肯定，因此往後不會更動接收器方塊圖，而是新增實用的SA功能。

圖3 為了讓VNA發揮預期的效能水準，接收器的基本功能架構維持不變。

PNA系列所部署的接收器具有38MHz的頻寬，並使用寬頻抗混疊濾波器；而100MSa/s類比數位轉換器(ADC)具有50MHz的最大頻寬理論值。

成功的關鍵是，增加一個新的資料處理流程，以便分別處理數位資料和接收器類比數位轉換器輸出訊號。與所有先進的訊號分析儀一樣，該流程可執行時間長度有限的資料記錄、套用時窗函數，然後計算快速傅立葉變換(FFT)函數，以產生輸入訊號(圖4)的頻譜。

如圖4所示，加入一些額外的步驟，確保準確地顯示頻譜。這些步驟包括：視訊平均運算，以減少軌跡雜訊；校驗，確保振幅準確度；圖像抑制，以去除不想要的偽像；以及峰值檢測，以增進頻率準確度。

圖4 透過SA來處理並增強數位資料，可實現快速準確的頻譜量測。

這裡無須使用硬體預選濾波器或「預選器」來維持VNA的預期效能。單機式頻譜分析儀使用這些元件來阻擋不想要的諧波或混合產物(例如圖像)。該解決方案則是在SA功能中加入威力強大的軟體預選器，以便在測試平台上全面消除圖像傳輸的問題。不僅如此，該分析儀經過配置後，可使用接收器衰減器和窄解析度頻寬(RBW)，在一個或多個通道上執行諧波量測，以便降低所顯示的雜訊底線。

善用新穎功能　解決突波搜尋問題

突波和擾人的非諧波訊號可造成干擾或形成錯誤訊號，並縮小DUT的動態範圍。搜尋突波的過程中，工程師會面臨時間和複雜性兩個挑戰，特別是在極寬的頻率範圍內搜尋低位準訊號，以便找出突波，尤為耗時。在典型混頻器和頻率轉換裝置的操作範圍內量測突波，不但費事而且複雜。

接著以使用VNA進行變頻增益量測過程中出現突波的情境來加以說明。使用典型的SA來查看輸出頻譜沒有太大的幫助。還須要透過一個訊號分析儀以及一個或多個訊號追蹤產生器，來觀察必要的細節。這些儀器可以是內建的功能，也可以是SA可控制的外部設備。

然後，必須透過幾個步驟來進行頻譜量測。首先，將VNA與DUT斷開。接著將訊號產生器連接到DUT的輸入埠，同時將SA連接到其輸出埠。最後，配置SA和訊號產生器，以便在變頻增益軌跡中出現突波的頻率範圍內進行量測。另外，可能必須先在一個或多個寬頻距內執行量測，隨後逐一在窄頻距內進行多次量測。

PNA內建的SA功能可簡化並加速執行此流程。向量網路分析儀可透過LO、RF和IF等三種方式和DUT連接，以便增進VNA量測性能。此外，SA功能為DUT的所有埠增添了頻譜分析能力，包括RF輸入、RF輸出、LO輸入和IF輸出。

由於每個頻譜分析儀通道可控制多個訊號產生器，工程師可深入而透徹地洞察裝置特性。例如，藉由掃描特定頻段中的RF和LO訊號源，可以輕易觀測穿越突波對固定輸出量測的影響。

PNA或PNA-X可使用現有連結連到DUT，以執行多個同步網路和頻譜量測。利用PNA-X的SCMM功能，工程師只需一組連結便可量測輸入頻譜、輸出頻譜、增益壓縮、變頻增益、雜訊係數、雙音IMD等等(圖5)。

圖5 藉由使用SCMM功能，此九條軌跡畫面顯示五個頻譜量測以及四個VNA量測，包括變頻增益(中間)、增益壓縮(左下)和雜訊係數(下方中間)。

如果VNA軌跡出現異常，使用者可在該點上加註一個標記，並使用marker to SA功能，在分析儀螢幕的另一個新視窗中執行頻譜量測。標記功能的另一項便利特性是，可用來執行頻段功率和雜訊功率量測。

VNA校驗及解嵌入，對於測試夾具內和晶圓上量測有莫大的助益，可確實找出接收響應誤差，並且去除纜線和測試夾具對量測的影響，進而改善測試準確度，如此將可實現更窄的測試邊限與更嚴格的裝置規格。

在生產線上，這項功能使得測試系統不需要安裝切換矩陣和獨立頻譜分析儀，也可進行準確的量測，以便縮小測試系統的體積，並且降低元件特性分析的複雜度。此外，系統開發人員可以在測試時間與測試覆蓋率之間取得平衡。

新技術推陳出新　開展量測新視野

在VNA中提供頻譜分析儀量測功能並不是什麼新點子。然而，隨著類比數位轉換器、數位訊號處理器、中央處理器等技術的突飛猛進，現在工程師可用前所未有的速度來設計並測試先進元件。

(本文作者任職於是德科技)