一、簡介
目前，市場對(duì)元器件和模塊的要求正變得越來越高，迫使廠商不斷改進(jìn)這些產(chǎn)品。在無線通信行業(yè)中，蜂窩手機(jī)的設(shè)計(jì)者和制造商都期望能有一些體積更小、價(jià)格更便宜且支持多頻段的元器件，以滿足終端用戶不斷增長的需求。在一個(gè)器件中集成的功能越來越多，誕生了具有組.合功能的多端口器件，因此也使得全面的多端口表征變得越來越重要。盡管多端口設(shè)備的測量參數(shù)不斷增多,但許多制造商都在想方設(shè)法縮短總體測試時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)分析方面，提高生產(chǎn)吞吐量的-種方法就是縮短連接被測件(DUT)所用的時(shí)間，而專]設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)分析儀配合工作的多端口測試儀可以有效地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。當(dāng)測試那些與蜂窩手機(jī)內(nèi)部功率放大器相連的器件時(shí),不僅需要進(jìn)行非線性表征(例如測量向被測件輸入高功率信號(hào)時(shí)的諧波失真),還需要進(jìn)行S參數(shù)測量(通常是在小信號(hào)條件下執(zhí)行)。出于功率處理能方面的考慮，我們建議將多端口測試儀和外部機(jī)電(EM)開關(guān)結(jié)合使用，從而更經(jīng)濟(jì)高效和更快地進(jìn)行測試。本應(yīng)用指南將簡要介紹如何擴(kuò)展E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行多端口測量的能力,而后詳細(xì)說明如何通過單-連接來進(jìn)行高功率和低功率信號(hào)測量。
二、多端口網(wǎng)絡(luò)分析解決方案
圖1顯示了一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò)分析解決方案的示例，另外還顯示了Agilent E5091A測試儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。Agilent E5091A開關(guān)多端口測試儀專為與ENA網(wǎng)絡(luò)分析儀協(xié)同工作而設(shè)計(jì)。4端口ENA發(fā)送的信號(hào)通過測試儀的內(nèi)部開關(guān)變換路徑,用于表征多端口設(shè)備。ENA上的固化軟件可控制Agilent E5091A測試儀，并通過兩者之間的USB連接進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)高速測量。E5091A 有兩種不同的選件:選件009 (左側(cè)的9端口配置)和選件016 (右側(cè)的13或16端口配置)。
圖1. E5091A多端口測試儀的結(jié)構(gòu)圖(左側(cè)為選件009,右側(cè)為選件016)
E5091A的體系結(jié)構(gòu)由多個(gè)SPDT (單刀雙擲;一個(gè)輸入，兩個(gè)輸出)開關(guān)構(gòu)成。使用ENA的功能鍵可以接通和斷開這些內(nèi)部SPDT開關(guān)，將ENA發(fā)送的射頻信號(hào)傳送到多端口被測件(DUT) 的每個(gè)端口上。由于固態(tài)開關(guān)內(nèi)置在測試儀中，因此與采用其他技術(shù)的開關(guān)相比，SPDT開關(guān)的切換時(shí)間可降至短，從而實(shí)現(xiàn)快速測量?？紤]到ENA執(zhí)行頻率掃描的等待時(shí)間，這還可以高度優(yōu)化測試儀中的開關(guān)切換時(shí)間，從而顯著縮短總體測量序列中的額外時(shí)間。這對(duì)使用自動(dòng)測試系統(tǒng)(ATE)進(jìn)行批量生產(chǎn)的制造商顯然非常重要,因?yàn)闇y量速度是一個(gè)重要的參數(shù)，而測量的高吞吐量對(duì)總體測試成本有極大的影響。
盡管采用E5091A可以顯著提高測量速度,但是測試儀的某些應(yīng)用還是會(huì)受到影響。例如，由于固化開關(guān)解決方案在損壞電平技術(shù)指標(biāo)上有限制，它不能進(jìn)行高功率測量。內(nèi)部固態(tài)開關(guān)將測試儀的大損壞電平限制為大約+20 dBm,但如果是表征GSM手機(jī)中的元器件，這個(gè)值是不夠用的。為了提高效率，該應(yīng)用中所使用的放大器通常是在非線性區(qū)域內(nèi)工作;在某些情況下，該應(yīng)用還需要進(jìn)行+30 dBm (=1 W)以上的高功率測量。
為了避免外部條件產(chǎn)生電應(yīng)以及測試儀內(nèi)部元器件出現(xiàn)硬件故障,工程師現(xiàn)在可以使用外部EM開關(guān)擴(kuò)展E5091A的功能。以下部分將會(huì)詳細(xì)討論其應(yīng)用示例，并重點(diǎn)說明這種靈活配置的主要優(yōu)勢，并詳細(xì)介紹如何選擇測試標(biāo)準(zhǔn)。EM開關(guān)可擴(kuò)展E5091A的功能，因?yàn)樗鼈兊氖д嫣匦员裙虘B(tài)開關(guān)更高。安捷倫為各種必要的應(yīng)用提供高性能同軸開關(guān)，這些開關(guān)使用壽命更長，且具有保證0.03 dB插入損耗的可重復(fù)性和可靠性，能夠讓大多數(shù)開關(guān)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高性能。
通過使用各種專用開關(guān)，可以優(yōu)化測量系統(tǒng)的性能。在下面的測量應(yīng)用示例中，我們推薦了一種SPDT和單刀四擲(SP4T) 多端口EM開關(guān)的組合。安捷倫提供了大量可供選擇的開關(guān)，您可以靈活地進(jìn)行配置,以便用于不同應(yīng)用和滿足各種需求。我們推薦使用Agilent N1810TL作為SPDT開關(guān),它可以把來自一個(gè)輸入路徑的信號(hào)傳送給兩個(gè)輸出路徑，此外還可以提供出色的插入損耗(0.03 dB)和隔離度(>60 dB)。至于具有一個(gè)輸入路徑和四個(gè)輸出路徑的SP4T，用戶可以選擇Agilent87104A或L7104A。由于87104A能夠保證0.03 dB的可重復(fù)性，確保在500萬次切換的整個(gè)使用壽命中(典型值為1000萬次)都保持高精度并減少校準(zhǔn)次數(shù)，所以更適合大規(guī)模制造領(lǐng)域。出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，安捷倫還提供了L7104A。它是一款價(jià)格較為經(jīng)濟(jì)的高性能SP4T,能夠保證0.03dB的可重復(fù)性，因而可在200萬次切換的整個(gè)使用壽命中(典型值為500萬次)保持高精度并減少校準(zhǔn)次數(shù)。下節(jié)將討論測量的設(shè)置步驟，然后對(duì)設(shè)置中的每個(gè)元器件進(jìn)行詳細(xì)說明，以使您更好地了解如何發(fā)揮AgilentE5071CENA射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀的潛力。
三、驅(qū)動(dòng)機(jī)電開關(guān)：Agilent 11713系列衰減器/開關(guān)驅(qū)動(dòng)器
要驅(qū)動(dòng)機(jī)電開關(guān)，必須有-個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器提供必需的直流電壓。在網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量掃描之前，必須對(duì)開關(guān)進(jìn)行設(shè)置,以獲得準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量結(jié)果。
Agilent 11713C衰減器/開關(guān)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)SPDT開關(guān)，支持的開關(guān)類型從SPDT- .直到單刀六擲(SP6T)多端口開關(guān)。它有5 V.15 V和24 V三種電壓可供選擇，而且還支持用戶定義的電壓。
圖2顯示了ENA和11713B/C的配置。兩臺(tái)儀器之間通過USB/GPIB接口(即Agilent 82357B)相連，以便從ENA進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。連接時(shí)，ENA-端使用USB連接器，另-端的11713B/C使用GPIB連接器。在這個(gè)設(shè)置中，可以將ENA用作系統(tǒng)控制器，通過11713B/C控制外部開關(guān)。11713B/C提供了9種能夠輕松連接儀器和開關(guān)的電纜選件，因此可以非常容易地建立從驅(qū)動(dòng)器到開關(guān)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。對(duì)于本解決方案中推薦的Agilent N1810TL SPDT,可以使用電纜選件201 (Viking 連接器，12針裸線導(dǎo)體電纜)和選件501 (Viking 連接器，4個(gè)9針DSUB連接器)。另一方面，可以使用電纜選件201和選件601 (Viking 連接器，16 針DIP連接器)將87104A或L7104A與驅(qū)動(dòng)器連接。更多信息請參見11713B/C配置指南，5989-7277EN。
圖2. ENA和11713B/C的連接
注意，E5091A多端口測試儀自帶內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路，可以通過前面板上的D-sub 15針連接器提供直流電壓(見圖3)。這個(gè)電路原本用于控制被測件，例如蜂窩手機(jī)中的天線開關(guān)模塊，但它也能驅(qū)動(dòng)符合測試儀硬件技術(shù)規(guī)范的其他器件。正信號(hào)時(shí)的輸出直流電壓范圍為0至+5 V;反信號(hào)時(shí)為-5V至0 V。大電源電流限制在50 mA以下。
圖3.用于控制E5091A .上的電壓的D-sub 15針連接器
四、軟件連通性
進(jìn)行多端口測量時(shí)，需要將許多測量參數(shù)輸入到測試儀器中。這可能要耗費(fèi)大量時(shí)間，有時(shí)測試的準(zhǔn)備過程和校準(zhǔn)過程比實(shí)際測量所用的時(shí)間還要長。因此，設(shè)置軟件對(duì)于縮短多端口測量的時(shí)間至關(guān)重要。
ENA 帶有一個(gè)測量向?qū)е?MWA)軟件選件(E5071C-790)， 能夠?yàn)樗羞M(jìn)行多端口測量的操作人員提供重要幫助。圖4顯示了MWA的總體概念。軟件由兩個(gè)主要應(yīng)用程序組成一前 端程序和后端程序。前端應(yīng)用程序在Microsoft Excel.上運(yùn)行，能夠生成-一個(gè)設(shè)置文件，其中包括網(wǎng)絡(luò)分析的所有參數(shù)(例如功率電平、頻率范圍、IFBW 或點(diǎn)數(shù))。
一旦通過Excel形式的用戶界面輸入了前端應(yīng)用程序所必需的參數(shù)，就不用再通過ENA.上的功能鍵進(jìn)行輸入。這樣將會(huì)大限度地減少累人的操作，極大地提高測試效率。
ENA上的Microsoft VBA軟件的后端應(yīng)用程序會(huì)調(diào)用已生成的設(shè)置文件(.mwa),并在ENA中自動(dòng)設(shè)置所包含的全部參數(shù)。該后端應(yīng)用程序也有校準(zhǔn)向?qū)Чδ?，可在使用多端口測試儀時(shí)提供校準(zhǔn)程序。這個(gè)向?qū)Чδ苓€可將校準(zhǔn)過程中需要的連接數(shù)減少,消除校準(zhǔn)過程中可能出現(xiàn)的連接錯(cuò)誤。
圖4. MWA概念
圖5顯示了前端應(yīng)用程序中的一個(gè)“GPIB"工作表示例，用戶進(jìn)行多端口測量時(shí)可使用這個(gè)工作表在ENA和外部儀器之間進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
圖5. MWA的“GPIB" 工作表，用于通過驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)
如前所述，當(dāng)ENA通過USB/GPIB接口與外圍設(shè)備連接時(shí)，它可以作為測試系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制器，使用選定的GPIB地址向外圍設(shè)備發(fā)送GPIB命令。在測試程序中，通過發(fā)送命令來打開和關(guān)閉開關(guān)，可以讓11713C開關(guān)驅(qū)動(dòng)器選中MWA前端應(yīng)用程序所定義的開關(guān)端口。
