多端口毫米波测量用变频模块

通过使用变频模块R&S ZVA-Z110，罗德与施瓦茨(Rohde&Schwar)公司的高端矢量网络分析仪可将覆盖频率扩展到75~110GHz毫米波波段(W波段)。R&S ZVA-Z110是以易于操作和帮助客户节约时间和成本为设计出发点的，因此，采用正确的4端口网络分析仪来操作一对变频模块，并不需要增加额外的硬件电路。最近几年中，多端口测量已经变得越来越重要。本文描述的解决方案是首个在W波段进行完整的多端口和平衡测量的方案。
变频模块内有什么？

图1显示了R&S ZVA-Z110内部的CAD结构图和原理框图。该变频模块包含用作隔离参考和测量信号的通道源倍频器、可调节波导衰减器、定向耦合器。这些参考和测量通道通过谐波混频器进行下变频。

图1：R&S ZVA-Z110的透明CAD结构图和原理框图（不包含测试端口的适配器)。

滤波器的S参数测量

下面以一个90GHz带通滤波器的测量为例，来讨论测试步骤。

步骤1：配置和设置

在图2所示的A、B、C三个区域进行如下测量配置：在A区择变频模块型号，在B区选择电缆连接方式，在C区点击应用按键并连接变频模块到网络分析仪(见图 3)，然后将频率轴调节成75GHz到110GHz(见图2底部)。此外，变频模块的所有测量参数会被自动设置(例如射频和本振的倍频系数、最佳功率电平、复位设置、连接类型WR10，以及定义和选择波导校准套件R&S ZV-WR10。)

图2：设置对话框。

步骤2：校准

本例采用TOSM校准技术和R&S ZV-WR10波导校准套件进行校准(见图3)。R&S ZV-WR10波导校准套件还支持其他的校准方式，如TRL、UOSM、TOM、TRM和OSM。它还包含滑动匹配器，可以把方向性和负载匹配的指标提高到42dB和40dB。由于波导开路时的辐射影响，波导校准件中的开路件都是由偏移短路代替，该偏移短路由一个垫片(执行频带中心频率的λ/4偏移)和短路器组成。

步骤3：测量

图3显示了利用R&S ZVA24矢量网络分析仪和两个R&S ZVA-Z110变频模块测量90GHz带通滤波器的全部设置。测量具有高抑制特性的滤波器要求很高的动态范围。R&S ZVA-Z110变频模块树立了新的动态范围标准，其典型值>110dB，可以轻松满足测量滤波器时的高动态要求。这样，用户可以增加测量带宽，如增加到1kHz，以获得更高的测量速度。

图3：带R&S ZV-WR10波导校准套件的90GHz带通滤波器完整毫米波测量的设置。

除了滤波器测试，Z110还适用于其他多种的应用，包括：1. 由于内置了W波段的衰减器，所以它可以提供很低的激励电平，这样进行低噪声放大器测试等类似应用将不存在任何问题。2. 可用在那些紧凑型设计和需要快速扫描的生产线上。在粒子敏感环境中，比如在晶元探针台上，无需风扇的无源散热是另一个优势。3. 针对毫米波频段的多端口和平衡端口测量应用。

多端口测量

到目前为止，多端口和平衡端口测量被限制为大约50GHz带宽，但在W波段中也有许多应用采用平衡电路或多端口器件(如测距雷达、国防和航空应用)。利用R&S ZVA-Z110变频模块和R&S ZVT20矢量网络分析仪，可以提供高达6个测量端口。

定向耦合器的三端口测量

1．为什么采用三端口测量？

采用3个变频模块和合适的矢量网络分析仪，连接一次就可以完成一个三端口的耦合器的测量(图4)。这可以节约测量时间，并能同时测量所有的3×3S参数，而不需要多次连接和多次的二端口校准。采用全3端口的校准取代多次的二端口校准，可以获得更加精确的测量结果。

图4：三端口测量只需三个变频模块。

2．测量设置

R&S ZVT20可以使用高达4个变频模块，而不需要外部信号源。这种解决方案非常紧凑，不需要额外硬件，并提供很高的测量速度。在上文提到的三端口应用中，只需三个变频模块。R&S ZVT20的测量端口5和6为变频模块提供本振信号。如果需要，还可以利用外部Wilkinson功分器将本振信号分配给所有的变频模块。

UOSM校准

UOSM 校准技术的优点是可以利用一个未知的直通件作为标准件。这一未知的直通件仅要求具有很好的正、反向互易性，因此，该未知直通件不要求具有良好的匹配和低损耗特性。甚至价格低廉的、带带标准法兰盘的波导管节、波导弯头和波导扭转接头，只要具有互易特性都可以作为直通件。在校准后所有对输出端口方向的改变都会造成(可避免的)精度损失，因此在这个例子当中，一个H面的波导弯头在波导测试端口1和4，以及测试端口2和4之间建立直通。波导测试端口1和2是通过两个测试端口的直接连接而建立直通的。

定向耦合器的测量结果

图5所示的测量结果是采用1kHz测量带宽而得到的。曲线Trc1为插入损耗，曲线Trc2为耦合度损耗，曲线Trc3为隔离度，曲线Trc4为通过Trc3和Trc2运算得到的方向性系数。

图5：三端口耦合器的测量结果。

关键指标如下：

1. 频率范围：75~110GHz；

2. 波导型号：WR10；

3. 连接类型：兼容UG387/U-M精确的波导法兰盘；

4. 测试端口输出功率：+2dBm，在射频输入口处为+7dBm；

5. 输出功率精度：<4dB(0dB衰减)；

6. 手动功率衰减：0~25dB；

7. 动态范围：95dB(典型值110dB)；

8. 在射频和本振端的输入功率：+5~+10dBm(理想值为+7dBm)；

9. 供电特性：100~240V，47~63Hz；

10. 尺寸(W×H×D)：360.5×110×114mm；

11. 引脚的数目：4个、3个或者无引脚。

配置要求

哪些矢量网络分析仪可以使用该变频模块？

最高工作频率不低于20GHz的R&S ZVA或R&S ZVT都可以使用该变频模块，并假设支持以下两个选件：发生器和接收机的直接连接选件和变频控制软件选件。

需要外部信号源吗？

在第二个例子中(耦合器)，如果变频器的本振信号由R&S SMF100A提供并(通过4端口功分器)被分配给所有的变频模块，则4端口R&S ZVA也可以满足这样的测量。外部信号源必须通过R&S ZVA来控制，这会增加扫描时间，但使用信号源的列表扫描方式可以改善扫描时间。一般而言，如果通过外部信号源提供本振信号，可以增加矢量网络分析仪使用的变频模块数目。例如：通过R&S ZVT20和R&S SMF100A以及一个合适的本振信号分配网络，可以使用6个变频模块。此外，只用一台两端口R&S ZVA24网络分析仪是不能驱动该变频模块的(最少需要4端口)，不过如果加上一台R&S SMF100A就可以使用一个或者两个变频模块。

更多信息

这一文章仅仅给出一些概况，更多的信息可以通过网站(http://www.rohde-schwarz.com)下载。网站上提供了两篇应用文档 (1EZ55、1EZ56)和数据手册。如果读者对矢量网络分析仪感兴趣，推荐阅读“Fundamentals of Vector Network Analysis”。