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技術文章 | 非線性傳輸線(NLTL)技術改善矢量網絡分析儀性能

發表時間:2024-01-04 17:42


轉載自:https://mp.weixin.qq.com/s/9TyDUDKasP6x8XJ4u3HMvA

原創者:?安立通訊科技Anritsu


一、非線性傳輸線(NLTL)技術介紹


非線性傳輸線(NLTL)技術一直以來被用于脈沖整形應用和數字示波器。多年來,它已經被證明是一個非??煽康?、強大的技術。

一般來說,NLTL是支持沖擊和孤子等非線性電波傳播的分布式設備。沖擊波沿著NLTL的傳播非常像海浪在海岸破碎前的運動。在其最基本的形式中,NLTL由負載變容二極管的高阻抗傳輸線組成,變容二極管形成傳播介質,其相位速度和時間延遲是二極管兩端瞬時電壓的函數(見圖1)。電壓越低,波形沿非線性傳輸線傳播的相位速度越低,時間延遲越長。相反,電壓越高,相位速度越大,時間延遲越短。當作用于施加到其輸入端的梯形電壓波形的一部分時,NLTL壓縮波形的前端,從而產生諧波非常豐富的階梯狀電壓。

統一的 NLTL

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圖1 當波沿著非線性傳輸線傳播時,電波的下降沿受到壓縮

通過利用NLTL的下降時間壓縮特性,可以在微波和毫米波頻率下生成一系列非常窄的選通脈沖,用于從CW信號開始的采樣接收機(圖2)。脈沖形成過程中的一個重要組成部分是微分器電路(未示出),該微分器電路將NLTL的階梯狀輸出轉換為脈沖。另一方面,寬帶分布式諧波產生是通過利用NLTL的“諧波增長”特性實現的。由于任何矢量網絡分析儀(VNA,簡稱矢網)的兩個主要功能是產生信號并對其進行采樣,因此NLTL技術特別適合在此類儀器中使用。利用NLTL產生了對稱窄脈沖,并將其應用到了采樣電路中。NLTL的相速依賴于偏壓的特性使得它也可以用來做寬帶延遲線。NLTL中包含非線性元件因此它可以用來做頻率變換。

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圖2 非統一NLTL增強了下降時間壓縮,并在由CW信號驅動時產生一系列階梯狀波形。階躍微分產生用于采樣器選通的脈沖串。

二、矢網結構簡述


矢網基于混頻器或采樣器的使用。在傳統的采樣VNA中,采樣器由階躍恢復二極管(SRD)電路產生的脈沖門控,與本地振蕩器(LO)和RF源一起相位鎖定到公共頻率參考。在其最基本的形式中,VNA的目標是捕獲S參數數據。如今,大多數VNA都是為與50歐姆阻抗的DUT一起使用而設計的。捕獲S參數數據的基本要求包括:

  • 一個或多個信號源,至少具有可控頻率和足夠干凈的頻譜,用于進行測量。信號源的功率最好可控。

  • 定向設備(無論是物理定向還是計算定向)用于在端口處分離入射波和反射波。

  • 當信號源比端口少,或者接收機比端口多或少時,一種切換RF信號的方法。

  • 一個或多個接收機,通常帶有下變頻器,將入射波和反射波向下變頻到一些方便的IF進行處理。

  • 中頻部分和數字化器,用于將轉換后的波幅轉換為有用的計算形式。


常見兩端口VNA的簡化框圖如圖3所示,這種結構可能有許多變化。例如,每個端口可以使用一個信號源,而不是在兩個端口之間切換單個信號源,或者可以重新定位耦合設備。因此,該圖只是為了指出,上面列出的功能通常都以一種或另一種形式存在,并在整個系統性能中發揮作用。

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圖3 兩端口VNA典型方框圖

三、先前矢網結構的局限性


VNA利用采樣器、諧波混頻器或其組合在數字化之前將測量信號下變頻到中頻(IF)。這種下變頻器件在VNA中起著關鍵作用,因為它們決定了重要參數的界限,如轉換效率、接收機壓縮、測量通道之間的隔離以及被測器件(DUT)端口處產生的雜散。

混頻器往往是RF頻率下的下變頻器,這主要是由于其更簡單的本地振蕩器(LO)驅動系統和增強的雜散管理優勢。

在微波和毫米波頻率下(接收機壓縮和成本是主要問題),經常使用諧波采樣。VNA傳統上依靠肖特基二極管作為開關,并依靠SRD產生脈沖。諧波采樣已廣泛用于一系列儀器,包括微波VNA、采樣示波器和頻率計數器。

在基于SRD的采樣VNA中,傳輸測量的動態范圍通常受到用于隔離測試通道的設備帶寬的限制,抑制泄漏信號需要在功分器的輸出臂中使用寬帶隔離裝置。

測試通道之間的泄漏

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圖4 基于階躍恢復二極管(SRD)的VNA通常在測試通道之間存在泄漏
(注:sampler:采樣器;Reference Channel:參考通道;Test Channel:測試通道)

此外,這些泄漏信號是頻率相關的,并且不能通過校準來去除。因此,它們對基于SRD的采樣VNA的動態范圍施加了限制。

因此,有限的動態范圍阻礙了高反射器件的完全表?match?征,如高通濾?match?波器以及成分之間的弱耦合作為頻率的函數(例如弱串擾)必須測量的器件。

除了基于SRD的VNA的設計問題和RF帶寬限制外,寬帶VNA測量的短期和長期穩定性和質量也可能受到以下挑戰:

  •      物理上大型和非均勻的測量結構,利用離散元件,如反射計、接收機、信號調節備、互連電纜、波導管等;

  • 高頻復用方案;

  •       復雜的接收機結構,如諧波頻率轉換器和復雜的本振分配網絡。


四、NLTL技術在矢網中的應用


由于NLTL技術有很吸引人的特性,基于NLTL的采樣器已被開發用于安立多個系列的VNA,并且申請了技術專利。這些特性包括RF和本振頻率可擴展性,以及高的通道間隔離。高隔離度是實現高動態范圍的關鍵。它是通過放大器、濾波器和其他隔離元件來實現的(圖5)。例如,可以通過添加額外的隔離元件來進一步增強測試通道1和2之間的隔離。

另一種架構是基于非線性傳輸線(NLTL)采樣器和分布式諧波發生器的VNA。配置為提供可擴展操作特性的基于NLTL的采樣器現在提供了更有益的替代方案。它們不僅允許簡化VNA架構,而且還使VNA比那些采用基本混頻的VNA更具成本效益。

基于NLTL的采樣VNA

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圖5 一種基于非線性傳輸線(NLTL)采樣器的采樣VNA
(注:sampler:采樣器;Reference Channel:參考通道;Test Channel:測試通道)

五、NLTL技術在矢網中的應用


  • NLTL技術優點及其帶來的好處

使用基于NLTL的采樣器為現代VNA架構提供了許多好處(表1),這些好處為客戶的投資提供了無與倫比的每GHz價值。

表 1. NLTL 技術優勢和好處

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  • 小型反射計

基于NLTL的VNA的一個主要優點是各種組成部分的高度單片集成,其中包括采樣接收機、分布式諧波發生器、定向電橋和其他關鍵部件。由此產生的反射計模塊具有相同的熱穩定質量,并且尺寸較?。▓D6),從而大大降低了溫度變化。這反過來又導致高度優化的短期和長期穩定性,以及較少的VNA校準。此外,消除了各種反射計組件之間的微波連接器,提高了性能(例如,更低的損耗、更少的反射),同時提高了系統的可靠性和穩定性。

基于NLTL的反射計的緊湊特性使VNA的幾個關鍵應用成為可能,例如:

  • 高頻晶圓測試的主要優點是將VNA定位在離DUT最近的位置。通過將反射計直接連接到晶圓探針,提高了方向性、端口功率和系統穩定性。

  • 密集的多端口晶圓測量。

  • 用于在生產環境中測試組件的極低成本解決方案。

  • 適用于現場應用的高頻手持式VNA。

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(a) 基于NLTL的小型頻率擴展反射計的簡化框圖

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(b) 一種基于NLTL的頻率擴展模塊,工作頻率為145 GHz,重量為0.8磅,體積為傳統毫米波模塊的1/50。

圖6 小型反射計

  • 最大化寬頻率范圍內的動態范圍

NLTL采樣器具有極寬的射頻帶寬(圖7),可擴展到亞毫米波頻率。連續頻率覆蓋范圍僅受同軸連接器帶寬和NLTL倍頻器鏈數量的限制。當與定向橋相結合時,NLTL采樣器增強了VNA的方向性。

相比之下,較舊的架構需要實現大型外部組合器來連接兩個頻帶以擴展VNA的頻率范圍。這樣的實現方式惡化了VNA的原始方向性和輸出功率。

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圖7 基于NLTL的采樣器表現出極寬的RF帶寬,遠遠超過基于SRD的采樣器

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圖8 基于NLTL的VNA的測量動態范圍通常在高達125GHz時超過100dB,在高達145GHz時超過95dB。

  • 無與倫比的穩定性

基于NLTL的反射計的一個關鍵優勢是其固有的溫度和時間穩定性,這使得獲得穩定、高質量的測量更容易(圖9)。穩定性是基于NLTL的采樣器和反射計組件的單片結構的結果。單片集成導致反射計模塊和采樣定向橋之間的熱梯度消失,從而與SRD采樣器和經典混頻器相比,提供了更好的測量穩定性和更低的溫度漂移。

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圖9 基于NLTL的VNA的集成設計在非常寬的頻率范圍內保持了優異的穩定性,如這個24小時反射測量所示

  • 提高性價比

基于NLTL的片上VNA提升了VNA的功能,并引入了許多新的應用空間。對價格敏感的器件制造商面臨著日益增長的需求,但必須滿足更低的價格點,才能生產出成本更低的器件?;贜LTL的VNA在不影響性能的情況下為器件制造商提供非常低成本的VNA。

由于對高容量微波回傳的需求,對用于現場測試的便攜式微波解決方案的需求正在增長?;贜LTL的片上VNA使便攜式VNA能夠以與低頻型號相同的外形尺寸達到高達40GHz的頻率,同時保持電池壽命。

六、安立在其矢網系列產品中應用NLTL技術


安立針對高頻使用對NLTL技術進行了改進,并輔以新型單片寬帶定向橋、多路復用器和其他關鍵器件,從而產生了基于NLTL的采樣器和分布式諧波發生器,克服了上述基于SRD的采樣VNA的局限性,滿足了對高性能頻率可擴展VNA架構的需求。

安立在其許多最新的VNA解決方案中采用了NLTL技術,從最高級性能到成本敏感應用的解決方案,包括現場應用中的微波系統測試。

VectorStar MS4640B 高端矢網系列

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安立首先在其高性能VectorStar VNA中采用了NLTL技術,因為其有效性和功能性。它使用了四個基于NLTL的采樣器,這有助于實現更小的采樣脈沖寬度(大約是階躍恢復二極管(SRD)的1/6),并使用超過10GHz的LO頻率。小型輕便的高頻反射計在晶圓測量以及天線和電路的近場掃描等應用中增強了可操作性和探針定位。將反射計直接(即無需電纜)連接到晶圓探針,使“VNA”更接近DUT,從而增強原始方向性和端口功率。

ShockLine? 高性能和經濟型矢網系列

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ShockLine?矢量網絡分析儀系列是安立公司最新一代低成本射頻、微波和分段毫米波VNA。這些VNA采用NLTL技術將工作頻率擴展到92 GHz,降低儀器成本,提高精度,并將測量不確定性降至最低。這些VNA非常適合簡單的工程、生產和成本敏感的教育應用。安立的專利非線性傳輸線(NLTL)技術片上VNA技術簡化了內部VNA架構,降低了儀器的尺寸和成本,同時提高了精度和測量重復性。

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本文概述了安立VNA系列中采用的高頻專利技術。結果表明,與現有解決方案相比,NLTL技術產生了小型VNA反射計,該反射計在寬頻率范圍內提供了增強的性能,并降低了測量復雜性?;贜LTL的采樣器和分布式諧波發生器與反射計的頻率可擴展性相結合,為VNA用戶提供了一個獨特而引人注目的解決方案,以滿足他們當前和未來的高頻測量需求,并由此了解安立公司矢網產品的高性能、寬頻率范圍、高穩定性和高性價比的特點,為大家選擇矢網產品時提供借鑒意義。


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