基于矢量网络测量系统的变频器件测试
互联网 2022-11-24

前言

在现行的变频器件测试方案中,测量系统对本振信号源的控制都是一个很困难的问题(本振信号频率固定的除外)。而解决此问题的一般办法有:一是测量系统处于点频手动测量模式下,射频激励、本振激励和中频响应三方都需人工依次操作来完成测量设置,这样一来,测量时间长,工作效率低;二是射频激励与中频响应集成一体的测试设备提供对本振激励进行简单控制的功能,例如用频率偏置功能来实现对本振激励的控制,此方案适用范围窄;三是在外加主控计算机的前提下,由主控计算机来统一、同步控制测量系统三方的工作,其工作模式还是点频,只不过点频方式下三方设备的测量设置和同步工作由主控计算机来完成,这样测量效率显然提高了,但成本也相应地增加了,重要的是应用不太方便,也就是说,每次使用时都须搭建如此测量系统,甚是费力!

MS4623B VNMS由此应用而生。它所具备的多源模式和内置三端口,使变频器件的测试便捷、高效,同时还具有测量系统体积小的特点。

MS4623B VNMS的特点

MS4623B VNMS具有全面的测量功能:(1)矢量网络分析仪功能;(2)频率和功率扫描功能;(3)噪声系数测量仪功能(需加选件); (4)频谱分析仪显示功能;(5)内置双频率综合信号源。MS4623B VNMS具备如此完备的测量功能,与它如下的特性紧密相关。

内置第三测量端口及第二内部源

当今某些要求苛刻的VNA测量涉及对多端口设备的测试和调试,这些多端口设备有双工器、混频器、耦合器等。对于传统的两端口VNA,要想完全测试与调试这些设备,从测量速度、校准及输入信号和测量端口的方面来说,是一很大的挑战。通过增加第三个测量端口,对于测试该类设备无疑是简化了,并提高了速度,而且为工业界首次提供了第二内部源。第二源完全与主源独立,并能在端口1和2间切换。通过增加这第二源,就有可能代替信号发生器和频谱分析仪,用于测量非线性结果(当多频同时存在于一有源设备的通带内时,会产生该现象)。

多源模式

MS4623B VNMS的多源模式是一项强大的功能,它提供对内部信号源、外部信号源(多达2至3个)和接收机的频率扫描进行任意控制。这种灵活的控制在非MS4623B VNMS内置测量应用功能除外的其它非常规测试中非常有用。下图所示的是MS4623B VNMS的多源模式设置界面。多源模式的详细操作说明请参阅MS4623B VNMS使用手册,也可以参考本文后续章节中的变频器件测试实例中的相关内容。

图1

本文中介绍的变频器件测量,没有使用VNMS内置的Mixer测试应用模式,而是在MS4623B VNMS普通T/R模式基础上,通过设置仪器的多源模式和测量参数,来完成变频器件的各种技术性能的测试。

测量参数的自定义

MS4623B VNMS能测量的参数,除常规三端口S参数(S11,S21,S22,S12,S33,S23,S32,S13,S31),谐波,噪声系数,互调失真(IMD),和a1,a2,a3,b1,b2,b3,1的用户自定义组合。其中a1/1,a2/1,a3/1,b1/1,b2/1,b3/1的测量分别表示对相应的接收机的绝对测量,当然测量时,必须对接收机进行测量归一化校准。

变频器件的测试

为了更好地展现出MS4623B VNMS在变频器件测试中的优势,本文介绍的变频器件测试是以具备如下属性的二级变频的变频器件的第二中频输出信号(IF2)为测试对象。变频器件的特性:1)射频激励信号(RF)范围2~2.5GHz;2)第一本振激励信号(LO1)范围2.3~2.8GHz,产生频率为300MHz的第一中频响应信号(IF1);3)第二本振激励信号(LO2)的频率固定为321MHz,产生频率为21MHz的第二中频响应信号(IF2);4)变频器件内具有功率放大器和二次变频时所需的两个中频滤波器;5)测量对象是射频激励信号从2GHz扫描至2.5GHz,同时第一本振激励信号从2.3GHz扫描至2.8GHz的第二中频响应信号。

本文中介绍的以下三个测量项目,是对测试对象的幅值进行绝对测量。在此,首先要介绍的是三个测量项目的共同设置任务,而其中的多源模式设置将分别在各自的章节中作介绍。

1. 测量硬件连接图



图2

注:
(1) 图中的被测量实体是两个单级混频器和滤波器组成的被测网络,而本文的举例的是上述的二级变频器件;

(2) 测量设备后面板连接,将外置信号源的10MHz参考输出连接至MS4623B VNMS的参考输入;

(3) 将信号源的IEEE488.2接口连接至MS4623B VNMS的第二IEEE488.2接口;

(4) 将PORT 1作为射频激励信号RF输出端,连接至被测变频器件的RF输入端;

(5) 将PORT 3作为第一本振激励信号LO1输出端,连接至被测变频器件的LO1输入端;

(6) 将作为第二本振激励信号LO2的输出端,连接至被测变频器件的LO2输入端;

(7) 将PORT 2作为中频响应输入端,连接至被测变频器件的IF2输出端。

2. MS4623B VNMS测量设置

MS4623B VNMS测量设置步骤:

(1) 复位系统至出厂设备,DEFAULT/ 0;

(2) 设置系统的参考为外参考,UTILITY/ REAR PANEL/REFERENCE FREQUENCY/ EXTERNAL/ RETURN;

(3) 设置系统测量参数,MEAS/ USER DEFINED/ CHANGE RATIO/ B2/ 1/ RETURN;

(4) 设置系统测量参数的表现格式,DISPLAY/ DISPLAY MODE/ SINGLE CHANNEL/ RETURN/GRAPH TYPE/ LOG MAGNITUDE/ RETURN;

(5) 设置系统中频带宽至适当值(如:300Hz),AVG/ SELECT I.F. BANDWIDTH/ I.F. BW 300Hz/ RETURN;

(6) 设置系统自动中频校准至关闭状态,SWEEP/ MORE/ TRIGGERS/ AUTOMATIC I.F. CAL OFF/ RETURN;

(7) 按硬件连接图,设置好各激励信号的输出功率,POWER/ SOURCE 1 SETUP (SOURCE 2 SETUP, SOURCE 3 SETUP);

(8) 接收机测量归一化校准,详细步骤见下一点;

(9) 系统多源模式设置,详细步骤见各自章节;

(10) 系统测量设置完成,测量各自设置的测量参数。

3. 接收机测量归一化校准

MS4623B VNMS的接收机校准,是将系统信号端口的信号幅值标准传递接收机,以保障接收机幅值测量结果的统一与准确。而系统信号端口幅值标准又可通过标准功率计将幅值校准传递过来(详细操作请参阅设备使用说明书)。在此介绍一下接收机测量归一化校准操作步骤:

(1)设置测量所需频段,也就是说接收机所校准的频率中必须包括被测量的频率,例如,本例中被测量的频率为21MHz,而工作频率(也是系统屏幕显示频率)却是2~2.5GHz,所以接收机校准频段可设置为,起始频率为21MHz,终止频率为2500MHz,当然也可为其它设置,但必须包括21MHz这个频率点;

(2) 接收机校准,POWER/ RECEIVER CAL/RECEIVER CAL进入接收机校准界面;

(3) 设置源端口为PORT 1,SOURCE PORT/ PORT 1;

(4) 设置接收机端口为PORT 2,RECEIVER PORT/ PORT 2;

(5) 用测试电缆连接源端PORT 1和接收端PORT 2;

(6) 执行接收机校准,BEGIN CAL;

(7) 至此PORT 2的接收机校准完毕,同时在POWER/ RECEIVER CAL界面下的RECEIVER CAL FOR PORT 2(CAL EXISTS)/ ON,接收机校准已存在,并已在校准完成时自动打开。
当然,在需要时,也可校准PORT 1和PORT 3的接收机,操作程序同上。

幅度起伏与插入损耗测量

在上述系统测量设置的基础上,进行系统多源模式设置:

(1) CONFIG/ MULTIPLE SOURCE/ DEFINE BANDS进入如图1所示的多源模式定义界面,将系统多源模式定义如下,定义好后打开多源模式;

Define Band 1: 2~2.5GHz

Source 1= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Source 2= (1/1)*(f+300.000000MHz)

Source 3=(1/1)*(321.000000MHz C.W.)

Source 4= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Receiver= (1/1)*(21.000000MHz C.W.)

(2) 打开系统内置信号源2,CONFIG/ INTERNAL SOURCES BOTH ENABLED ON。
至此,本测量项目的系统设备设置已完成,同时测量也已开始。在考虑系统误差修正的前提下,由测量结果减去射频激励信号RF的输入功率,即可得出被测变频器件的插入损耗;对测量结果进行数学处理,如找其最大、最小值,可得被测变频器件频段内的起伏峰峰值,求其标准偏差等。
镜像抑制测量

由被测变频器件的特性得出,被测变频器件的第一镜像射频激励信号频率为2.6~3.1GHz,第二镜像射频激励信号频率为1958~2458MHz。按上一测量项目测量出第二中频响应结果数据PO,再分别按以下两种多源模式参数设置系统,测量出相应的第二中频响应结果数据,对应于第一、第二镜像的第二中频响应结果数据PO1 和PO2,最后,将PO1和PO2分别减去PO得出被测变频器件的第一、第二镜像抑制。

第一镜像的多源模式参数:

Define Band 1: 2.6~3.1GHz

Source 1= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Source 2= (1/1)*(f-300.000000MHz)

Source 3=(1/1)*(321.000000MHz C.W.)

Source 4= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Receiver= (1/1)*(21.000000MHz C.W.)

第二镜像的多源模式参数:

Define Band 1: 1.958~2.458GHz

Source 1= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Source 2= (1/1)*(f+342.000000MHz)

Source 3=(1/1)*(321.000000MHz C.W.)

Source 4= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Receiver= (1/1)*(21.000000MHz C.W.)

1dB压缩点测量

在幅度起伏与插入损耗测量项目系统设置的基础上,执行以下操作:

(1) 按压功能键FREQ/ CW. MODE ON,设置被测频率(如2250MHz);

(2) 将扫描类型从频率扫描设置成功率扫描,SWEEP/ SWEEP TYPE/ POWER SWEEP;
(3) 设置功率扫描状态下的各激励信号的功率,设置参数程序如下,

RF:POWER/ SELECT SOURCE 1

/ START -40dBm (此功率值须保证在被测变频器件的功率放大线性区)

/ STOP -25dBm (在此扫描功率范围内须存在变频器件的1dB压缩点)

/ STEP SIZE 0.15dBm (扫描步进小,可保障测量更准确)

LO1:POWER/ SELECT SOURCE 2

/ SINGLE POWER ON (功率值就设置为频率扫描下的LO1信号的功率电平)。

到此本项测量设置业已完成,测量所得到的是设置频率下的第二中频响应IF2的绝对功率数据,经过数学处理(测量后的离线处理或通过MS4623B VNMS的数据处理功能--轨迹数学运算),即可找到1dB压缩点的被测变频器件的输入功率。

结束语

上述介绍变频器件测试看出,MS4623B VNMS在同一硬件设置下,可以很方便地测量被测变频器件的诸多性能参数。另外,在图2硬件测试组成的基础上,再配置第二外置信号源替代第二内置信号源,空出PORT 3用作变频器件的第二中频响应接收端,在三个输入端口添置三个相应的一分二的功分器,将两路被测变频器件的第二中频响应分别连接到系统的PORT 2和PORT 3上;这样就可测量多变频器件间的其它性能参数,如幅度、相位一致性等。本文介绍的只是MS4623B VNMS在变频器件中的上述方面的测量应用,其它诸多应用,如变频器件的噪声系数、群时延等测量,请参阅MS4623B VNMS的厂家发布的产品应用笔记。

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