目前大多數(shù)常規(guī)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)都是將矢網(wǎng)端口集成安裝在機(jī)箱上的，這樣做的目的是將矢網(wǎng)內(nèi)部的源和測(cè)量電路盡量接近，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高頻矢量S參數(shù)測(cè)量所需的嚴(yán)格同步。對(duì)于大多數(shù)臺(tái)式儀表而言，將端口集成到機(jī)箱上并不是什么大問(wèn)題，因?yàn)榭梢允褂幂^短的高質(zhì)量同軸電纜連接矢網(wǎng)端口和被測(cè)設(shè)備，也可以最小化地減少對(duì)S參數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響。
但是，隨著測(cè)量頻率越來(lái)越高，電纜對(duì)S參數(shù)測(cè)量的影響也開始愈來(lái)愈嚴(yán)重。雖然可以通過(guò)軟件算法，將電纜的影響從測(cè)量結(jié)果中去除，使測(cè)試結(jié)果僅反映出DUT的性能。這在常規(guī)的臺(tái)式儀表測(cè)量應(yīng)用中，效果很好。因?yàn)樵谂_(tái)式儀表應(yīng)用中，其測(cè)量夾具與VNA相當(dāng)接近，并且電纜和夾具的射頻特性非常穩(wěn)定，因此可以通過(guò)上述“去嵌入”的方式有效地消除它們對(duì)測(cè)量的影響。
但是，并非所有的VNA測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景都是這種穩(wěn)定的環(huán)境。大尺寸的DUT和OTA測(cè)試通常需要更長(zhǎng)的測(cè)試電纜，才能將VNA連接到被測(cè)設(shè)備或?qū)?yīng)的測(cè)試天線上，而且大多數(shù)應(yīng)用還需要移動(dòng)和重新連接對(duì)應(yīng)的接口電纜，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性，比如飛機(jī)射頻屏蔽效能和傳播測(cè)試應(yīng)用等(如圖1所示)。
圖1.飛機(jī)屏蔽和傳播特性測(cè)量示意圖
連接矢網(wǎng)端口到DUT的長(zhǎng)電纜可能會(huì)對(duì)S參數(shù)測(cè)量產(chǎn)生一些負(fù)面影響。在毫米波頻率下，幾米長(zhǎng)的電纜會(huì)在DUT和VNA之間，會(huì)明顯地增加插入損耗；40 GHz的同軸電纜每米損耗會(huì)增加約4 dB。例如大型OTA暗室，矢網(wǎng)位于暗室的外面，一般需要4到5米的微波同軸電纜來(lái)將VNA端口連接到源天線和暗室內(nèi)的被測(cè)天線(AUT)。假設(shè)每個(gè)端口需要5米長(zhǎng)的電纜連接到暗室內(nèi)，那么電纜在40 GHz頻率下會(huì)給測(cè)量路徑增加40 dB的額外插入損耗，從而顯著地降低了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍。
對(duì)于像遠(yuǎn)場(chǎng)天線這樣的測(cè)試，由于源天線和測(cè)試天線之間的距離要求，存在很大的自由空間路徑損耗。OTA損耗與接口電纜損耗加起來(lái)，使得VNA進(jìn)行這些測(cè)量所需的動(dòng)態(tài)范圍非常高(如圖2所示)，這導(dǎo)致在OTA暗室應(yīng)用中需要使用非常昂貴的高動(dòng)態(tài)范圍的VNA。
10米遠(yuǎn)，40 GHz頻率對(duì)應(yīng)20 dBi增益天線的自由空間路徑損耗：~44 dB
整體損耗：約88 dB
圖2. 遠(yuǎn)距離OTA測(cè)試要求VNA具有高動(dòng)態(tài)范圍
長(zhǎng)電纜還會(huì)使測(cè)量不穩(wěn)定。在環(huán)境溫度發(fā)生微小變化或移動(dòng)的情況下，同軸電纜會(huì)在測(cè)量結(jié)果中引入幾度相位偏移，這將導(dǎo)致明顯地測(cè)量偏差。這些相位偏差是由于環(huán)境條件改變引起的，而這無(wú)法避免，因此也很難將電纜的這種影響從測(cè)量中去除。
電纜可能產(chǎn)生的相位變化，如圖3所示，該圖闡述了四米同軸電纜在兩個(gè)5攝氏度溫度范圍內(nèi)的相位變化，即使在這些較小的溫度范圍內(nèi)，相變也很明顯。對(duì)于電纜長(zhǎng)度通常較長(zhǎng)且溫度波動(dòng)較大的戶外應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種相變會(huì)更加嚴(yán)重。
圖3. 同軸電纜相位隨溫度變化
同軸電纜的插入損耗和穩(wěn)定性問(wèn)題隨著距離和頻率的增加而變得尤為突出，有必要考慮使用除同軸電纜之外的其他方法將VNA連接到DUT。圖4顯示了兩種在長(zhǎng)距離連接中替換同軸電纜的常用方法。一種方法是使用混頻器將測(cè)試頻率下變頻為較低的中頻頻率，這要求同軸電纜通常具有更好的相位穩(wěn)定性和插入損耗特性；另一種方法是通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，從而替換掉同軸電纜，以最大程度地減少高頻損耗和穩(wěn)定性問(wèn)題。
圖4. 遠(yuǎn)距離S參數(shù)測(cè)試中的長(zhǎng)同軸電纜的替代解決方案
雖然這兩種替代方法都解決了同軸電纜對(duì)長(zhǎng)距離S參數(shù)測(cè)量的諸多負(fù)面影響，但增加了復(fù)雜性和成本，同時(shí)也沒(méi)有解決VNA端口遠(yuǎn)離DUT的基本問(wèn)題。將VNA端口移近DUT的概念并不新鮮，比如使用外部倍頻器模塊來(lái)解決約60 GHz或更高的測(cè)量頻率，即使對(duì)于臺(tái)式儀表，插入損耗和穩(wěn)定性問(wèn)題也與上述較長(zhǎng)電纜距離的問(wèn)題類似，成為至關(guān)重要的問(wèn)題。
盡管這種倍頻器和主機(jī)結(jié)構(gòu)允許將VNA端口移近DUT，但從VNA到倍頻器模塊的距離仍然有限。擴(kuò)頻模塊和VNA之間所需的高頻源和測(cè)量信號(hào)仍然會(huì)產(chǎn)生插入損耗和穩(wěn)定性問(wèn)題，從而限制了連接距離。為了使模塊和VNA之間的距離超過(guò)一米，需要特殊的設(shè)計(jì)，來(lái)解決將模塊與VNA相連的電纜帶來(lái)的不利影響。
安立公司已經(jīng)開發(fā)出使用專用電纜和額外放大功能的典型解決方案，以將VNA與模塊之間的距離延伸到大約5米，這就是獨(dú)特的ShockLine MS46522B E波段2端口高性能VNA，帶有5米長(zhǎng)的線纜 (圖5)。但是，隨著距離超過(guò)5米以上，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也不可避免的出現(xiàn)問(wèn)題。
圖5. ShockLine MS46522B E波段2端口性能VNA
為了簡(jiǎn)化長(zhǎng)距離高頻S參數(shù)測(cè)試，就需要一種新的VNA架構(gòu)。這種新的設(shè)計(jì)需要本質(zhì)上是獨(dú)立VNA的模塊，這些模塊具有完整的源和測(cè)量功能，這些功能不依賴于主機(jī)中的信號(hào)源或數(shù)據(jù)處理。另外，必須確保兩個(gè)獨(dú)立的VNA之間的相位同步，以便支持復(fù)雜的2端口S參數(shù)測(cè)量。
為了解決此問(wèn)題，安立公司推出了ShockLine ME7868A分布式2端口VNA(圖6)。其突破性的設(shè)計(jì)，通過(guò)使用具有完整信號(hào)源和測(cè)量功能的獨(dú)立ShockLine MS46131A模塊化單端口VNA作為便攜式測(cè)試端口，消除了VNA主機(jī)。由于每個(gè)單端口VNA均包含完整的源和接收機(jī)，因此可以在DUT本地產(chǎn)生和測(cè)量高頻信號(hào)，同時(shí)插入損耗和測(cè)量穩(wěn)定性也得到了改善，從而消除了任何長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的各種不利影響。因?yàn)椴恍枰鳈C(jī)連接，單端口VNA可以自由地在很遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行測(cè)量，以進(jìn)行獨(dú)立的回波損耗(RL)測(cè)量。
圖6. ShockLine ME7868A分布式模塊化2端口VNA
為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的插入損耗(IL)測(cè)量，兩個(gè)單端口VNA必須進(jìn)行相位同步。通常VNA端口同步是在VNA主機(jī)中完成的，但是在分布式結(jié)構(gòu)中為了實(shí)現(xiàn)同步，安立公司開發(fā)了一項(xiàng)名為PhaseLync的突破性技術(shù)，該技術(shù)允許兩個(gè)單端口VNA在100米或更遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行相位同步。
借助PhaseLync技術(shù)，該單端口VNA能夠在端口之間幾米的跨度內(nèi)保證最高至43.5 GHz±2度的相位穩(wěn)定性和±0.5 dB的幅度穩(wěn)定性的同步IL測(cè)量。相對(duì)于同軸電纜，ME7868A分布式2端口VNA在遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)量方面，顯示出明顯優(yōu)于同軸電纜的優(yōu)勢(shì)。
圖7描述了傳統(tǒng)同軸電纜與ShockLine ME7868A分布式2端口VNA在5米范圍內(nèi)的IL測(cè)量的相位穩(wěn)定性的比較。
圖7.相位穩(wěn)定性比較
該圖顯示了兩種相位隨頻率的變化。其中一條曲線是傳統(tǒng)的VNA連接，它測(cè)量電長(zhǎng)度較短的RF DUT，用2.25英寸半徑彎曲的5米長(zhǎng)電纜連接。如圖所示，在40 GHz下大約有六度的相移。
與之對(duì)應(yīng)的，將其與具有5米PhaseLync連接的ShockLine ME7868A分布式2端口VNA進(jìn)行比較， PhaseLync電纜以相同的半徑彎曲，以測(cè)量相同的電長(zhǎng)度的DUT。在40 GHz頻率下，相移小于2度，這表明PhaseLync的相位穩(wěn)定性是同軸電纜的三倍。
借助這種新的架構(gòu)，得以實(shí)現(xiàn)將VNA端口移近DUT端以簡(jiǎn)化S參數(shù)測(cè)試的目的。通過(guò)消除單個(gè)矢網(wǎng)主機(jī)架構(gòu)的諸多物理限制，無(wú)需主機(jī)即可在DUT端生成高頻信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量，從而大大提高了VNA測(cè)試的靈活性。將VNA端口連接到DUT還可以改善動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性，并簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)和夾具去嵌入，從而在遠(yuǎn)距離上實(shí)現(xiàn)更好的整體S參數(shù)測(cè)試。
