徐清華，林茂六

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150001）

在過去的30年里，人們習(xí)慣用傳統(tǒng)S參數(shù)來表征被測器件（系統(tǒng)）的傳輸特性。而S參數(shù)的一個重要的前提假設(shè)是器件（系統(tǒng)）為線性時不變。但隨著電子工程應(yīng)用向更大功率的推進，器件（系統(tǒng)）越來越多地工作在其非線性區(qū)域。這樣傳統(tǒng)的S參數(shù)越來越不能滿足當(dāng)代電子測量技術(shù)的要求，為此Agilent推出了新一代的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（NVNA）[1]。其與傳統(tǒng)的線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的不同之處在于，它可以更加全面地表征被測器件（系統(tǒng)）的傳遞函數(shù)。

Agilent推出的基于混頻器NVNA是在傳統(tǒng)的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)上的升級換代產(chǎn)品。這種結(jié)構(gòu)的測試系統(tǒng)具有很高的無寄生動態(tài)范圍（SFDR），通常優(yōu)于100 dBc。并且由于自身強大的計算能力，其甚至可以被當(dāng)做一臺本底噪聲極低的超寬帶示波器來使用[2-3]。

其中相位參考組件是這種非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的關(guān)鍵組成部分。其相位校準(zhǔn)件又稱諧波相位參考或梳狀波發(fā)生器，它是用經(jīng)NTN校準(zhǔn)的等效采樣示波器定標(biāo)的，因此校準(zhǔn)采樣示波器的相位響應(yīng)就顯得尤為重要。目前我國僅能對等效采樣示波器的相位響應(yīng)作NTN校準(zhǔn)。NTN（nose to nose）校準(zhǔn)方法是利用兩臺同型號寬帶等效示波器直接對接，其中一臺示波器產(chǎn)生kick-out脈沖作為激勵信號源，另一臺示波器作為接收機，通過解卷積的方法可得到示波器的響應(yīng)函數(shù)。由于NTN自身技術(shù)的限制，其頻率分辨率只能達到250 MHz。而利用階躍恢復(fù)二極管（SRD）設(shè)計的諧波相位參考，其頻率分辨率也較低（100 MHz～1 GHz），不能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的研發(fā)與維護迫切需求。在實際的通信系統(tǒng)中，窄帶通信是最常見也是適用范圍最廣的一種通信方法。為此，利用平方律檢波器設(shè)計了一種新的相位參考源，用以對非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行了窄帶校準(zhǔn)。原型實驗表明窄帶內(nèi)的相位校準(zhǔn)頻率分辨率達到100 kHz。

1 精細頻率柵校準(zhǔn)機理

調(diào)幅信號xAM（t）的表達形式為

其中：fc為載波頻率；調(diào)制頻率為fmod；上、下邊頻分別為 fc-fmod和 fc+fmod；V1、V2、V3分別為上述頻率點的電壓；φ2、φ1、φ3為它們的相位。 該信號通過平方律檢波器和低通濾波器后為

式（2）信號的頻譜成分只需要做低頻測量便可以用來表征式（1）調(diào)幅信號的調(diào)制特性。然而，實際中的平方律檢波器不可能是理想的，利用NTN校準(zhǔn)或光電采樣系統(tǒng)（EOS）校準(zhǔn)過的等效采樣示波器，可以對非理想的平方律檢波器進行表征。反復(fù)重復(fù)上面的步驟，即改變調(diào)制頻率fmod，便可以在載波fc（例如0.6 GHz）兩側(cè)獲得頻率間隔非常窄（例如100 kHz）的頻譜，這種頻譜稱為精細頻率柵。如圖1所示[4]。

圖1 精細頻率柵示意圖Fig.1 Fine frequency grid

為了用上述平方律晶體檢波器精細頻率柵相位參考作為精細頻率柵相位傳遞標(biāo)準(zhǔn)，必須對它校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程如圖2所示。校準(zhǔn)過程概述如下：調(diào)幅信號載波頻率固定，例如0.6 GHz。改變調(diào)制頻率，頻率范圍從100 kHz～1 MHz，測量不同調(diào)制頻率下，輸出和輸入信號間的相位差。并制成數(shù)據(jù)表格存儲起來。這種經(jīng)過了校準(zhǔn)的平方律晶體檢波器和它的調(diào)制頻率相位差數(shù)據(jù)表格稱之為精細頻率柵相位參考標(biāo)準(zhǔn)（NTN-FPR）[5]。

圖2 非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀精細頻率相位校準(zhǔn)方案Fig.2 Fine frequency grid phase calibration of nonlinear vector Network analyzer

假設(shè)非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在載波fc（例如0.6 GHz）上的相位誤差為Δφ2（先通過諧波相位參考標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)獲得），fmod為調(diào)制頻率，在fc-fmod和fc+fmod的相位誤差分別為Δφ1和Δφ3。則非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的射頻已調(diào)信號為

式中：Δφ2可以通過使用諧波相位參考（NTN-HPR）校準(zhǔn)事先求得，而Δφ1和Δφ3是需要校準(zhǔn)的精細頻率柵上相位誤差，U1、U2、U3為非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的幅度。上述測量信號通過理想的平方律變換器，濾除2次諧波后得：

而用等效采樣示波器測得該平方律檢波器具有相位失真的輸出信號為

式中Δφd，Δφd1可從已校準(zhǔn)的NTN-FPR相位差函數(shù)數(shù)據(jù)中查到，經(jīng)補償后，等效采樣示波器（DSO）上測得的平方律檢波器輸出的低頻信號為

比較式（4）、（6）中的相位項，求得式（7）便可以計算出非線性網(wǎng)絡(luò)分析儀相應(yīng)的相位誤差：（Δφ2-Δφ1）、（Δφ3-Δφ2）和（Δφ3-Δφ1）。 因 Δφ2事先已求得，便可以很容易解得Δφ1和Δφ3。從而可以修正非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在頻率為fc-fmod和fc+fmod上產(chǎn)生的相位誤差[6]。

2 ADS仿真結(jié)果

由前面的分析可知，為進行采用平方律檢波器進行精細頻率柵相位校準(zhǔn)試驗仿真，需要將調(diào)幅信號輸入平方律檢波器，測量平方律檢波器輸出低頻信號與調(diào)幅信號包絡(luò)間的相位差。其ADS仿真試驗電路，選用的微波平方律檢波器的型號為Agilent 8474E，主要技術(shù)指標(biāo)為：頻率范圍 0.01～50 GHz；最大工作輸入功率200 mW；頻率響應(yīng)為±0.3 dB（26.5 GHz）±1.0 dB（50 GHz）。

在仿真中首先保持調(diào)制頻率fmod不變，改變載波頻率fc，觀察不同的載波頻率對平方律檢波器的影響。

通過仿真可得到以下結(jié)論：當(dāng)改變調(diào)幅信號載波頻率時，平方律檢波器相頻特性將保持不變。

之后保持載波頻率fc不變，改變調(diào)制頻率fmod。觀察不同調(diào)制頻率對平方律檢波器的影響。

平方律檢波器輸出相頻特性受載波調(diào)制頻率影響較大。在載波頻率fcarry=1 GHz時，載波頻率范圍3 kHz～10 MHz內(nèi)檢波器輸出低頻信號與調(diào)制信號包絡(luò)間相位差隨調(diào)制頻率增加而增加。在fmod=10 MHz時，相位差Δφ=32.1°。這說明需要對平方律檢波器相頻特性進行校準(zhǔn)。

平方律檢波器輸出幅頻特性受調(diào)制頻率影響較大。在3 kHz～3 MHz內(nèi)其振幅衰減小于1 dB。當(dāng)調(diào)制頻率大于3 MHz，隨著調(diào)制頻率的增大，其振幅衰減極快。在調(diào)制頻率達到10MHz時，振幅衰減大于3.5 dB。這對于平方律檢波器信號檢波將造成影響。

綜上所述，在實際試驗過程中需要對平方律檢波器相頻特性受調(diào)制頻率影響進行校準(zhǔn)實驗，以獲得Agilent 8474E平方律檢波器的相頻特性。

3 實驗裝置及實驗結(jié)果

定義平方律晶體檢波器的相位傳遞函數(shù)為檢波后的調(diào)制輸出信號與調(diào)制輸入信號的相位差。為了表征其相位移傳遞函數(shù)特性，設(shè)計的實驗如圖3所示；圖4為平方律檢波器連接部位的放大圖；等效采樣示波器是寬帶的，且必須經(jīng)過NTN校準(zhǔn)，修正了其幅度和相位誤差。在實驗中，首先保持調(diào)制頻率（例如100 kHz）不變，按粗頻率柵的分布改變載波頻率，從1 GHz～40 GHz，在采樣示波器輸入1通道，利用最大函數(shù)法或標(biāo)準(zhǔn)偏差法，采集調(diào)幅信號的包絡(luò)（即調(diào)制信號），而在采樣示波器輸入2通道上，采集檢波后解調(diào)出的調(diào)制信號。通過數(shù)據(jù)處理，可求出平方律檢波器相位差傳遞函數(shù)。在實驗頻率范圍內(nèi)，觀察該相位差是否基本相同。圖5顯示了平方律檢波器的輸入、輸出信號。

圖3 平方律晶體檢波器的相位傳遞函數(shù)實驗裝置Fig.3 Square-law crystal detector of the phase transfer function of experimental program

圖4 平方律晶體檢波器Fig.4 Square-law crystal detector

圖5 平方律晶體檢波器的輸入信號及其包絡(luò)Fig.5 Input and the envelope signals of square-law crystal detector

載波頻率范圍為1 GHz～40 GHz，其相頻特性如圖6所示。

圖6 載波頻率1 GHz～40 GHz平方律檢波器相頻特性Fig.6 Phase in function of modulation frequency（1 GHz～40G Hz）

可以得出結(jié)論：平方律檢波器輸出和輸入調(diào)制信號間的相位差與載波頻率基本無關(guān)。這與仿真的結(jié)果也是相吻合的。這意味著粗頻率柵上校準(zhǔn)的相位能夠用來獲取精細頻率柵相位校準(zhǔn)。也可以說，經(jīng)過上述實驗后的平方律晶體檢波器可用作精細頻率柵相位參考標(biāo)準(zhǔn)。

為分析調(diào)幅信號中調(diào)制頻率fmod對平方律檢波器檢波器相頻特性和幅頻特性的影響。在實驗中，首先固定調(diào)幅信號載波頻率fc=1 GHz，然后調(diào)整其調(diào)制頻率fmod。表1給出了在載波頻率1 GHz，調(diào)制頻率為100 kHz～1 MHz時平方律檢波器的幅度及相位差?？梢钥闯?，隨著調(diào)制頻率的增大，相位偏差也增大。其相頻特性受調(diào)制頻率影響較大。

表1 不同調(diào)制頻率下的平方律檢波器幅度和相位Tab.1 Amplitude and phase in function of different modulation frequencies

這樣就對平方律檢波器進行了定標(biāo)，之后可以把平方律檢波器當(dāng)做一個相位參考對非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行相位校準(zhǔn)。使用中電科技集團41所研制的NVNA原型樣機進行的測試。得到的相位校準(zhǔn)結(jié)果如表2所示。

表2 NVNA校準(zhǔn)結(jié)果（fc=1 GHz）Tab.2 Calibration result of the NVNA（fc=1 GHz）

4 結(jié)語

本文詳細討論了在不同輸入信號條件下的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀NVNA精細頻率柵相位校準(zhǔn)試驗。對平方律檢波器進行了仿真。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)改變調(diào)制信號調(diào)制頻率時，平方律檢波器輸出低頻信號與調(diào)制信號包絡(luò)間相位差隨載波頻率增加而增加，需對其相位進行校準(zhǔn)。在3 kHz～3 MHz內(nèi)，振幅衰減小于1 dB，不會影響信號檢波。此相位校準(zhǔn)結(jié)果可作為平方律檢波器精細相位校準(zhǔn)結(jié)果，對NVNA精細頻率柵相位校準(zhǔn)試驗進行修正。

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