滤波器和放大器测量 - 网络分析仪应用指南

对于通信系统而言，元器件的幅度和相位特性是影响性能的重要因素。矢量网络分析仪可提供此类器件的相关信息，包括放大器和晶体管等有源器件，以及电容器和滤波器等无源器件。而且，由于增加了时域功能，网络分析仪还能在测量过程中去除不需要的响应，只留下需要的信息。本应用指南说明了对射频滤波器进行的扫频测量，以及对通信频段放大器进行的扫描功率测量。

滤波器测量

对滤波器的特性进行全面的表征通常可以借助扫频测量来实现。图 1 显示了滤波器的频率响应。在左侧和底部，我们可以看到以对数幅度格式表示的传输响应；在右侧，我们可以看到反射响应（回波损耗）。最常测量的滤波器特性是插入损耗和带宽，如下图所示，其垂直标度经过扩展。另一个经常测量的参数是带外抑制。这项测量用于了解滤波器在其带宽内传输信号，同时在其带宽外抑制信号的能力如何。测试系统的动态范围通常决定了其评测这一特性的能力。

以下回波损耗图显示了典型的无源反射滤波器特征，从图中可见其在阻带中显示为高反射（接近 0 dB），而在通带中表现出良好的阻抗匹配。吸收式滤波器则是一种不同的滤波器，其在阻带和通带中都能很好地匹配，可在广泛的频率范围中提供良好的匹配。

图 1. 通过频率扫描测试滤波器

误差校正可以确保准确的通带测量

恒定幅度响应在滤波器带宽内的变化会导致信号失真。想要准确测量滤波器通带，通常必须要进行误差校正。如果不经校准便使用网络分析仪来测量滤波器通带，那么取决于使用的网络分析仪和测试电缆，响应可能会存在非常大的差异（图 2）。

在进行响应校准（归一化）后评测同一个滤波器时，测试系统的传输跟踪频率响应误差会从响应测量结果中消除，从而使得幅度失真窗口显著变窄。归一化后，测试系统显示的滤波器频率响应仍然有某种幅度纹波，这是由测试系统的信号源和负载匹配相互作用导致的。该纹波甚至会超过 0 dB 的参考线，表示有增益（这是不可能的，因为无源器件无法放大信号）。这样的视在异常是由失配测量误差所导致。通过在滤波器测量之前执行双端口校准，可以消除这些误差。

完成矢量误差校正（双端口校准）后，很明显，滤波器的通带幅度响应相距中心频率变化的幅度不到 ±0.1 dB。以前使用未经校正的测试系统所测得的 ±1 dB 幅度变化并不是滤波器的实际带通响应。通过使用矢量网络分析仪执行误差校正，滤波器的真正特性得以显示出来 — 幅度相距中心频率的变化非常小，达到了低失真应用相对较严苛的幅度性能范围。

图 2. 系统测量误差

扫描功率放大器测量

除了为评测滤波器执行扫频测量外，很多网络分析仪还可执行扫描功率测量，这对于表征器件的非线性特性非常有用。图 3 中的示例显示了在单一频率下所测得的放大器的输出功率和输入功率。放大器有一个线性工作区域，在该区域中，增益是恒定的，不受功率电平影响。该区域中的增益称为小信号增益，与功率响应的斜率成比例。

随着输入功率继续增大，曲线上放大器增益开始下降的点即为压缩区域开始的位置。放大器的输出在该区域不再是正弦波，且有部分输出在谐波中出现，而不全都在信号的基波频率中。随着输入功率不断增大，放大器变得饱和，输出功率保持不变。此时，放大器的增益降为零，输入功率即使再增加也不会使输出功率增加。虽然大多数类型的放大器都是如此，但行波管放大器和少数其他类型的放大器则例外，其输出功率会下降到饱和点以外。

为了通过功率扫描来测量放大器的饱和输出功率，网络分析仪必须具有足够的输出功率来驱动放大器进入饱和状态。大功率放大器的输入端通常需要配备一个升压放大器才可以达到饱和状态，因为网络分析仪在较高频率上提供的测试端口功率相对较低。

图 3. 功率扫描表征压缩区域

最常测量的放大器压缩参数是 1 dB 压缩点（图 4）。它是指以放大器的小信号或线性增益为基准，放大器增益降低 1 dB 时的输入功率（有时是相应的输出功率）。通过显示功率扫描获得的归一化增益，即可测量放大器的 1 dB 压缩点。

图 4. 1 dB 压缩

如图所示，迹线的平坦部分表示线性的、小信号工作区域，而迹线斜率为负的部分则对应于较高输入功率电平处的压缩。以被测放大器为例，当在固定连续波频率 902.7 MHz 上测量时，1 dB 压缩发生在输入功率为 +12.3 dBm 处。

由于了解与 1 dB 压缩点相对应的输出功率通常非常重要，因此可以使用大部分网络分析仪的双通道功能来同时显示归一化的增益和绝对功率。显示游标可以读取发生 1 dB 压缩处的输入功率和输出功率。您也可以将放大器在 1 dB 压缩点处的增益与 1 dB 压缩点处的输入功率相加，便可计算出相应的输出功率。在图 4 中，1 dB 压缩点处的输出功率为 12.3 dBm + 31.0 dB = 43.3 dBm。

在这些类型的压缩测试中，功率扫描范围必须足够大，以便驱动被测放大器从线性工作区域进入压缩区域。现代网络分析仪通常可以提供超过 30 dB 的功率扫描范围，这足以驱动大部分放大器进入压缩区域。充分衰减大功率放大器的输出同样非常重要，这不仅可以避免损坏网络分析仪的接收机，还能使功率电平足够低，从而防止接收机压缩。

评测 调幅－调相 AM-PM 转换

测量调幅－调相（AM-PM）转换对于表征高频放大器的非线性特性同样非常重要。这类测量需要使用矢量网络分析仪。AM-PM 转换测量的是因系统中任何幅度变化所导致的无用相移。

在通信系统中，意外的幅度变化（例如电源纹波、热漂移或多径衰落）可能会导致多余的相位调制。系统中使用何种调制类型也可能导致幅度变化，如正交调幅（QAM）或脉冲调制。

图 5. 测量调幅－调相AM-PM 转换

AM-PM 转换在相位调制系统中非常重要，比如正交相移键控（QPSK），因为相位失真会导致模拟系统中的信号质量下降，数字系统中的比特误码率（BER）升高。AM-PM 转换与 BER 有直接关系，测量 AM-PM 转换可帮助您深入了解给定系统中 BER 升高的原因。这项测量可以作为 BER 测量的补充，因为 BER 测量本身不会对导致误码的现象进行任何有效的分析。

AM-PM 转换通常定义为放大器输入功率每增加 1 dB 时输出相位的变化，用“度/dB” 表示。理想放大器的相位响应与输入信号电平不会相互影响。AM-PM 转换可以通过矢量网络分析仪上的功率扫描进行测量（图 5）。测试数据显示为正向传输相位（S21）随功 率的变化。被测器件的 AM-PM 转换可以通过以特定功率电平为中心做小幅度步进（比如 1 dB）并注意相位变化来计算。幅度和相位的变化可以通过迹线游标轻松测量。相位变化除以幅度变化，即可得到 AM-PM 转换。在图 5 中，AM-PM 转换等于 0.86 度/dB，中心输入功率为 –4.5 dBm，中心输出功率为 16.0 dBm。

结论

正如上述演示的一样，矢量网络分析仪是一种高精度仪器，可以评测有源和无源元器件，例如放大器和滤波器。是德科技提供了一系列射频和微波网络分析仪，用于 5 Hz 到 120 GHz 频率范围内的测量。这些仪器有多种选件和测试集可供选择，可以简化独立使用和在自动测试设备（ATE）中使用时的测量。