張 娜 馮麗穎 陳 婷 劉 杰 鄧姝沛 郝瑞芳

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039;2.河北省產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗研究院，河北石家莊 050200)

1 引 言

毫米波頻段具有寬帶、分辨力高、小型化等優(yōu)點。當前隨著5G、汽車雷達、安檢成像、深空探測等技術的發(fā)展，諸多毫米波領域的應用已日趨成熟，產(chǎn)品陸續(xù)面世。毫米波頻段已經(jīng)開始并將逐步受到各種應用領域的關注。

矢量網(wǎng)絡分析儀是現(xiàn)代電子測量領域應用最廣、使用量最大的測量儀器之一。隨著毫米波技術的發(fā)展，各微波廠商相繼推出毫米波寬帶網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)用于毫米波系統(tǒng)、組件或器件的散射(S)參數(shù)精確測試。毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)由網(wǎng)絡分析儀主機和擴頻模塊組成，它們通過射頻電纜(RF)、本振電纜(LO)、測試中頻電纜(Test IF)、參考中頻電纜(Ref IF)和供電線連接。毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)在校準和測試過程中經(jīng)常需要移動擴頻模塊，兩者之間的連接電纜組不可避免會發(fā)生移動[1]。本文首先分析了電纜移動對毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)S參數(shù)測量引入的影響，然后建立了毫米波網(wǎng)絡分析儀的電纜移動測量模型，依據(jù)信號流圖分析了移動電纜網(wǎng)絡參數(shù)誤差，并探討了由于電纜移動導致毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)傳輸幅度誤差和傳輸相位誤差的修正方法。

2 電纜移動對毫米波網(wǎng)絡分析儀S參數(shù)影響分析

2.1 毫米波網(wǎng)分簡介

毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)組成如圖1所示。擴頻控制器將網(wǎng)絡分析儀主機提供的RF、LO信號功分兩路給擴頻模塊，并將Ref IF和Test IF送至網(wǎng)絡分析儀主機進行處理。毫米波網(wǎng)絡分析儀主要測量兩端口網(wǎng)絡的S參數(shù)，即反射參數(shù)S11和S22、傳輸參數(shù)S21和S12。

圖1 毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)組成圖

2.2 反射參數(shù)影響分析

毫米波網(wǎng)絡分析儀反射參數(shù)測量信號流圖如圖2所示。反射參數(shù)S11為測試中頻1與參考中頻1的比值，反射參數(shù)S22為測試中頻2與參考中頻2的比值。以S11為例分析電纜移動引入的影響。

圖2 毫米波網(wǎng)分反射參數(shù)測量示意圖

假設毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)射頻信號RF為A1ej(2πfRFt+φ1)，本振信號LO為A2ej(2πfLOt+φ2)，分別經(jīng)過M、N次倍頻后信號為ARFej(2πMfRFt+φRF)、ALOej(2πNfLOt+φLO)，由信號流圖可知S11為

=Γej(φ)

(1)

式中：Γej(φ)——被測件的反射系數(shù)。

由上述分析可知，S11測量時RF信號和LO信號屬于共模分量，可以抵消。因此RF和LO電纜移動對毫米波網(wǎng)絡分析儀S11測量影響甚微。同理得到電纜移動對S22影響較小[2]。

2.3 傳輸參數(shù)影響分析

毫米波網(wǎng)絡分析儀傳輸測量信號流圖如圖3所示。傳輸參數(shù)S21為測試中頻2與參考中頻1的比值，傳輸參數(shù)S12為測試中頻1與參考中頻2的比值。以S21為例分析電纜移動引入的影響。

圖3 毫米波網(wǎng)分傳輸參數(shù)測量示意圖

假設毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)射頻信號RF為A1ej(2πfRFt+φ1)，本振信號LO1為A2ej(2πfLOt+φ2)，LO2為A3ej(2πfLOt+φ3)，分別經(jīng)過M、N次倍頻后信號為ARFej(2πMfRFt+φRF)、ALO1ej(2πNfLOt+φLO1)、ALO2ej(2πNfLOt+φLO2)。

由信號流圖可知S21為

(2)

式中：Tej(φT)——被測件的傳輸系數(shù)。

由上述分析可知，S21測量時RF信號屬于共模分量，可以抵消。但是LO1信號和LO2信號變化量不能相互抵消，將對毫米波網(wǎng)絡分析儀S21測量引入誤差。相同結論適用于S12。

3 毫米波網(wǎng)分電纜移動測量模型

本振電纜移動是影響毫米波網(wǎng)絡分析儀傳輸參數(shù)測量的主要因素。LO電纜移動引起的主要誤差[3]包括：1)電纜在運動過程中由于彎曲扭曲的反射變化；2)源失配；3)擴頻模塊連接端口失配。LO電纜移動系統(tǒng)可認為由運動長電纜、終端擴頻模塊及終端負載組成，信號流圖如圖4所示，其中網(wǎng)絡A表示運動長電纜的S參數(shù)，是變化的，互易的；網(wǎng)絡B表示運動長電纜與擴頻模塊之間的連接，S參數(shù)不變，Zl表示擴頻模塊后端接的負載。

圖4 本振電纜移動系統(tǒng)信號流圖

為了獲取LO電纜移動時其電參數(shù)的變化量，本文構建測試系統(tǒng)如圖5所示。網(wǎng)絡分析儀主機輸出LO信號，經(jīng)定向耦合器1直通臂與擴頻模塊連接，兩個耦合臂分別連接網(wǎng)絡分析儀1的R1通道和A通道，則A/R1反映了LO1電纜移動的變化。同理采用網(wǎng)絡分析儀1和定向耦合器2可測得LO2電纜移動的變化量。

圖5 LO電纜移動測試系統(tǒng)連接圖

4 LO電纜散射參數(shù)變化量獲取

4.1 反射參數(shù)變化量

LO電纜移動后，從電纜端口看入的反射參數(shù)變化主要由電纜移動、失配等因素引入的，基于圖4可將LO電纜反射參數(shù)測量信號流圖簡化如圖6所示。

圖6 反射參數(shù)信號流圖

從LO電纜端口看入的反射系數(shù)為

Γ=S11a

(3)

式(3)中，第二項用?！浔硎?，表示除第一個反射點之外的反射信號。分子表示從網(wǎng)絡B(即LO電纜與擴頻模塊連接網(wǎng)絡)的一次反射，用?！鋚表示。網(wǎng)絡B的S參數(shù)不隨LO長電纜移動而改變，即[S11b(1-S22bΓl)+S21bS12bΓl]模值和相位不變，記為|B|和φB。分母用?！鋛表示，則?！淠Ｖ岛拖辔粸?/p>

(4)

φ?！?(φ21a+φ12a+φB)-φ′q=φ′p-φ′q

(5)

式中：φ?！洹！涞南辔沪铡銹——?！銹的相位；φ′q——?！鋛的相位；φ21a——S21a的相位；φ12a——S12a的相位。

?！淠Ｖ底兓亢拖辔蛔兓繛?/p>

=Δ|Γ′p|dB-Δ?！鋛(dB)

(6)

ΔφΓ′=Δφ21a+Δφ12a-Δφ′q=Δφ′p-Δφ′q

(7)

式中：Δφ?！洹说谝环瓷浞逯馄渌蟹瓷浞宓南辔蛔兓沪う铡鋚——網(wǎng)絡B反射相位變化。

4.2 傳輸參數(shù)變化量

LO電纜移動后，運動長電纜傳輸參數(shù)測量信號流圖可以簡化如圖7所示。

圖7 傳輸參數(shù)信號流圖

LO電纜傳輸系數(shù)T為

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(8)

網(wǎng)絡B的S參數(shù)不隨運動長電纜的移動而改變，即[S21b(1-ΓlS22b)]模值和相位不變，記為|C|和φC。則T模值和相位為

(9)

φT=(φ21a+φC)-φ′q

(10)

則LO電纜傳輸系數(shù)T模值變化量和相位變化量為

Δ|T|dB=Δ|S21a|dB-ΔΓ′q(dB)

(11)

ΔφT=Δφ21a-Δφ′q

(12)

網(wǎng)絡A(運動長電纜網(wǎng)絡)互易，可知

Δ|T|dB=Δ|S21a|dB-Δ?！鋛(dB)

(13)

將式(6)代入式(13)可得

(14)

同理可以推得

(15)

5 毫米波網(wǎng)分傳輸參數(shù)修正及實驗

采用美國keysight N5225B網(wǎng)絡分析儀和美國OML V10VNA2-T/R-N5260A 3mm擴頻模塊組成3mm網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)。采用Keysight N5225A網(wǎng)絡分析儀、11645B定向耦合器組建LO電纜移動測量系統(tǒng)[4]。兩臺網(wǎng)分工作在外觸發(fā)模式(Channel1、點觸發(fā)、上升沿有效)，3mm網(wǎng)絡分析儀頻率為(75～110)GHz，點數(shù)201，網(wǎng)分N5225A頻率為本振信號頻率(9.375～13.75)GHz，點數(shù)201。兩臺網(wǎng)分共時基。網(wǎng)分N5225A采用A和R接收機比值測量模式，中頻帶寬大于1MHz，避免出現(xiàn)接收不到或僅接收部分測試信號的情況。信號發(fā)生器(Pulse Vedio)功分兩路為兩臺網(wǎng)分(MEAS Trigger In)提供外觸發(fā)信號。

連接系統(tǒng)如圖8所示，N5225A選擇S11，在定向耦合器輸出端完成網(wǎng)分(N5225A)單端口校準；連接定向耦合器輸出端和擴頻模塊LO端；執(zhí)行3mm網(wǎng)絡分析儀校準；連接被測；采用網(wǎng)分(N5225A)和3mm網(wǎng)絡分析儀分別測量LO電纜移動前后的和被測S21[5-8]。

圖8 LO電纜移動測量系統(tǒng)連接圖

被測件為20dB衰減器和直通的實驗結果如圖9所示。LO采用3m穩(wěn)相電纜連接。LO電纜移動前后，直通S21幅度分別為(-0.02～+0.01)dB和(-0.01～+0.02)dB，20dB衰減器分別為(-21.04～-20.22)dB和(-21.03～-20.21)dB，電纜移動前后幅度變化很小，因此本文不對S21幅度做修正。LO電纜移動前后，直通S21相位變化量為7.05°～10.42°，20dB衰減器相位變化量為7.53°～11.31°，本文對S21相位進行修正，修正后最大誤差約為1°。

6 結束語

毫米波網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)測試時，連接電纜不可避免會發(fā)生移動。本文基于定向耦合器和網(wǎng)絡分析儀構建測量系統(tǒng)，提出了一種LO電纜移動對毫米波網(wǎng)絡分析儀傳輸參數(shù)產(chǎn)生誤差的修正方法。并在實驗室環(huán)境下采用毫米波網(wǎng)絡分析儀封閉系統(tǒng)進行了實驗。在很多毫米波網(wǎng)絡分析儀開放式系統(tǒng)中，LO電纜很長，由此引入的毫米波網(wǎng)絡分析儀傳輸相位將會有更大誤差，采用本方法可以有效提高S21傳輸相位的測量準確度。