功率放大器頻譜分析儀檢波器 DUT

先進VNA功能完備　對數放大器測試省時又省力

2015-07-06

John Eckert

對數放大器(Log Amps)已廣泛用於雷達中，以便壓縮各種不同的訊號振幅，並且進行後續數位化和進一步的處理。射頻(RF)與微波發射器也都會使用對數放大器，以便控制功率，並在接收器中標示接收訊號強度。目前有兩種基本的對數放大器。

真正的對數放大器可提供實際輸入訊號的對數，相對地，解調變對數放大器或對數檢波器則可提供輸入射頻訊號波封對數。某些對數檢波器也提供保留輸入訊號相位資訊的有限或額定振幅輸出。

測試對數放大器/檢波器特性時，必須執行許多射頻量測，這些測試至少包含輸入(S11)匹配、輸出(S22)匹配以及輸出對數相符性。對數檢波器誤差包括DC輸出偏差值與斜率誤差；此外也必須量測絕對功率與輸入臨界值的有限輸出。

對數放大器測試系統繁雜　衍生重重挑戰

用於測試對數放大器/檢波器特性的測試系統，通常是由各種獨立儀器裝配而成，包括訊號產生器、功率放大器、頻譜分析儀、功率計、數位轉換器、PC、客製軟體及網路分析儀等。

COT訊號產生器可為待測裝置(DUT)提供激發訊號。選擇訊號產生器時，頻率與功率範圍必須涵蓋DUT之測試需求，同時也必須達到解析度與準確度要求。一般的訊號產生器可指定-130?+5dBm的輸出功率範圍。例如，若要從-50～0dBm開始測試DUT，而頻率落在產生器範圍內，則可能會假設訊號產生器「Y」是不錯的選擇。

圖1　ALC二極體檢波器方塊圖

訊號產生器結合各種相關元件設定輸出功率。首先以0?100dB，每次步進10dB的方式設定輸出，輸出衰減器如圖1所示。此程序解析度係透過控制輸入功率至最終輸出放大器獲得增強。控制進行期間，放大器的輸出會先通過二極體檢波器或自動位準控制(ALC)二極體檢波器的量測，爾後產生反饋以取得需求的輸出功率。

ALC二極體檢波器必須具備足夠的頻寬，以涵蓋產生器的頻率範圍。檢波器的寬頻寬會提高其kTB雜訊(熱雜訊基準)，進而減少其敏感度並限制ALC範圍。微波來源的範圍約為30～40dB。如要變更大於此數量的輸出功率，則輸出衰減器必須切換為新的數值。

輸出衰減器包含多個串級(Cascaded Stage)，這些串級是採用機械開關的旁路設置，變更衰減器數值。

在此情況下，為了達低耗損、寬頻寬、準確度及高穩定性，通常會以機械式衰減器取代固態衰減器。然而，機械式衰減器的缺點是內部開關容易磨損，此類衰減器的使用壽命與其啟動次數成反比。此外，量測準確度也可能受到影響，因為變更輸出衰減器的同時，輸出阻抗也會改變，當DUT直接輸入最終放大器，而從0dB切換或切換至0dB時，這點尤其重要。

某些訊號產生器能夠流暢地掃描輸出功率，如果採用手動方式測試對數放大器與檢波器，這是一大優勢。不過，掃描仍僅限於ALC範圍，請記住，ALC二極體檢波器是無段差(Step-free)功率控制的限制元件。對於須以超過ALC範圍測試的DUT而言，輸出衰減器必須能夠切換，這點在自動化系統中應審慎規劃。

假設要在50dB的功率範圍以一百種頻率進行量測。掃描50dB之後變更頻率，則每次測試可產生一百步進衰減器變更；反之，以各頻率掃描一半的功率範圍，則各頻率的另一半範圍在每一次測試中，會產生一個衰減器變更。

如果需要更多功率才能驅動DUT，則必須在來源與DUT之間增設外接功率放大器，但是這會導致一些問題。除非不斷量測並持續調整，否則便無法將實際功率分配至DUT，此時可使用調諧接收器或頻譜分析儀監控輸入訊號，或是功率計，但該選項速度太慢且量測範圍也較少。

如要量測DUT的偵測輸出，便須使用數位轉換器或數字電壓表；然而，這些儀器僅提供非比例的檢波器響應。最佳作法是算出輸入與輸出量測值的比，接著必須進一步處理響應，以找出對數相符性。

最後則須使用軟體將訊號源激發同步化、收集輸入/輸出資料，以及排定結果。除了制定校驗方法與測試系統不確定性規格外，測試系統使用期間的軟硬體維護也要納入考量。

向量網路分析儀可望突破測試限制

如要將前述限制降到最低，同時滿足多重效益，最簡單的作法就是使用先進的向量網路分析儀(VNA)。在此以圖2中的圖形做為範例，說明對數檢波器量測結果。

圖2　此圖顯示已掃描頻率和已掃描功率DUT之量測結果。

只要設定一次，便可在VNA顯示幕上顯示掃描頻率及掃描功率量測的結果。圖2的上半部畫面為掃描的功率量測，軌跡2(TR2)為限制輸出，該畫面顯示限制器輸出在-50dBm輸入時，達到0dBm的最終功率；軌跡1則是掃描的輸入功率；軌跡4是重疊於輸入軌跡1的對數檢波器輸出。

藉由使用先進的VNA，測試人員可為軌跡加上標題與名稱。上半部視窗中的軌跡7(Tr7)，即為對數誤差或對數相符性軌跡；該軌跡為輸入功率與測得輸出間的差。

一般認為VNA係用於量測RA的功率比。在此，我們使用「AI1」輸入建立軌跡4，「AI1」是背板上可做為量測接收器使用，並顯示為軌跡的兩個類比輸入之一。做為對數相符性軌跡的軌跡7，使用VNA的軌跡數學功能，將對數測得的輸出，轉換成自輸入功率軌跡減去的線性功率項。標記則指示在DUT指定範圍內，峰值至峰值的對數誤差為1.29dB。

圖2下半部視窗顯示掃描頻率量測對數S11、對數S22，以及限制器輸出埠的發射波群延遲S21。這種以一個通道掃描功率，另一通道掃描頻率的方法，又稱為雙通道量測。

請注意，掃描功率是從-65～+8dBm，也就是73dB的功率範圍，而且不包含輸出步進衰減器切換。VNA不使用內部訊號源二極體檢波器進行ALC位準調節，可選擇使用內建的其中一個100dB範圍接收器進行ALC反饋，73dB的功率範圍大約是此頻率之最大值，在其他頻率則可能會增加或減少。重點是，ALC範圍不再受限於功率偵測。

VNA對於移除系統瑕疵所產生的相關錯誤，向來設定精密的校驗路線，功率差異會以比例顯示，阻抗與耗損誤差則透過誤差公式和已知標準移除，現在甚至可進行絕對功率(dBm)量測。

校驗分兩階段執行。首先將可追蹤的功率感應器連接至VNA測試設備，由VNA修正來源功率；接著，VNA則使用修正後的來源功率，修正其接收器，然後再由標準的S參數校驗，修正直到纜線末端的所有數值。這意味著，不僅是S參數，連來源功率與絕對功率的量測值，也都會在DUT端獲得修正。

VNA的另一大優點在於，VNA的可配置測試設備展露內部射頻訊號路徑使得工程師能夠用於改造硬體，以做特殊用途之用，只需要其中一組測試設備，便可輕鬆供應功率需求大於VNA的DUT。若只要在纜線與DUT之間連接放大器，則放大器也會成為量測結果的一部分，而非測試系統的一部分。

此外，移除測試設備上的短跳線之後，便可在內部來源插入放大器，並耦合至參照接收器。放大器的物理特性接著將會封縮至VNA，以及完整校驗後的量測結果。

生產前測試是先進VNA發揮優勢的一大領域。生產前須執行各式各樣的測試，如發現任何錯誤，都將在此階段解決，沒有人喜歡在實際生產過程中面臨「突發」狀況，而及早蒐集更多資料可減少此一風險，等達到安全等級後，便可刪除冗餘資料，減少測試點的數量。

圖3　此3D圖表說明檢波器輸出與輸入功率及頻率。

例如，在此情況下，用於測試的先進VNA配備「快速啟動(Quick Start)」量測設定功能，如要進行量測，則先選取「功率掃描」設定，接著輸入功率與頻率參數。只要不消幾秒時間，便已取得掃描到的功率S參數量測值，接下來，將檢波器輸出端連接類比輸入端，建立軌跡，最後，可到VNA的說明(Help)檔查看ALC，ALC會設定為使用接收器「R1」作為大範圍功率掃描，不到一小時的時間，就可以取得正確的軌跡算數。

圖3說明檢波器輸出端與輸入功率和頻率的3D圖表。完美的裝置會產生平面圖。在此，可以發現低功率呈現斜坡曲線，高功率端則呈現飽和。請注意，裝置係故意以高於其功率及頻率規格之條件測試，以確實了解DUT之整體操作狀況。