Design of an Integrated VNA Covering 70 kHz to 220 GHz

作者：Jon Martens、Tom Roberts，安立公司；Andrej Rumiantzev、Kooho Jung，MPI公司

译者：陈刚，安立中国

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随着毫米波频率的广泛应用，通信设备和系统的建模也在紧锣密鼓地进行。这就需要更高频率的测量设备和手段，而这也将困难重重。除了常规的S参数外，还有其他需要在宽频率范围内测量的参数，如增益压缩、互调失真和频率转换特性等。例如使用波导等频率选择性的仪器在高频还可以工作，但是设置和校准会非常耗时，而且这类仪器在不同频段的不确定度也不尽相同，将数据拼接在一起也会导致测量的不连续性。

安立公司推出的宽带矢量网络分析仪(VNA)能够覆盖从低频到最高220GHz的频率范围，并配有相应的探针，可以解决许多测量难题。这样的VNA不仅需要具有足够的输出功率和可控的倍频器，而且需要具有良好的噪声性能和足够线性度的下变频器，还需要能够覆盖宽频范围的多路复用的源和接收机以及能够覆盖整个频率范围的在片测量的宽带连接系统。本文着重阐述了为了设计满足所需的稳定性、噪声特性、线性度和功率大小的宽带矢网所面临的设计挑战和技术要点。

测量需求

宽带S参数和其他微波参数的测量是许多模型建模过程的核心^[1-6]。在其他情况下，微波参数用于表征器件建模中的寄生参数。在这两种情况下，最基础的测量数据的准确与否对于整个模型性能和描述分析都是非常重要的。为了进一步确保测量的准确性，对探针到设备或子系统进行去嵌入操作通常是必要的。常常需要对纯净的小信号进行测量，那就要求良好的线性度，包括压缩性(AM/AM和AM/PM)、谐波抑制、互调失真、相邻信道功率抑制和其他参数。这些准线性或非线性参数可能是完整非线性建模模型的一部分，或可用于基本参数表征。其中一些参数可能只能在子系统中调用，而在其他系统中使用别的参量，如频率转换(增益和相位)和调制失真。而这其中最为重要的是，需要在一个非常宽的频率范围内进行测量分析，而所用仪器本身的线性度并不会极大地影响测量结果。

技术难点

F波段(90至140 GHz)以上的测量面临几个挑战。一个典型的测量设备，其中可能包括一个工作频率为110或125 GHz的宽带系统，以及工作于更高频率的波导模块(例如110至170 GHz、170至260 GHz或90至140 GHz、140至220 GHz)。除非足够幸运，否则安装的不同探针台之间必然会产生测量偏差。

对于宽带设备的建模参数提取和集成电路的性能验证，产品和工艺设计规范要求待测件(DUT)需要测量多个温度点的参量(通常为5个或更多)，这就意味着对待测件的触点进行多次接触测量。因为寄生阻抗随频率升高而增加，所以亚毫米波探针的金属触点都非常小。但是过小的金属触点又无法满足探针的多次测量，因此在整个频率范围和所有温度点的多个频带上测量相同的待测件是不可能的。这就要求工程师根据不同的温度或频带选择不同的待测件，从而增加了测量参量和结果的不确定性。所以，在较宽的频率范围内，如果一个测量系统能够减少接触次数或一次接触就能完成测量，这样的测量系统将