用矢量网络分析仪进行精确的太赫兹频谱分析

Performing Accurate Spectrum Analysis at Terahertz Frequencies with a Vector Network Analyzer

是德科技

随着器件的工作频率迈入THz范围，它们的表征也变得非常困难而复杂。而更为复杂的是，深入了解元器件的性能和特性常常需要用到两种仪器：矢量网络分析仪（VNA）和频谱分析仪（SA）。在通常的测量过程中，常常需要频繁地连接、断开连接和重新连接被测器件（DUT），操作起来非常繁琐和耗时，而且还会带来测量误差、延长测量时间，并极大增加损坏探头、测试电缆甚至是被测器件的风险。

面对这些问题，一个解决方案是将VNA和SA的功能综合到一台仪器中。近来，随着数字化仪、数字信号处理器（DSP）和中央处理器（CPU）的速度提升，是德科技能够实施足够快的SA功能，从而加速执行重要但通常很耗时的测量，例如搜索杂散信号。

达到太赫兹（THz）

VNA测试解决方案在测量67 GHz以下频率时，通常作为一种综合仪器来使用。将VNA功能扩展至更高频率，通常可使用分布式体系结构来实现。这需要用频率扩展器上变频激励信号并下变频响应信号，以支持在THz频率工作的被测器件。毫米波VNA可作为预配置解决方案实现，或作为用户综合的系统围绕现有VNA构成。

例如，是德科技通过单一型号N5251A毫米波网络分析仪提供了一个综合系统。该配置可覆盖10 MHz至110 GHz范围，现在更可扩展至1.1 THz。核心仪器是Keysight PNA微波网络分析仪。这些解决方案可采用两种方式配置：一种通过1.0 mm同轴电缆连接支持单次扫描测量；另一种则通过波导支持各种频段测量。单次扫描配置以67 GHz PNA为基础，并包括一对支持两端口或四端口测量（分别采用Keysight N5261A或N5262A）的毫米波控制器。这些仪器与宽带频率扩展器相连，能够在毫米波测试头模块和网络分析仪之间提供接口。扩展器可为高达110 GHz的被测器件提供1.0 mm的同轴接口，如产品图片所示，波导可在高于110 GHz时使用。

此频段配置支持OML和Virginia Diodes（VDI）提供的各种频率扩展器。在110 GHz以上频率，以及67至110 GHz之间的某些频段，这些频率扩展器可使用波导（图1）。是德科技最新版本的可选“VNA上的SA”功能现已支持所有这些配置，使其能将THz频率范围的频谱分析功能综合到PNA和PNA-X网络分析仪。

图1：通过向PNA添加解决方案合作伙伴的频率扩展器，有力支持THz频段的解决方案。配备OML（a）和Virginia Diodes（b）的扩展器。

内置的SA

可选频谱分析仪模式所包括的用户界面能够显示一系列的典型设置参数：如中心频率和扫宽、起止频率、步进大小、分辨率带宽（RBW）、检波器形状、平均和接收机衰减（图2）。请特别注意，在分布式配置中使用SA时，由于内部接收机衰减器使用旁路，因此，测试高功率器件时可能需要使用外置衰减器。

图2：SA设置的弹出式窗口使您可以为多个测量通道选择关键参数。

集成的SA功能支持从VNA模式快速切换，无需更改物理测试设置。例如，如果VNA迹线突然出现异常，用户可以在该点放置一个游标，并点击“游标至SA”来启动频谱测量。测量结果显示在新窗口中，以支持对频谱分量和特性做进一步观察和分析。PNA和PNA-X还包括一个经校准的激励，该激励可直接输入至任何一个或所有被测器件端口。通过严格控制频率、振幅和直流偏置，此配置为表征谐波和互调产品提供了一个非常精确的测试解决方案。此外，内部脉冲发生器和调制器也支持利用脉冲射频激励来表征被测器件。其最终结果是能在广泛的工作范围和各种工作条件下评测被测器件的特性。

是德科技的频谱分析方案以现有VNA体系结构为基础设计。典型的频谱分析仪包括一个微波预选器（即滤波器），它可以阻隔高电平信号，同时测量低电平信号以及多余的混频分量；这样能清除接收机谐波和像频响应。VNA上的SA设计依赖于定制的硬件和软件来提供频谱分析仪性能。PNA系列使用定制射频集成电路来清除图像，该射频集成电路采用专有制程设计，并结合了软件算法。此硬件设计还可补偿远程上变频器和下变频器拓扑和非线性特性。

同一技术还可在分布式体系结构VNA配置中使用以进行微波测量。唯一需要考虑的因素是对SA接收机执行专门的校准，以确保精确测量。此校准必须包括频率扩展器探头以及所有相关硬件、电缆和夹具。由于用户可能更换一个或多个器件来适应特定的频率范围或设置，当测试配置发生改变时，必须执行两种类型的校准：功率电平和中频接收机校准。为了简化这种状况，新的高频SA选件包括可自动执行校准及为用户提供指导的功能。

优势

与多仪器方法相比，将SA的功能综合到VNA中有两大优势，即可以同时进行多项测量，以及测量精度经过校准。通过其多个测试端口，VNA能够执行多通道频谱分析，该分析与内部扫描信号发生器保持同步。只需单次连接，PNA或PNA-X便能在所有被测器件端口实施同时测量。可能进行的测量包括输入频谱、输出频谱、通道功率、增益压缩、馈通、反射、转换增益、谐波和互调（图3）。

图3：单次连接多通道SA功能在所有被测器件端口可同时提供精确测量。

这简化了混频器、频率转换器、放大器、高频模块和子系统的表征。VNA校准和去嵌入技术对于夹具和晶圆上测量的精度是必不可少的。该过程能够纠正仪器的系统误差，并能移除电缆和夹具效应。它可与频率扩展器结合使用，还可用于VNA上的SA功能。此外，功率补偿特性还可为被测器件提供已知功率的激励，以补偿夹具或探头上的已知损耗。由此带来的测量精度的提升支持更深入地了解被测器件的真实性能。

杂散信号可能是谐波，也可能是非谐波，它们是多余信号，可能会造成发射机干扰、雷达系统的错误响应，或通信接收机的动态范围降低。设计人员必须先识别出和测量杂散信号，才能按照系统或器件技术指标的定义，把杂散信号降至足够低的水平。搜索杂散信号面临着两大挑战：时间和复杂性。检查杂散信号的过程非常耗时，尤其是在广泛的频率范围上搜索低电平信号时。在典型混频器和频率转换器件的工频范围内表征杂散，通常是一个冗长而复杂的过程，并且常常需要使用外部控制软件。通过综合高性能SA功能，PNA或PNA-X能够在广泛的频率范围内执行快速的杂散信号搜索，与使用独立的信号分析仪相比，可以显著缩短测试时间。速度的提高不会降低精度：其测量结果可媲美使用当今最精密的频谱或信号分析仪所得到的结果（图4）。

图4：随着扫宽增加（更低的本底噪声），集成的SA功能相比独立的频谱或信号分析仪拥有巨大的速度优势。

总结

测量毫米波和亚毫米波频率上的器件特性面临着很多挑战。如同Keysight PNA和PNA-X微波网络分析仪所实施的一样，在分布式VNA体系结构中添加可选的综合SA功能，使其能够通过单次设置，在THz范围内表征元器件的性能和特性。这种综合激励，以及在多个通道上同时执行频谱分析仪测量的功能，能以更少的时间和出色的精度为研究和设计工程师提供测量新视野。

是德科技

美国加利福尼亚州圣罗莎

www.keysight.com/find/thz