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了解什么是非线性矢量分析

作者:  时间:2010-01-21 15:36  来源:edaw
现在,研究和设计高性能射频有源器件的工程师和科学家们正面临着诸多难题,其中的关键涉及到怎样表征器件的非线性特性,从而能降低器件的非线性带来的不利影响,或者可以对其加以利用,提供一个线性的、高效的大功率解决方案。这个任务在电信业尤为突出,因为器件的非线性特性往往会造成信息互相干扰,降低无线通信的有效带宽。

放大器是无线通信领域内不可或缺的元件,不过也正是由于其非线性特性经常造成频谱浪费;如果为了考虑频谱的利用效率而把功率放大器设计为只工作在它的线性区域内,又会造成可用功率的浪费。实际情况是,人们经常会把放大器推动到其工作的非线性区域,然后在非线性区域的一个工作点附近进行线性化。这种应用就让了解像功率放大器和倍频器等射频有源器件的非线性特性变得愈加重要,因此,精确测量器件的非线性行也成为了重中之重。

由于所有有源器件在不同的程度上都会表现出非线性特性,因此相当多的有源甚至是无源器件的研究和设计工作都能够从这种更能反应器件的真实特性的非线性测量分析中获益,例如 LNA、T/R 模块和变频器,以及带磁芯的电感器或处理大功率信号的滤波器等无源器件。 

遗憾的是,进行非线性测量并不容易,尤其是当前能够完成这个任务的工具和模型通常都很难使用,而且也无法提供所需要的信息。在这里,我们真正需要是一个专为精确地测量和仿真射频有源器件的非线性特性而设计的解决方案。如果有了这些器件非线性特性的信息,设计人员就有了控制和最大程度地降低非线性特性所带来的不良影响的能力,从而能更精确、更轻松、更快速地设计出线性大功率解的产品。

安捷伦科技测量器件非线性特性的最新解决方案

安捷伦有两种主要方法可以测量被测件(DUT)的非线性效应:非线性器件的特性表征和 X 参数。非线性器件的特性表征可提供被测件的入射波、反射波和透射波经过校准和矢量校正后的波形。矢量校准、功率校准和使用谐波相位参考校准可去除系统误差。使用这种测量方法,所有接收机必须同时对每个频点进行测量。从非线性器件特性表征测量结果得到的信息能让工程师们能够更好地理解和更确定性地控制被测件的非线性特性。
X 参数是对S 参数的一种合理的并且在数学理论上完全正确的往非线性和大信号工作环境下的扩展(请看下一节“对X 参数的详细解释”)。测量 X 参数测量需要使用两个信号源,这两个信号源以恰当的频率和相位关系同时给被测器件提供大的和小的激励信号,在测量过程中小心控制这些信号的相位和幅度至关重要,在这些条件下测量散射波的幅度和相位信息就可以得到 X 参数。当器件在线性状态或非线性状态下工作时,这些参数可为工程师提供器件的增益和匹配等信息。像 S 参数一样,X 参数也可以导入安捷伦先进设计系统(ADS)或显示出来。

对 X 参数的详细解释

X 参数相对于器件非线性特性的测量就像 S 参数相对于器件的线性参数的测量。先看一下 S 参数,它是作为对射频器件的线性特性进行分析和建模的方法而发展起来的,在今天, S 参数在对由多个独立器件级联而成的复杂系统进行分析、建模以及设计当中仍然起着重要的作用。它们包括了早已为工程师们所熟悉的测量项目,例如 S11(输入匹配)、S22(输出匹配)、S21(增益/损耗)、S12(隔离度)等,这些测量项目的测试结果可以很方便地应用于软件仿真工具之中。但是,尽管 S 参数用途广泛且功能非常强大,但它们确有其局限性——只能用于小信号线性系统。

S 参数都是用传统的网络分析仪来测量的。在比较小的程度上,传统的矢量网络分析仪也可以使用近似技术来深入分析器件的非线性特性,其中包括使用非比值接收机测量以及使测量接收机的测试频率偏离激励源的频率的方法。使用这些技术,传统的矢量网络分析仪可以进行简单的增益压缩、谐波的幅度、变频匹配、变频损耗/增益和群时延等非线性特性的测量。
 
与 S 参数相比,X 参数是我们开发出来的表征和分析射频器件的线性和非线性特性的一种更可靠、更完整的方法。作为 S 参数在大信号工作环境下的扩展,X 参数的测量条件是要把被测器件先推动到饱和工作状态(这也是很多元器件的实际工作状态),然后再进行 X 参数的测量。在进行测量时,无需了解或使用有关被测器件的内部电路的任何知识。这个测量只是电压波形的一个激励响应方式。换句话说,基波和所有相关谐波信号的绝对幅度和多个频率的相对相位都可以被精确地测量出来,并用 X 参数来表示。

由于 X 参数揭示了多个频率相依的关系,因此 X 参数的数据要比 S 参数的数据要多得多,比如如果我们要看输出信号的基波对输入信号三次谐波的增益,在这个只涉及一个谐波并不存在功率依存关系的简单例子中,就有八个 X 参数。相反,两端口器件的 S 参数从没有超出过四个。此外,X 参数还明显依赖于器件的大信号状态(例如,将输入功率作为一个变量),相比之下,我们认为 S 参数和功率无关。

X 参数的精度和可靠性对于那些试图更好地了解有源器件的非线性特性的工程师和科学家来说非常有用。 例如,在设计功率放大器时,设计人员可以先使放大器在非线性区域工作,以获得最大输出功率和实现最大效率。然后,可以使用某种反馈电路对非线性效应进行补偿,使输出特性看上去像是一个大功率线性器件的输出特性。

在本例中,抑制功率放大器的谐波输出的典型方法是使用滤波器和其他元件。但是,如果过滤元件的输入匹配与我们所观查的特定谐波(由放大器产生)的输出匹配不匹配的话,那么滤波器对谐波的衰减就会和设计人员预期的大相径庭,碰到这种情况,设计人员可能不得不采用蛮力的反复实验和纠错的解决办法——往好处想这也是一个既费力又费时的手段。避免陷入这种窘境的一种方法是从 X 参数中获得精确的相位和幅度信息,然后使用恰当的仿真工具。采用这种方法,设计人员能够在短期内设计出最稳定、最精确的系统。

可行的解决方案

使用元器件非线性特性表征和测量 X 参数这两种方法的解决方案可提供非常关键的测量结果,这对精确测量器件的非线性特性是至关重要的。 安捷伦科技公司的获奖产品——非线性矢量网络分析仪(NVNA)在一个高度集成、功能强大、易于使用的仪器中支持这两种方法。只需外接少量的测试附件,就能把一台 4 端口 PNA-X 网络分析仪转换成一台高性能的非线性矢量分析仪。PNA-X 有四种频率的型号:13.5、26.5、43.5 和 50 GHz。用户能够根据他们的特定应用选择正确的频率型号,从而节省成本。43.5 和 50 GHz 型号支持较高频率的应用,例如雷达和卫星通信;而 13.5 GHz 型号则是对无线通信中所使用的较低频率设备进行测量的理想工具。Agilent NVNA 是业界首款 43.5 和 50 GHz NVNA。它们能在高达 50 GHz 的频率范围内提供所有的 NVNA 特性和功能,支持对更高频率的器件进行精确的非线性表征。

由于 NVNA 以标准的 PNA-X 网络分析仪为基础,因此它可以提供 PNA-X 进行线性测量时的所有功率、灵活性和测量功能。它还可以轻松切换到 NVNA 模式进行非线性测量。 

借助 NVNA 的非线性器件表征,所有被测件的输入和输出频谱都可以进行测量。整个频谱(基波、谐波和交调频率产物)的幅度和相位均可显示在 PNA-X 网络分析仪上。您所感兴趣的任何频率的相对相位和绝对幅度也可以显示。这些数据可显示在频域、时域或功率域中,也可以使用用户定义的比率(例如 I/V)来显示动态负载线。

凭借在各个域中显示数据的能力,NVNA 使设计人员能够更深入地分析非线性元件特性。例如,如果设计人员在时域中看到被测件的输出出现失真,便可切换至频域以观察各频率分量的幅度和相位。接下来,您可以通过改变功率,观察相对于某个指定基本频率的给定功率电平上频谱分量的灵敏度和显著性水平。设计人员还可能希望测量倍频器,这对 NVNA 来说是一个相对简单的任务,因为它能够测量输入和输出激励相位(相对于校准相位参考)以及信号幅度。NVNA 还有一个优点,它测得的所有数据都能按照设计人员的选择导入到设计模型中。

NVNA 测量非线性元件特性的其他方法是通过使用非线性散射参数或 X 参数来完成的。这种功能使用测量数据,可精确描绘出非线性器件特性和级联的非线性器件特性。此外,X 参数可通过 Agilent ADS 从单个器件进行精确级联,以仿真和设计更复杂的模块和系统。 


Agilent PNA-X 矢量网络分析仪(NVNA)与 Maury 负载迁移调谐器及软件结合使用,可在全负载条件下捕获完整的非线性器件特性



可选的任意负载阻抗 X 参数功能将 NVNA 和 X 参数的应用从有源器件和模块的研究和设计扩展到了晶体管表征、建模和电路设计。
NVNA 选件 520 需要和 Maury 负载调谐器配合使用,并在 PNA-X 上安装 Maury 的负载迁移软件,这能够让工程师在任何负载条件下测量非线性元件的特性。它可以测量器件在大信号工作条件下的完整而复杂的反射系数,并在 ADS 中建立后续的 X 参数数据模型。功率附加效率(PAE)和输出功率的精确效率轮廓可通过 X 参数模型在 ADS 中直接仿真。尤其是,选件 520 使研发工程师能够:

• 将 X 参数设计级联扩展到任意大的负载失配。
优化与阻抗相对应的 PAE 和输出功率。
• 在任意负载条件下(甚至在极大的压缩条件下),测量和预测输入端口和输出端口的动态负载线。
• 在每个基波和谐波频率的输入和输出端,将幅度和相位数据作为功率、偏置和负载的非线性函数进行测量。
• 使用 ADS,通过简单的拖放操作就可以建立器件模型,设计多级、Doherty 或其他复杂的放大器电路

由于选件 520 使工程师能够查看所有信号在器件中的反应,因此就避免了典型的根据猜测来进行试验和纠错的设计方法,最程度地减少重复设计,将设计周期缩短了50%。 

总结

精确测量和降低器件的非线性特性对于设计和制造用于航空航天与国防、电信等领域的中的线性大功率产品至关重要。传统的解决方案在面对这一难题时,往往无法提供所需的信息和精度,Agilent NVNA 软件使用元器件非线性特性表征和测量 X 参数的方法,可以轻松、快速地测量被测件的非线性特性,并能提供最高精度。NVNA 具有全面的匹配校正、精确的测量幅度和众多相依频率的相位信息,并能够在扩展的射频和微波频率范围内在全负载条件下捕获非线性元件特性,从而为非线性元件特性的精确测量和深入分析确立了新的标准。

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