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Accexp代理的R&S汽車防撞雷達(dá)測(cè)試方案
2016-11-08
1 引言
隨著中國(guó)公路通車?yán)锍毯推嚤Ｓ辛慷嗄陙?lái)持續(xù)的大幅增長(zhǎng)，駕駛員對(duì)交通安全的需求也在不斷提升，如何提高汽車的安全性已成為汽車行業(yè)的重要任務(wù)和巨大挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)安全便捷地出行，車載雷達(dá)等安全輔助技術(shù)也得到廣泛關(guān)注。
隨著中國(guó)公路通車?yán)锍毯推嚤Ｓ辛慷嗄陙?lái)持續(xù)的大幅增長(zhǎng)，駕駛員對(duì)交通安全的需求也在不斷提升，如何提高汽車的安全性已成為汽車行業(yè)的重要任務(wù)和巨大挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)安全便捷地出行，車載雷達(dá)等安全輔助技術(shù)也得到廣泛關(guān)注。
智能化的汽車不可或缺的便是對(duì)周邊物體的感知。在智能化的汽車上可多達(dá)數(shù)十種雷達(dá)。國(guó)際上采用的車載防撞雷達(dá)主要有SRR(短距離雷達(dá)) 和LRR (長(zhǎng)距離雷達(dá))。短距離雷達(dá)有效作用距離15 m~30 m，適用于低速近距離防撞；長(zhǎng)距離雷達(dá)有效距離100~250 m，適用于遠(yuǎn)距離防撞。目前，在20 GHz以下很難實(shí)現(xiàn)波束成形，而由于大氣衰減和技術(shù)限制，100 GHz以上也很少使用。因此防撞雷達(dá)主要分配24 - 29 / 60 - 61 /77 - 81 GHz這幾個(gè)頻段。長(zhǎng)距離雷達(dá)主要采用77GHz頻段。
近期在日內(nèi)瓦召開(kāi)了2015世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC-15)，各國(guó)討論決定，將77.5GHz～78GHz頻段劃分給無(wú)線電定位業(yè)務(wù)，以支持短距離、高分辨率車載雷達(dá)的發(fā)展。該頻帶車載雷達(dá)帶寬更大、分辨率更高、抗干擾能力更強(qiáng)，且設(shè)備體積更小，更便于在車輛上安裝和部署。
圖2. 典型的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
SMW200A單機(jī)最高頻率可達(dá)40GHz，也可配置為31.8 GHz、20GHz、12.75GHz等版本。對(duì)40GHz配置，主機(jī)即可覆蓋24.5GHz及37GHz頻段的應(yīng)用。對(duì)于77GHzFMCW信號(hào)的產(chǎn)生，需要借助于外部倍頻器模塊SMZ90，其工作頻率范圍為60GHz ～90GHz，倍頻系數(shù)為6。SMZ90對(duì)載波進(jìn)行倍頻的同時(shí)，也對(duì)信號(hào)帶寬進(jìn)行了倍頻，因此可以輸出更寬的寬帶信號(hào)(最大帶寬160×6=960MHz)。
圖1. 汽車防撞系統(tǒng)示意圖
汽車防撞雷達(dá)的原理包括調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)、CW多普勒雷達(dá)等方式，線性FMCW(frequency modulation continuous wave) 雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較適宜測(cè)量近距離目標(biāo)，故作為目前車用防撞雷達(dá)的普遍選擇方式。
雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)包括距離分辨率、徑向速度分辨率，以及雷達(dá)探測(cè)距離和徑向速度的精度等。對(duì)于FMCW雷達(dá)，其帶寬決定了距離分辨率，相關(guān)處理時(shí)間CPI (coherentprocessing interval) 決定了徑向速度分辨率。而距離和徑向速度探測(cè)精度則主要由雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比決定。實(shí)際上，F(xiàn)MCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量在一定程度上對(duì)雷達(dá)探測(cè)精度也有很大影響，其中一個(gè)比較關(guān)鍵的因素就是調(diào)頻線性度。
圖2是一個(gè)典型汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含的部件包括VCO、倍頻器、放大器、開(kāi)關(guān)模塊、混頻器及天線等，這些部件性能的優(yōu)劣直接影響了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。因此，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，需要對(duì)各部件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，包括本振的相位噪聲、收發(fā)鏈路的頻率響應(yīng)及雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量等，以確保雷達(dá)系統(tǒng)的總體性能。
憑借優(yōu)異的性能和豐富的測(cè)試功能，羅德與施瓦茨公司的微波矢量源、信號(hào)與頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可完美地完成以上參數(shù)的測(cè)試，是滿足汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)檢等測(cè)試需求的理想選擇
圖2. 典型的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2寬帶調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)信號(hào)產(chǎn)生
對(duì)于寬帶FMCW雷達(dá)接收機(jī)性能的驗(yàn)證和評(píng)估，需要模擬寬帶FMCW信號(hào)。羅德與施瓦茨公司的高端微波矢量信號(hào)源 SMW200A，憑借極優(yōu)異的相噪特性、幅度平坦響應(yīng)、支持160MHz射頻帶寬的內(nèi)部基帶源及2GHz外調(diào)制帶寬，使其成為系統(tǒng)測(cè)試FMCW雷達(dá)接收機(jī)的理想工具。
圖3. R&S SMW200A高端微波矢量信號(hào)源
圖3. R&S SMW200A高端微波矢量信號(hào)源
R&S SMW200A是一款高端的、為滿足最苛刻應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的微波矢量信號(hào)源。憑借其優(yōu)異的靈活性、射頻性能和操作直觀性，使其成為生成高質(zhì)量復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)的完美工具。SMW200A是新型寬帶通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、無(wú)線與移動(dòng)通信系統(tǒng)理想的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。最高160 MHz的I/Q內(nèi)調(diào)制帶寬（需配置選件）和2GHz的外調(diào)制帶寬，可滿足航空航天和國(guó)防以及汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用。它的模塊化可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，使用戶能夠靈活的選擇配置以適應(yīng)他們的應(yīng)用，以及根據(jù)需要升級(jí)各種選件。獨(dú)特的衰落功能可以模擬各種復(fù)雜無(wú)線通信場(chǎng)景的信道情況，是信號(hào)場(chǎng)景模擬的最佳工具。
圖4. 采用R&SSMW200A內(nèi)部基帶源時(shí)，內(nèi)部I/Q調(diào)制器的頻率響應(yīng)
圖4. 采用R&SSMW200A內(nèi)部基帶源時(shí)，內(nèi)部I/Q調(diào)制器的頻率響應(yīng)
圖5. 77GHz FMCW信號(hào)產(chǎn)生方案：SMW200A+ SMZ90
圖6. 77GHz FMCW信號(hào)產(chǎn)生方案結(jié)構(gòu)示意圖
調(diào)頻連續(xù)波FMCW信號(hào)波形文件的制作，可以使用羅德與施瓦茨公司的K300脈沖序列軟件，也可以使用Matlab等其它工具制作波形文件。R&SK300脈沖序列軟件是一款功能非常強(qiáng)大的脈沖波形文件制作工具，可以非常方便地制作單、雙脈沖、chirp pulse、barker pulse及FMCW信號(hào)的波形文件。
圖7. 采用R&S K300脈沖序列軟件制作FMCW信號(hào)
對(duì)于FMCW雷達(dá)接收機(jī)的測(cè)試，需要專門的信號(hào)源提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FMCW信號(hào)——該信號(hào)用于模擬雷達(dá)回波信號(hào)，圖8是77GHz FMCW雷達(dá)接收機(jī)測(cè)試連接示意圖，波導(dǎo)端口輸出的寬帶FMCW信號(hào)直接饋入待測(cè)接收機(jī)。雷達(dá)接收機(jī)對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的寬帶FMCW信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及下變頻至中頻后，再作進(jìn)一步分析。如果接收機(jī)的性能不好，比如本振信號(hào)頻率穩(wěn)定度較差(典型指標(biāo)為相位噪聲)，那么將惡化距離和徑向速度的測(cè)量精度。為了準(zhǔn)確評(píng)估FMCW雷達(dá)接收機(jī)的性能，需要使用一臺(tái)能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)FMCW信號(hào)的信號(hào)源。
圖8.77GHz FMCW雷達(dá)接收機(jī)測(cè)試連接示意圖
圖8.77GHz FMCW雷達(dá)接收機(jī)測(cè)試連接示意圖
憑借優(yōu)異的射頻性能，諸如高輸出功率、極低相位噪聲、極優(yōu)異的幅度平坦響應(yīng)以及支持160MHz射頻帶寬的內(nèi)部基帶源等，R&S SMW200A是測(cè)試汽車防撞雷達(dá)接收機(jī)的理想選擇。
3寬帶調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)信號(hào)分析
羅德與施瓦茨公司提供全面的雷達(dá)信號(hào)分析方案，包括頻譜/信號(hào)分析儀、實(shí)時(shí)頻譜儀、功率計(jì)、軟件和附件等，可以對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行脈沖參數(shù)、信號(hào)頻譜、脈內(nèi)和脈間調(diào)制、瞬態(tài)特性等方面進(jìn)行分析，具有頻率范圍大、寬帶、功能集成度高等優(yōu)點(diǎn)。
R&S FSW是一款高端的信號(hào)與頻譜分析儀，具有非常優(yōu)異的射頻性能和豐富的測(cè)試功能，可以滿足苛刻的用戶要求。對(duì)于航空航天與國(guó)防(A&D)及汽車電子領(lǐng)域的用戶，以及未來(lái)寬帶通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員，F(xiàn)SW具有足夠多的優(yōu)勢(shì)使其成為滿足測(cè)試和測(cè)量要求的最佳解決方案。例如，F(xiàn)SW憑借其在信號(hào)與頻譜分析儀中無(wú)與倫比的相位噪聲指標(biāo)，使得對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中振蕩器的開(kāi)發(fā)更有信心。
R&SFSW 單機(jī)具有500MHz的分析帶寬，借助于R&S RTO寬帶示波器，可將分析帶寬擴(kuò)展至2GHz，配合專為線性調(diào)頻雷達(dá)設(shè)計(jì)的K60C 選件，可以一鍵測(cè)試駐留時(shí)間、頻率偏差、線性度、脈壓系數(shù)等指標(biāo)，可以清晰顯示每一個(gè)Chirp 信號(hào)的起始時(shí)間、CPI 等重要參數(shù)。
FSW還支持自動(dòng)相噪測(cè)試，并且可以抑制相位噪聲中疊加的AM噪聲，從而測(cè)試比較純凈的相位噪聲。FSW本身具有非常優(yōu)異的相位噪聲測(cè)試靈敏度，其相噪特性如圖10所示，在載波1GHz處，頻偏10kHz的相噪可以達(dá)到-138dBc/Hz。
圖9. R&S FSW信號(hào)與頻譜分析儀
圖10. R&S FSW的相位噪聲性能
圖14. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)試連接示意圖
圖15. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)分析結(jié)果
如果要詳細(xì)測(cè)試線性調(diào)頻率(Chirp rate)，則可以直接調(diào)出RegionChirp Rate Time Domain，如圖16所示，可以觀察到特定分析區(qū)域內(nèi)線性調(diào)頻率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)
圖16. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的chirprate分析結(jié)果
圖17. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻線性度分析結(jié)果
FSW43主機(jī)工作頻率范圍可達(dá)43.5GHz，可以覆蓋目前在研的24.5GHz及38GHz頻段的產(chǎn)品測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)77GHzFMCW信號(hào)的測(cè)試，則需要外部諧波混頻器FS-Z90。測(cè)試77GHz信號(hào)時(shí)，信號(hào)不再饋入FSW的射頻端口，而是直接饋入諧波混頻器FS-Z90的波導(dǎo)端口。FS-Z90工作所需要的本振信號(hào)由FSW提供，其中頻輸出信號(hào)則饋入FSW的IF Input接口，從而對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步分析。雖然借助于外部諧波混頻器FS-Z90，但在60GHz～90GHz頻率范圍內(nèi)依然支持寬帶FMCW信號(hào)分析及相位噪聲測(cè)試，符合目前在研及未來(lái)產(chǎn)品的測(cè)試需求。
圖11. 77GHz FMCW信號(hào)分析方案：FSW43+ FS-Z90
圖11. 77GHz FMCW信號(hào)分析方案：FSW43+ FS-Z90
FSW-K60C是專門為FMCW雷達(dá)信號(hào)分析而開(kāi)發(fā)的功能，其可以分析的參數(shù)非常全面，其中包括：RF power vs time、chirp rate vs time、chirp begin/length (CPI)、chirp rate、frequencydeviation (線性度)及信號(hào)功率等，如圖12所示。FSW-K60C也支持以列表的形式顯示每一個(gè)參數(shù)，而且可以作相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，以便于觀察某個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。
對(duì)FMCW信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，K60C將按照設(shè)置的捕獲帶寬、記錄時(shí)間等進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲，但具體分析時(shí)，K60C向客戶提供了一個(gè)Analysis Region(AR)，用戶可以通過(guò)相應(yīng)的設(shè)置對(duì)感興趣的頻段和時(shí)段作相應(yīng)的分析，如圖13所示。此外，K60C也支持單獨(dú)對(duì)其中一個(gè)chirp進(jìn)行分析，所以應(yīng)用非常靈活。
圖12. K60C模式中ChirpResults支持的測(cè)試參數(shù)
圖12. K60C模式中ChirpResults支持的測(cè)試參數(shù)
圖13. K60C模式中數(shù)據(jù)捕獲和分析設(shè)置界面：允許用戶對(duì)相應(yīng)頻段和時(shí)段進(jìn)行選擇分析
圖14給出了77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)試的連接示意圖，假設(shè)雷達(dá)信號(hào)帶寬為480MHz，chirp length (CPI)為1ms。對(duì)于這樣一個(gè)寬帶信號(hào)，F(xiàn)SW單獨(dú)便可以完成信號(hào)分析，因?yàn)镕SW單機(jī)支持的最大分析帶寬為500MHz。進(jìn)入K60C模式后，只需要設(shè)置信號(hào)中心頻率及合適的分析帶寬，即可得到相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，如圖15所示，包括分析帶寬內(nèi)的射頻頻譜及瀑布圖(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析區(qū)域內(nèi)的頻率隨時(shí)間的變化(Region FM Time Domain)、特定chirp內(nèi)的頻率線性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表顯示結(jié)果(Chirp Results)。
圖14給出了77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)試的連接示意圖，假設(shè)雷達(dá)信號(hào)帶寬為480MHz，chirp length (CPI)為1ms。對(duì)于這樣一個(gè)寬帶信號(hào)，F(xiàn)SW單獨(dú)便可以完成信號(hào)分析，因?yàn)镕SW單機(jī)支持的最大分析帶寬為500MHz。進(jìn)入K60C模式后，只需要設(shè)置信號(hào)中心頻率及合適的分析帶寬，即可得到相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，如圖15所示，包括分析帶寬內(nèi)的射頻頻譜及瀑布圖(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析區(qū)域內(nèi)的頻率隨時(shí)間的變化(Region FM Time Domain)、特定chirp內(nèi)的頻率線性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表顯示結(jié)果(Chirp Results)。
圖14. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)試連接示意圖
圖15. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)分析結(jié)果
如果要詳細(xì)測(cè)試線性調(diào)頻率(Chirp rate)，則可以直接調(diào)出RegionChirp Rate Time Domain，如圖16所示，可以觀察到特定分析區(qū)域內(nèi)線性調(diào)頻率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)
圖16. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的chirprate分析結(jié)果
圖17. 77GHz FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻線性度分析結(jié)果
調(diào)頻線性度是FMCW信號(hào)的一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，該指標(biāo)可以通過(guò)瞬時(shí)頻率偏離其理想線性值的偏移量來(lái)評(píng)估。頻率偏移越小，則表示線性度越好。FSW-K60C模式中，可以直接調(diào)出Frequency DeviationTime Domain，觀察頻率偏移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖17所示。同時(shí)，Chirp Results也給出了Freq.Dev. Peak/RMS/Avg.值，即頻率偏離線性值的最大值、均方根值和平均值。由圖17可以看出，在down-chirp與up-chirp的臨界點(diǎn)處，頻率偏移測(cè)試曲線存在尖峰值，如紅色標(biāo)記所示。
圖18. 單個(gè)chirp的調(diào)頻線性度分析結(jié)果
圖18. 單個(gè)chirp的調(diào)頻線性度分析結(jié)果
圖19. 單個(gè)chirp的調(diào)頻線性度分析結(jié)果(采用FMLPF抑制噪聲)
為了更加詳盡地測(cè)試調(diào)頻線性度，可以選擇一個(gè)特定的chirp，圖18給出了第一個(gè)chirp(down-chirp)的頻率偏移測(cè)試結(jié)果，在末端存在兩個(gè)比較大的尖峰值。同時(shí)，頻率偏移測(cè)試跡線有很大的噪聲，這將影響最終測(cè)試結(jié)果。為了進(jìn)一步提高測(cè)試精度，K60C提供了一個(gè)專門消除噪聲的視頻濾波器，可提供0.1%、1%、5%、10%、25%多檔相對(duì)帶寬，以適應(yīng)不同的測(cè)試場(chǎng)合。圖19給出了當(dāng)相對(duì)帶寬為1%時(shí)的頻率偏移測(cè)試結(jié)果，跡線噪聲減少了許多，對(duì)比圖18和圖19的測(cè)試結(jié)果將會(huì)發(fā)現(xiàn)，后者的頻率偏移測(cè)試結(jié)果更小，這正是濾除了寬帶噪聲帶來(lái)的影響的緣故。
以上是信號(hào)帶寬小于500MHz時(shí)的測(cè)試分析，對(duì)于帶寬超過(guò)500MHz的超寬帶信號(hào)的分析，F(xiàn)SW需要借助于寬帶示波器RTO，可實(shí)現(xiàn)最大2GHz分析帶寬。其工作過(guò)程：超寬帶射頻/微波信號(hào)饋入FSW的射頻輸入口，經(jīng)下變頻變換至中心頻率為2GHz的寬帶IF信號(hào)；寬帶IF信號(hào)再經(jīng)寬帶示波器RTO采樣，采集的數(shù)據(jù)再回傳至FSW，經(jīng)過(guò)均衡及數(shù)字下變頻等得到數(shù)字I/Q數(shù)據(jù)；最后FSW對(duì)數(shù)字I/Q數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。該超寬帶信號(hào)分析方案也適用于專門用于FMCW信號(hào)分析的FSW-K60C選件，最大分析帶寬為2GHz。圖20和圖21分別給出了信號(hào)流示意圖和實(shí)物連接示意圖。
對(duì)于77GHz的超寬帶FMCW信號(hào)的分析，也可以使用該方案，信號(hào)不再饋入FSW的射頻輸入端口，而是直接饋入外部諧波混頻器FS-Z90的波導(dǎo)端口，F(xiàn)S-Z90的中頻輸出信號(hào)再饋入FSW主機(jī)作相應(yīng)的分析。圖22是FSW借助于外部諧波混頻器和RTO寬帶示波器分析77GHz載波、960MHz帶寬FMCW信號(hào)的結(jié)果。
圖20. FSW與RTO實(shí)現(xiàn)2GHz分析帶寬：信號(hào)流示意圖
圖21.FSW與RTO實(shí)現(xiàn)2GHz分析帶寬連接示意圖
圖22.77GHz載波、960MHz帶寬的FMCW信號(hào)分析結(jié)果
圖20. FSW與RTO實(shí)現(xiàn)2GHz分析帶寬：信號(hào)流示意圖
圖21.FSW與RTO實(shí)現(xiàn)2GHz分析帶寬連接示意圖
圖22.77GHz載波、960MHz帶寬的FMCW信號(hào)分析結(jié)果
4雷達(dá)部件測(cè)試
針對(duì)射頻微波元器件領(lǐng)域的各種測(cè)試需求，羅德與施瓦茨公司提供相應(yīng)的全面測(cè)試與測(cè)量解決方案，覆蓋放大器、濾波器、變頻器件、無(wú)源多端口器件、電纜、衰減器、移相器、接收機(jī)、TR組件以及差分測(cè)量，毫米波測(cè)試，脈沖測(cè)試，在片測(cè)試，Loadpull測(cè)試等方面。
R&S ZVA系列矢網(wǎng)是羅德與施瓦茨公司目前最高端的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其操作簡(jiǎn)便，測(cè)量速度快，并具有出色的射頻性能，豐富的測(cè)試功能，以及靈活的配置等。ZVA系列矢網(wǎng)單機(jī)最高頻率至67GHz，借助于毫米波變頻模塊，可以將工作頻率擴(kuò)展至500GHz，甚至更高頻段。ZVA具有非常優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍，能夠滿足高抑制度濾波器及天線隔離度的測(cè)試。對(duì)于四端口ZVA，可以配置雙源或四個(gè)內(nèi)部獨(dú)立的源，單機(jī)即可完成放大器、混頻器、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)等需要的線性和非線性測(cè)試。
圖22.77GHz載波、960MHz帶寬的FMCW信號(hào)分析結(jié)果
圖23. R&S ZVA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
圖23. R&S ZVA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
無(wú)源器件的S參數(shù)測(cè)試相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于雙端口無(wú)源器件，比如濾波器、衰減器等，可以使用兩端口矢網(wǎng)。但是對(duì)于多端口無(wú)源器件，比如功分器、耦合器、雙工器及合路器等，為了保證測(cè)試精度，建議使用四端口矢網(wǎng)測(cè)試。
對(duì)于有源器件的測(cè)試，除需要測(cè)試小信號(hào)S參數(shù)，還要測(cè)試相應(yīng)的非線性特性指標(biāo)，如P1dB，三階交調(diào)點(diǎn)，諧波失真等。因三階交調(diào)測(cè)試需要儀表提供一個(gè)雙音激勵(lì)信號(hào)，對(duì)于四端口ZVA40，標(biāo)配帶有兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部源，因此可以單獨(dú)完成放大器的三階交調(diào)測(cè)試，圖24給出了測(cè)試連接圖及測(cè)試結(jié)果。對(duì)于功率放大器，有時(shí)還要測(cè)試其正常工作狀態(tài)下的S參數(shù)，如輸出端口的熱駐波比。圖25給出了基于ZVA的熱駐波比測(cè)試連接示意圖，Port3給放大器提供一個(gè)激勵(lì)信號(hào)f2，使其正常工作，Port2輸出一個(gè)不同頻率的小信號(hào)f1，用于測(cè)試放大器輸出駐波比，建議f1與f2相差1MHz，那么在接收機(jī)側(cè)通過(guò)設(shè)置合適的IF BW就可以輕松地實(shí)現(xiàn)二者的分離，從而完成熱駐波比的測(cè)試。
功率放大器需要在一定激勵(lì)功率下才能夠正常工作，如果所要求的驅(qū)動(dòng)功率超出了矢網(wǎng)主機(jī)端口輸出的最大功率，并且要求測(cè)試功放的四個(gè)S參數(shù)，此時(shí)就需要使用圖26所示的測(cè)試裝置，外部引入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)放大器、雙定向耦合器、環(huán)形隔離器等，為了保護(hù)儀表，還需要引入一定的衰減器。
圖24.基于ZVA的小信號(hào)放大器測(cè)試連接示意圖
圖25.基于ZVA的熱駐波比測(cè)試連接示意圖
圖26.基于ZVA的高功率放大器測(cè)試連接示意圖
對(duì)于77GHz的元器件測(cè)試，已經(jīng)超過(guò)了ZVA40主機(jī)的工作頻率范圍，需要使用外部變頻器模塊ZVA-Z90，如圖27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)異的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，在60GHz～90GHz頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)115dB，這是準(zhǔn)確測(cè)試濾波器帶外抑制及天線隔離度的有力保障。同時(shí)，ZVA-Z90具有極高的端口輸出功率，可以達(dá)到+10dBm，能夠完成大功率測(cè)試。ZVA-Z90也同樣適用于高增益器件的測(cè)試，因?yàn)槠渚哂?0dB的功率調(diào)節(jié)范圍。ZVA-Z90波導(dǎo)端口的輸出功率是通過(guò)調(diào)整ZVA40主機(jī)端口輸出功率來(lái)調(diào)整的，因此可以非常方便地實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)端口處的功率掃描，以測(cè)試毫米波放大器的P1dB。
圖27. ZVA借助于ZVA-Z90實(shí)現(xiàn)頻率至90GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析方案
圖30. 在片差分器件測(cè)試
圖24.基于ZVA的小信號(hào)放大器測(cè)試連接示意圖
圖25.基于ZVA的熱駐波比測(cè)試連接示意圖
圖26.基于ZVA的高功率放大器測(cè)試連接示意圖
對(duì)于77GHz的元器件測(cè)試，已經(jīng)超過(guò)了ZVA40主機(jī)的工作頻率范圍，需要使用外部變頻器模塊ZVA-Z90，如圖27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)異的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，在60GHz～90GHz頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)115dB，這是準(zhǔn)確測(cè)試濾波器帶外抑制及天線隔離度的有力保障。同時(shí)，ZVA-Z90具有極高的端口輸出功率，可以達(dá)到+10dBm，能夠完成大功率測(cè)試。ZVA-Z90也同樣適用于高增益器件的測(cè)試，因?yàn)槠渚哂?0dB的功率調(diào)節(jié)范圍。ZVA-Z90波導(dǎo)端口的輸出功率是通過(guò)調(diào)整ZVA40主機(jī)端口輸出功率來(lái)調(diào)整的，因此可以非常方便地實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)端口處的功率掃描，以測(cè)試毫米波放大器的P1dB。
圖27. ZVA借助于ZVA-Z90實(shí)現(xiàn)頻率至90GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析方案
對(duì)于將來(lái)要涉及的在片測(cè)試，羅德與施瓦茨公司也有相應(yīng)的方案。
器件的在片測(cè)試主要應(yīng)用在器件建模，工藝優(yōu)化以及毫米波測(cè)試方面，主要的測(cè)試參數(shù)有S參數(shù)、噪聲系數(shù)、相位、功率、P1dB、三階交調(diào)等，對(duì)比普通器件測(cè)試，在片測(cè)試的關(guān)鍵是如何進(jìn)行電路測(cè)試的連接，測(cè)試校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，以及如何準(zhǔn)確一致的測(cè)試全部器件參數(shù)。器件的連接主要在于探針臺(tái)系統(tǒng)和測(cè)試夾具的選擇，羅德與施瓦茨公司則針對(duì)測(cè)試校準(zhǔn)、參數(shù)測(cè)量方面提供非常全面及專業(yè)的解決方案。
在片測(cè)試時(shí)，芯片的每次連接都會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的改變，影響器件建模和工藝優(yōu)化，以及器件的準(zhǔn)確測(cè)量。利用R&S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA，一次連接即可實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的在片測(cè)量，包括標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)、時(shí)域測(cè)量、變頻測(cè)量、真差分測(cè)量 (混合模式S參數(shù))、噪聲系數(shù)測(cè)量等，對(duì)于功率器件，也可以實(shí)現(xiàn)脈沖S參數(shù)的測(cè)量，確保所有電路參數(shù)的準(zhǔn)確可靠一致。
兼容Cascade探針臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)毫米波太赫茲器件的在片測(cè)量。Cascade Wincal軟件支持矢量網(wǎng)絡(luò)分析的校準(zhǔn)。由于ZVA-Z90變頻器模塊采用無(wú)風(fēng)扇的冷卻處理，工作過(guò)程中無(wú)噪聲和振動(dòng)，特別適合探針臺(tái)及在片測(cè)量。
在片矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量系統(tǒng)由R&SZVA40矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、ZVA-Z90系列毫米波變頻模塊、NGMO2雙通道直流電源以及探針臺(tái)和探針組成，如28所示，可完成60GHz-90GHz在片矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量。
圖28所示接口中，1-4為3.5mm（M-F）同軸電纜，5-6為直流電源電纜，7-8為GPIB或LAN電纜，9-10為波導(dǎo)。
圖28. 在片矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量系統(tǒng)框圖
圖29. 在片矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量
圖29. 在片矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量
圖30. 在片差分器件測(cè)試
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