让RF仪器发挥最大功效

　如何让你的RF仪器发挥最大效能？

　　新款 RF 仪器均具备绝佳的精确度与测量功能，已大幅超越之前的产品，但如果信号无法达到一定质量，这些仪器也无法发挥其功能；声音测量实际操作与相关要素，将可让使用者完全了解自己投资的 RF仪器。

　　进行稳定的 RF 测量操作

　　在理想状态下，应可轻松进行 RF 测量操作，但实际上却有着许多难题；目前既有的 RF 仪器已经可以满足主要的 RF 测量，如功率、频率与噪声，但”获得结果”不见得就是”获得正确的结果”。若能在 RF 测量操作中建构最佳实作范例，就能确保获得稳定、精确，且可重复使用的测量结果。

　　先了解术语

　　诸如”精确度”、”可重复性”、”分辨率”，与”不确定性”的术语，都经常在 RF 应用中遭混用或误用，反而降低了测量的正确度。在进行 RF 测量操作之前，必须先了解重要术语，还有其正确的对应文字。

　　相对于模拟量表而言，当要在模拟量表上分辨正确读数时，仪器的数字显示方式绝对要简单许多。然而，如果数字显示器呈现小数点后 3 位的数值，则使用者也无法了解仪器或测量操作的分辨率与精确性。

　　即便可显示数千个 dB 的功率，或到小数单位的 Hertz 频率，也不代表该仪器就能测量数分钟之内的变化，所显示的位数应要能超过仪器的测量功能所及。为了完整了解 RF 仪器的功能，应随时参阅规格说明或数据，正确的术语定义，将可减少使用者对测量的疑虑。接着列出常见的几个关键术语：

　　˙分辨率 (Resolution)──仪器所能确实侦测的最小变化量 ；

　　˙可重复性(Repeatability)──在相同条件与结果之下，可重复进行的测量次数；

　　˙不确定性(Uncertainty)──将测得的未知绝对值予以量化 ；

　　˙精确度(Accuracy)──仪器在已知误差范围内所能测得的参数实际/绝对值。

　　如果能预估错误信息来源，往往就能决定测量操作的不确定性。除了上面提到的术语之外，也可以到 National Institute Standards and Technology (NIST) 或其它标准机构，找到相关规格说明文档。可追踪性 (Traceability) 则可确保所有测量仪器均是以常见标准所定义。

　　而”规格 (Specification)”则是由测试设备的保证效能，并可由 NIST 追踪相关校准认证。”典型、常见 (Typical)”意指已完全测试的效能，但并未纳入测量的不确定性。”名目、表列 (Nominal)”效能为辅助信息，而并非所有仪器都经过此项测量。

　　精确度为仪器在已知误差范围内所能测得的参数实际/绝对值，也就是所谓的 X plus 或 minus Y。如果没有某些误差限制与单位，则测量值”34”并无任何意义。同样的，仅有”5”的误差规格也无任何意义；但”5%”的误差标准也没意义。

　　“5%”可代表”±5%”，也可为”+3%”或”-2%”；举例来说，精确度的正确表示方式应为”34 V +/- 1 V”、”34 V +/- 1%”，或”34 V +2/-1 V”。进一步了解 RF 测量术语，就能更熟悉其意义。如果要与别人精确沟通测量操作，则应该先了解相关结果。

　　了解自己的受测设备

　　受测设备(Device under test，DUT) 可能大幅影响 RF 测量操作。举例来说，温度就可能影响稳定性与可重复性，许多 RF 设备与仪器并不会自行补偿温度变化，因此必须先稳定温度，才能将测量操作的漂移错误降至最低。还有立即的环境影响(如是否有空调循环、是否加盖与嵌板、处于室内或室外、是否靠近热源) 均应纳入变量考虑，并应注意暖机次数、DUT 冷却条件，与外围环境，与保持稳定的温度。

　　在主动式设备中，多余的功率可能造成设备发热；以高功率的放大器为例，DUT 本身可达稳定的温度，但后续的组件就不一定，衔接放大器输出的切换器与衰减器就常有升温现象。这时就可能要找出由放大器所产生的不定信号，如谐波。

　　电源供应线可能产生环境噪声，并直接影响输出；而当放大器处于压缩状态时，若测量其线性参数 (增益与相位) 也将无法得到相关结果。因为所有因素均将影响 RF 测量操作的精确度，在测量设备之前，先行了解 DUT、操作方式，与其对 RF 测量参数的影响，才能获得有意义的结果。

　　找出不确定性的范围

　　若要比对 RF 测试设备的规格与 DUT 的测量需求，还略显不足；如果 RF 测量操作的频率较高，而仪器又较不符合所需规格时，更加扩大不确定性的范围。接着各个测量步骤均可能发生错误，进而影响整体结果。当进行错误测量时，应先找出测量操作的可能错误，再找出可能影响的 DUT。

　　使用者应该了解仪器的重要操作规格，还有各个测量步骤所牵连的设备 (包含 DUT 在内)；而其它相关规格则应了解配对、功率、频率响应与噪声系数。也应了解所有参数的容错范围，并记住如下的参数：

　　˙RF 切换的可重复性、老化程度，与功率承载；

　　˙耦合器的方向系数，连接线的相位稳定性，还有转接器的插入(Insert)损耗与折返损耗 (Return loss)；

　　˙电路板线路的阻抗质量、适配卡插槽，与电路板的传输开关情形 ；

　　˙测量操作的电磁波干扰(EMI http://www.eettaiwan.com/CAT_480602_EMI-EMC-design.HTM>)强度。

　　并未正式纳入考虑的还有冷却、谐波、混附信号(Spur)，与其它非线性动作，均可能影响测量操作。可查阅整体设定情形，再找出各个部分的误差幅度，以得到测量不确定性的实际数据。另应找出错误来源，以了解其对精确度、可重复性与不确定性的影响，如此将可得到更精准的测量结果，并可高效率决定预算与资源。

　　注意所有组件与连结

　　产品的开发、设计、测试，直到上市的成本，都是巨额的投资。公司的能否延续，可能就以 1 款产品的效能而定生死。对高效能的 RF 测试设备来说，由于必须能满足甚或超过目前市场所需的重要规格，因此其可能投入的资金更是难以估计。除了必须具备竞争优势之外，也可能影响公司的后续营收。

　　但是昂贵、高效能，且精确校准过的 DUT 与测试系统还不够，针对中间用以衔接设备用的连结组件，也必须考虑其质量与可重复性。若能提升关键规格达 1/10 或 1/5 的 dB，就可能达到高竞争优势。

　　对绝大部分的标准而言，最好是能达到 1：1.5 的电压驻波比(VSWR)，但匹配(Match)的强度也可能影响错误的为匹配的不确定性达 +/-0.35dB (约略值)。当造成过多的不确定性时，就不可能达到 0.2 dB 的关键规格。

　　其它受到忽略的项目 (如连接线、切换器、衰减器、插槽、转接器，与配件) 也能影响整体的测量结果。如果要开始测量操作，应先达到所需的精确度，接着选择合适的组件。依目前公认的标准，测量系统的效能最好达到 DUT 受测参数的 10 倍之谱。

　　如果已经拥有高质量的信号路径，则接着就是安排完整的测量实作；使用者应确保清洁并存放连接线、接头，与转接器，就算是最高级的连接线与转接器也会磨损，若零件老化就应淘汰，这些都算测试操作的耗材，并应逐步减少转接器的使用机会。

　　此外应定期使用扳手与线路量表进行调整，即可尽量避免热切换(Hot-switching)；并请注意，应适时静电放电 (Electro-static discharge，ESD)。即便于测试系统与 DUT 之间使用最高质量的组件，若连接的零件过多，也可能造成测量错误。

　　为测量操作选用正确的工具

　　根据所要测量的参数与所需的精确度，其测量 DUT 的 RF 设备也有所不同。能投资设备当然最好，但如果仅能发挥设备某部分的效能，就形成预算浪费。如果仅需测量 RF 功率，则 RF 功率计当然优于矢量信号分析仪 (VSA)。

　　标量(Scalar)仪器仅能测量强度 (振幅)，而矢量仪器则可测量强度与相位。就算测量操作不需相位值，则由于矢量仪器的相位信息可找出系统中的无用反射并将之量化，因此也可用以修正错误。

　　在购买 RF 设备时，价格往往并不等同于功能。高质量的扫频调协频谱分析仪(Swept-tuned spectrum analyzer)，往往就能占去大部分的预算；就该款仪器原始的测量功能而言，虽然已可达 ± 1 dB 或较差的精确度并可用于一般测量，但却无法满足绝对 RF 功率的测量需要。同样的，若使用中的仪器可达 -140 dBm/Hz 的噪声水平，此款仪器就难以测量 -155 dBm/Hz 噪声水平的 DUT。

　　所以请为测量选择正确的工具；若购买的设备效能超出所需的测量精确度太多，就浪费了成本与资源，而且可能排挤到其它部分的预算分配。在某些情况下，连接线与切换器甚至更有助于提升测量质量。

　　开发测量程序

　　一旦建构自己所需的最佳实作，就可以将其安装到测量程序中，更有利于整个团队的沟通，接着就能让 RF 测量结果达到更好的可重复性与一致性。举例来说，测量程序的常见问题之一就是：”应多久校准 1 次”。

　　许多 RF 仪器对环境的变化极其敏感，因此就必须时常校准设备；高精确度的测量需求也常常影响了校准频率。不论哪种情况，均应了解 RF 设备的校准需求，并将之列入测量程序中。

　　从设计、检验、测试，到制造的所有程序，都会影响 RF 的测量功能。使用者也需考虑制造过程所应测试并检验的操作参数，而可能影响精确度、可重复性，与不确定性的前/后 1 项程序 (如重新操作、焊接、组装，与绝缘)，均应纳入考虑。

　　若要建构良好的 RF 实作，也应考虑相关程序。也可连带简化学习与标准化的过程。而后续从建构程序直到产品使用寿命，”一致性”也将影响 RF 参数与测量结果。

　　提高 RF 测量操作的质量

　　要进行 RF 测量操作很简单，但要能准确测量就有些许难度。若能建构完整实作并用于程序之中，将可提升 RF 测量的质量。

　　还有许多方法可找出并建置最佳实作范例。应不断设法提升 RF 测量质量，以确实了解测量要点并用于实作之中。从提高 RF 测量技巧到完整发挥 RF 设备的效能，此篇技术文章所提及的步骤均属于基础概念而已。