基于VNA應用的SRD諧波采樣器

為了便于讀者理解非線性傳輸線技術的優勢，我們探究一下該項技術在VNA中的應用。微波和毫米波VNA均基于諧波混頻器或取樣器。在傳統的取樣VNA（圖1）中，VNA的接收機采用短脈沖波對激勵和響應信號進行采樣。這些短脈沖波形也被用作諧波源以對內部VNA信號進行倍頻，而這些VNA信號同時被用作激勵源和接收機的本振信號。這些短脈沖傳統上由階躍恢復二極管（SRD）電路生成。然而，基于SRD諧波采樣器的VNA面臨著一系列的挑戰。首先，基于SRD的諧波取樣器的帶寬受限；其次，不同測試信道之間存在泄漏從而限制VNA的動態范圍。當擴展頻率范圍超過基于SRD諧波采樣器的基波帶寬時，寬帶VNA測量結果的短期和長期穩定性及測試質量由于受到下列因素的影響而受到挑戰：

? 由離散器件諸如反射器、接收機、信號調整設備、互聯電纜和波導構成的大物理尺寸和非均勻的測量結構；

? 高頻多路復用結構；

? 復雜的接收機結構，例如諧波頻率轉換器和復雜的本振分配網絡。

可以采用非線性傳輸線技術取代SRD以克服基于SRD系統所面臨的限制和挑戰。

圖1：基于諧波采樣器的矢量網絡分析儀采用步進恢復二極管（SRD）

非線性傳輸線技術

在大多數基本架構中，NLTL由端接變容二極管的高阻抗傳輸線組成，由此構成獨特的傳播介質。該傳播介質的相速，本質上也就是時延，成為二極管瞬態電壓的函數。電壓越低，沿著非線性傳輸線傳輸的波形的相速就越小，時延就越長。與之相反的，電壓越高，沿著非線性傳輸線傳輸的波形的相速就越大，時延就越小。當把一組梯形電壓波形作為輸入信號，非線性傳輸線會壓制波形的前端，從而生成含有豐富諧波分量的類似階躍電壓信號（圖2）。

圖2：當電磁波沿非線性傳輸線傳輸時，電磁波的下降沿將經歷壓縮過程

當輸入一個連續波信號時，非均勻結構的非線性傳輸線電路會因此增強下降時間的壓縮，由此導致生成一串類似階躍信號的波形。通過利用非線性傳輸線電路的下降時間壓縮特性，非線性傳輸線電路可使用連續波信號生成一串非常窄的門脈沖，這些門脈沖的頻率達到接收機的微波和毫米波頻率范圍（圖3）。該下降時間會比由SRD生成的脈沖的下降時間快大約10倍。此外，通過利用非線性傳輸電路的“諧波生成”特性可獲得寬帶分布諧波。由于任何VNA的兩項主要功能是生成信號并對其采樣，因此非線性傳輸線技術特別適用于該類設備。

圖3：采用不均勻的非線性傳輸線（NLTL）技術生成的波形

采用NLTL技術的商業化VNA

安立在2009年推出了VectorStar系列VNA，該VNA的重要特征就是首次將非線性傳輸線技術應用到VNA并將其商用化。安立的半導體、部件和小型化結構的完整產線均包含非線性傳輸線技術，產品范圍包括從最高性能的VNA到價格敏感的現場應用的微波測試系統解決方案。表1列出了非線性傳輸線技術的主要優勢和好處。

更寬頻率范圍非線性傳輸線技術所帶來的測試創新

結合外部毫米波模塊和基于非線性傳輸線技術的VNA構成了毫米波測試系統，該系統單次同軸連接的頻率測量范圍可達70kHz到110/125/145 GHz。這些測試系統在器件特性表征和高速率信號完整性領域具有極好的應用。此外，體積小、重量輕、高頻毫米波模塊可增強其可操作性和探針的定位，這些在探針臺測試和天線及電路的近場掃描測試中也具有極好的應用。該系統可直接連接到待測件上，在110GHz頻率上寬帶動態范圍高達107dB，其S21曲線超過24小時的校準穩定性高達0.1dB和0.5°

超高性價比的E波段VNA

基于NLTL技術的低成本的VNA系列由一個極佳的小型源和接收機模塊構成，可測量的頻率為55GHz到92GHz。這是一個集成測試系統，可提供極高的測試性能，適用于E波段器件的大規模產線測試。

頻率高達40GHz的手持式電纜和天饋線分析儀

微波手持天饋線分析儀可為現場應用工程師和無線網絡安裝人員提供業界領先的動態范圍、方向性和可持續性，這些性能可幫助他們在對高達40GHz的微波通信系統的安裝、維護和故障處理方面提供更好的精確測量。

超便攜設備

超便攜的頻譜分析儀與傳統的大體積測試設備相比，在成本、體積和性能方面為業界設立了新的標準。

基于非線性傳輸線技術開發的口袋尺寸大小的VNA擁有良好的性能，包括業界領先的動態范圍、掃描速度和幅度精度。該VNA超便攜的尺寸使其可幾乎直接連接到任何待測件，不再需要輔助的電纜或天線。

安立MS2760A是業界首款手持式毫米波頻譜儀，該頻譜儀可提供連續覆蓋9kHz到110GHz的頻率范圍（圖4）。該頻譜儀可用于快速增長的5G網絡開發市場以及其它快速增長的毫米波應用，例如802.22ad/WiGig、E波段微波無線通信、衛星通信、電子戰和汽車雷達等領域。

安立推出的一款新型功率計是業界首款頻率可選的毫米波功率計，該超便攜的USB供電的設備可測量的射頻信號的頻率范圍高達70GHz，功率最低可達-90dBm。不像笨重、昂貴和復雜的頻譜儀，也不像頻率和動態范圍受限的功率計，該款功率計可對9kHz到70GHz頻率范圍內的最高可達6個信號的功率進行簡單的、數字式的和基于頻率的功率測量。該功率計的尺寸僅比手機稍大，且價格完全是用戶可接受的。

結論

非線性傳輸線技術重新定義了設備的性能水平及大小。與此同時，該技術突破了高頻測試和測量設備的成本障礙。安立對這項技術擁有專利授權的應用，將引領下一代微波毫米波測量設備的發展趨勢，進而可幫助用戶加速下一代產品的開發，并降低產品的生產成本。而這一切均得益于該項技術所帶來的額外的便攜性，從而使得客戶能夠安裝和維護下一代射頻系統。

審核編輯：黃飛