陳 婷 姜 河 任士卿 盧 娟 陳悅持

（1.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京100094）

1 引 言

非線性網(wǎng)絡(luò)分析儀（Nonlinear Vector Network Analyzer）是近些年來繼大信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析儀之后發(fā)展起來的用于測(cè)量器件非線性特性的微波儀器［1］，主要用于測(cè)量功率放大器的非線性特性。工程師在進(jìn)行功率放大器的設(shè)計(jì)時(shí)，利用非線性網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果，可以進(jìn)行建模、仿真，優(yōu)化放大器的設(shè)計(jì)流程，使得功率放大器的仿真設(shè)計(jì)更加高效和精準(zhǔn)［2，3］。非線性矢網(wǎng)與傳統(tǒng)的矢網(wǎng)的一個(gè)根本區(qū)別是其測(cè)量的不再是頻率相同的信號(hào)，而是將諧波分量對(duì)基波的影響也考慮進(jìn)去。非線性矢網(wǎng)能夠分析器件的入射端口和出射端口的各次諧波分量對(duì)被測(cè)器件輸出端口信號(hào)的影響。為了對(duì)諧波幅度和相位進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，非線性網(wǎng)絡(luò)分析儀在校準(zhǔn)時(shí)除了常規(guī)的矢量校準(zhǔn)，還增加了諧波相位校準(zhǔn)和絕對(duì)功率校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以對(duì)被測(cè)件的輸入輸出端口的基波、各次諧波的幅度和相位進(jìn)行準(zhǔn)確的表征［4］。

對(duì)于傳統(tǒng)線性網(wǎng)絡(luò)分析儀來說，為了對(duì)其校準(zhǔn)后的指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證一般需要一個(gè)或一組有標(biāo)準(zhǔn)值的檢驗(yàn)件，通過校準(zhǔn)值和檢驗(yàn)件的標(biāo)準(zhǔn)值的比較，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)分析儀的技術(shù)指標(biāo)，而檢驗(yàn)件的標(biāo)準(zhǔn)值由更高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)得到。對(duì)于非線性網(wǎng)絡(luò)分析儀來說，由于需要對(duì)基波和各次諧波的幅度和相位進(jìn)行驗(yàn)證，同樣需要一個(gè)性能穩(wěn)定的能產(chǎn)生豐富諧波的器件作為標(biāo)準(zhǔn)器，并且能夠通過更高一級(jí)的計(jì)量設(shè)備對(duì)其計(jì)量特性進(jìn)行定標(biāo)。

本文一方面設(shè)計(jì)了一種非線性檢驗(yàn)件，該檢驗(yàn)件的核心器件為非線性傳輸線（NLTL），具備穩(wěn)定可知的基頻及其各次諧波分量，能夠作為非線性S 參數(shù)檢驗(yàn)件對(duì)非線性網(wǎng)絡(luò)分析儀的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。另一方面研究了一種基于實(shí)時(shí)示波器的NVNA 諧波相位檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件的定標(biāo)方法。相對(duì)于諧波相位來說，諧波幅度的定標(biāo)相對(duì)較為容易，可以用校準(zhǔn)后的頻譜分析儀等設(shè)備進(jìn)行定標(biāo)，屬于直接測(cè)量法且具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，而對(duì)于諧波相位的定標(biāo)，則需要從時(shí)域信號(hào)著手，通過數(shù)據(jù)采集、傅立葉變換及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理得到相對(duì)準(zhǔn)確的定標(biāo)結(jié)果。

2 非線性檢驗(yàn)件的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用非線性傳輸線模塊作為諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器的核心器件，非線性傳輸線為一類微波傳輸線，在特定條件下呈現(xiàn)高阻特性。當(dāng)在其上周期性的放置一系列電壓反偏置肖特基二極管時(shí)，這時(shí)該傳輸線工作在強(qiáng)色散狀態(tài)下，輸入的脈沖信號(hào)在經(jīng)過該器件時(shí)邊沿講發(fā)生壓縮，上升或下降時(shí)間最高可達(dá)到皮秒量級(jí)［5］?？紤]最理想的情況，輸入信號(hào)為單頻的正弦波時(shí)，在該非線性傳輸線的輸出端將激勵(lì)出豐富的諧波分量，這些諧波分量的譜線像梳子的結(jié)構(gòu)，各個(gè)譜線之間時(shí)離散的，正因?yàn)橛腥绱酥嗟闹C波分量，所以利用非線性傳輸線的這一特性將其作為NVNA 的諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器開展諧波相位的檢驗(yàn)［6］。與其它結(jié)構(gòu)的梳狀譜發(fā)生器相比較，非線性傳輸線電路在設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮匹配特性以及不需要加入偏置電壓，所以在電路結(jié)構(gòu)上容易設(shè)計(jì)、便于調(diào)試，特性相對(duì)穩(wěn)定，適合作為諧波相位驗(yàn)證件使用。其原理和等效圖如圖1 所示。

本方法中的核心器件為非線性傳輸線，為了使電路較少的受負(fù)載匹配特性以及入射信號(hào)的電平的影響，以使得諧波分量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的前端電平穩(wěn)定電路以及后端均幅電路，易于作為非線性諧波相位檢驗(yàn)電路。

目標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。

1）輸入頻率范圍:600MHz ～1500MHz；

2）輸出頻率范圍:1GHz ～18GHz；

3）輸入信號(hào)功率:-10dBm ～8dBm；

4）輸出諧波幅度:＞-20dBm@6GHz，＞-25dBm@12GHz，＞-30dBm@18GHz；

5）輸出信號(hào)諧波相位重復(fù)性:sn＜2° （n=6）；

6）輸出信號(hào)諧波幅度重復(fù)性:sn＜0.2dB （n=6）。

2.1 非線性核心電路

非線性傳輸線的芯片有幾種，其中一種是由分立的肖特基二極管構(gòu)成，這種電路造價(jià)低廉，寄生參數(shù)大、帶寬小，最小脈寬在90 皮秒左右，若要加大非線性傳輸線的帶寬，必須減小寄生參數(shù)。所以，本文中采用的是一種形式的非線性傳輸線，其采用GaAs 半導(dǎo)體技術(shù)，由單片模塊構(gòu)成，最高帶寬可以達(dá)到40GHz 以上。

本文采用的非線性傳輸線芯片的入射信號(hào)頻率為600MHz ～1.5GHz，在非線性激勵(lì)下，輸出信號(hào)的諧波頻率在20GHz 以上。按照芯片的技術(shù)說明書要求，輸入電平不低于18dBm，而且輸出各次諧波幅度對(duì)輸入電平比較敏感，當(dāng)輸入電平大于21dBm 時(shí)，敏感度將減小，在高頻波段保持不變。輸出頻譜的低頻波段，功率過大，應(yīng)該采取相應(yīng)幅度均衡技術(shù)，降頻該波段的功率電平。

2.2 前端電平穩(wěn)定電路

根據(jù)非線性傳輸線芯片的說明書要求，前端電平穩(wěn)定電路要求能將輸入給NLTL 器件的信號(hào)電平穩(wěn)定在21dBm。前端電平穩(wěn)定電路由檢波電路、積分電路、電壓參考電路及功率放大、衰減模塊構(gòu)成。檢波器的控制電壓由電壓參考模塊產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)給出，反饋環(huán)路由積分器及放大衰減模塊構(gòu)成；正弦波輸出電平能夠穩(wěn)定在21dBm，電平變化不大于0.05dB/10℃。

圖2 前端電平穩(wěn)定電路圖Fig.2 Front ALC

2.3 后端均幅模塊

在NLTL 輸出端，為了使諧波信號(hào)的輸出電平更加均衡，需要增加均幅模塊。本項(xiàng)目NLTL 輸出電平的均衡增益拐點(diǎn)大致在3GHz，所以需要對(duì)3GHz 以下頻段進(jìn)行漸變衰減。根據(jù)這個(gè)要求，設(shè)計(jì)由加載電阻和微帶枝節(jié)構(gòu)成的均衡器，通過ADS 仿真優(yōu)化，使輸出信號(hào)電平隨頻率的響應(yīng)小于10dB。

2.4 屏蔽盒及電路連接

由于非線性對(duì)干擾及互擾敏感，為了降低外部干擾，同時(shí)減小內(nèi)部互擾，設(shè)計(jì)了屏蔽盒對(duì)外部和內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行隔離，使各個(gè)不同區(qū)域的隔離度不小于幾十分貝。采用羅杰斯陶瓷板和多層FR-4 多層混壓技術(shù)的印制板，兼顧信號(hào)完整性與結(jié)構(gòu)的緊湊。用SMA 電纜相連電源供電電路和射頻部分；屏蔽盒的底板為厚銅板，以此減小熱累積，提高散熱效率。

3 諧波相位定標(biāo)

時(shí)域采樣變換到頻域分析是諧波相位的定標(biāo)常采用的方法，通過周期脈沖信號(hào)與對(duì)應(yīng)頻譜之間的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)相位定標(biāo)。目前主要方式是通過電光取樣系統(tǒng)或取樣示波器進(jìn)行時(shí)域采樣，再將時(shí)域信息傅氏變換得到頻域相位［7］。電光取樣系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度很高，但系統(tǒng)構(gòu)建比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)具備電光取樣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室比較少；取樣示波器法測(cè)量諧波相位時(shí)，要修正時(shí)基漂移、抖動(dòng)與失真等時(shí)基誤差，如果修正不完善對(duì)諧波相位的定標(biāo)值影響比較大。本文采用實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行諧波相位測(cè)量，相較于取樣示波器，實(shí)時(shí)示波器的時(shí)基誤差可以忽略，測(cè)量準(zhǔn)確度更高。對(duì)實(shí)時(shí)示波器的要求是帶寬足夠?qū)?，目前業(yè)界最高頻率的實(shí)時(shí)示波器頻率可達(dá)110GHz，本文采用的實(shí)時(shí)示波器帶寬為67GHz，完全滿足輸出諧波最高頻率為20GHz 的諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器的對(duì)采樣率的要求。

3.1 諧波相位定標(biāo)系統(tǒng)

定標(biāo)系統(tǒng)的組成框圖如圖3 所示，信號(hào)發(fā)生器輸出的射頻信號(hào)分為兩路，一路作為觸發(fā)信號(hào)給示波器的觸發(fā)輸入口，另一路給被測(cè)諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器作為激勵(lì)信號(hào)。諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器輸出的諧波進(jìn)入示波器的測(cè)量通道，示波器采集多個(gè)周期的信號(hào)作為一組，測(cè)量10 組信號(hào)，由計(jì)算機(jī)采集進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提取諧波相位。定標(biāo)流程如圖4 所示。首先對(duì)10 組信號(hào)進(jìn)行相關(guān)對(duì)準(zhǔn)，再對(duì)該信號(hào)進(jìn)行平均以去除噪聲的影響，對(duì)平均去噪后的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，利用阻抗測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行阻抗失配的修正，修正后的數(shù)據(jù)對(duì)相位信息進(jìn)行接纏繞和去斜率處理，得到最終的諧波相位定標(biāo)值。

圖3 諧波相位定標(biāo)系統(tǒng)框圖Fig.3 Harmonic phase calibration system

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 阻抗失配修正

非線性檢驗(yàn)件的阻抗與示波器探頭的阻抗的不一致會(huì)導(dǎo)致阻抗失配，示波器測(cè)量得到的波形會(huì)失真，對(duì)傅里葉變換后頻域信號(hào)的幅度和相位產(chǎn)生影響，從而降低測(cè)量準(zhǔn)確度，所以需要對(duì)阻抗失配加以修正［8］。

圖4 定標(biāo)流程圖Fig.4 Calibration flow chart

為了修正阻抗失配，需要對(duì)非線性檢驗(yàn)件的輸出阻抗和示波器的輸入阻抗進(jìn)行測(cè)量，所用的設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)分析儀。通過測(cè)量得到二者的反射系數(shù)，在對(duì)示波器測(cè)得的時(shí)域信號(hào)傅里葉變換到頻域后，在頻域上利用測(cè)得的反射系數(shù)修正阻抗失配對(duì)輸出信號(hào)幅度和相位的影響。

非線性檢驗(yàn)件和示波器探頭間的阻抗失配的示意圖及信號(hào)流圖如圖5 所示。

圖5 阻抗失配原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of impedance mismatch principle

由信號(hào)流圖得到公式為

式中:ΓHPR——非線性檢驗(yàn)件輸出端反射系數(shù):ΓScope——示波 器 探 頭 入 射 端 反 射 系 數(shù)；ΓHPR，ΓScope——矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)二者的測(cè)得值；M——示波器測(cè)量時(shí)域信號(hào)后經(jīng)傅里葉變換計(jì)算得到的頻域信號(hào)；HHPR——非線性檢驗(yàn)件的輸出頻譜。

3.2.2 相位的解纏繞和去斜率

為了得到非線性檢驗(yàn)件的各次諧波之間的相對(duì)相位關(guān)系，在上述阻抗修正后，需要對(duì)頻域信號(hào)的相位信息進(jìn)行處理，進(jìn)行解纏繞和去斜率運(yùn)算。

由信號(hào)的離散傅立葉變換算法可知，通過對(duì)頻域信號(hào)的反正切運(yùn)算得到相位信息，反正切的函數(shù)使得相位在-π 至+π 之間，所以存在相位折疊，也稱為纏繞。根據(jù)離散傅立葉變換性質(zhì)，若數(shù)列x［n］的離散傅立葉變換的幅度譜為MagX［k］、相位譜為PhaseX［k］，當(dāng)給該數(shù)列加一個(gè)延遲，即在橫軸上向右移動(dòng)m個(gè)單位時(shí)，得到新的序列x［n+m］，計(jì)算x［n+m］離散傅立葉變換，得到延時(shí)后的幅度譜MagX［k］、相位譜PhaseX［k］ +2πmf，這里f為相位譜的頻率，范圍為0～0.5fs，fs為信號(hào)帶寬。fs的值可在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)具體需求確定。若示波器的采樣間隔為Ts，則fs為Ts的倒數(shù)。

上述變換中頻域附加的線性項(xiàng)2πmf是由于時(shí)域上的延遲導(dǎo)致的，該線性項(xiàng)使得頻域的相位譜線的斜率改變。當(dāng)施加的延時(shí)不同時(shí)變化的斜率也不同，所以當(dāng)進(jìn)行諧波相對(duì)相位的計(jì)算時(shí)，由于時(shí)域取樣時(shí)間的不同，需要對(duì)這一斜率進(jìn)行去除，編寫算法去掉不同的斜率以便于對(duì)非線性檢驗(yàn)件的諧波相位進(jìn)行比較。

最小二乘法可用于去除諧波相位斜率。首先對(duì)反正切變換得到的相位譜進(jìn)行解纏繞，然后將一個(gè)斜率可變的線性分量疊加在解纏繞后的相位譜上，計(jì)算各個(gè)相位譜的方差，保留方差最小的相位譜作為目標(biāo)相位。在編制算法時(shí)為了提高運(yùn)算效率并保證結(jié)果的準(zhǔn)確度，可先設(shè)置較大步進(jìn)量的疊加斜率，如1°；以此步進(jìn)量計(jì)算0°～360°斜率時(shí)的相位譜方差，得到此間最小方差對(duì)應(yīng)的斜率與相位譜線。然后細(xì)化斜率遞進(jìn)值，使其在此斜率的±1°范圍內(nèi)以較小的間隔步進(jìn)，如0.1°，返回最小方差對(duì)應(yīng)的斜率與相位譜線，迭代該過程直到得到平坦的相位譜估計(jì)值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器的頻譜圖如圖6 所示。用頻譜分析儀測(cè)量可見在1GHz 信號(hào)的激勵(lì)下，產(chǎn)生間隔為1GHz 的諧波信號(hào)，這里最高測(cè)量到20GHz?；ㄐ盘?hào)功率在-13dBm 左右，各次諧波功率在（ -12～-30）dBm 之間。

圖6 諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器頻譜圖Fig.6 Spectrum of harmonic phase standard

用校準(zhǔn)后的NVNA 對(duì)其相位進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量，測(cè)量6 次，計(jì)算均值和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示?？梢姡? 次的諧波相位實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足本設(shè)計(jì)提出的指標(biāo)要求，具有較好的諧波相位重復(fù)性，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

用實(shí)時(shí)示波器對(duì)諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，對(duì)直接采集的數(shù)據(jù)按文中所述方法進(jìn)行阻抗失配修正、相位的解纏繞，然后再和NVNA 測(cè)量得到的信號(hào)進(jìn)行去斜率處理，得到的相位定標(biāo)值及與NVNA 測(cè)量得到的差值見表2。

從上述測(cè)量數(shù)據(jù)可見，以諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器為傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，以示波器測(cè)得值作為定標(biāo)值，在18GHz 范圍內(nèi)，用NVNA 測(cè)得的諧波相位值誤差在±1°以內(nèi)。

表1 諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器相位重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Phase repeatability measurement data of harmonic phase standard 單位（°）

表2 諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器相位定標(biāo)值比較Tab.2 Comparison of phase calibration values of harmonic phase standard 單位（°）

5 結(jié)束語

用非線性傳輸線作為核心器件，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)幅、均衡電路，使得電路輸出諧波分量豐富、幅度均衡、相位穩(wěn)定，可作為檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的諧波相位指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)器使用。通過高速實(shí)時(shí)示波器對(duì)其輸出信號(hào)采樣，進(jìn)行傅立葉變換，并進(jìn)行阻抗失配修正、相位解纏繞和去斜率處理得到諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器的定標(biāo)數(shù)據(jù)。使用高速實(shí)時(shí)示波器對(duì)諧波相位進(jìn)行測(cè)量，較EOS 測(cè)量系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單，又避免了取樣示波器測(cè)量時(shí)的時(shí)基抖動(dòng)等問題，可以作為諧波相位標(biāo)準(zhǔn)器的定標(biāo)方法之一。