利用50W实验设备测定75W电路的S参数

经常接触有线、地面或者卫星电视应用的射频工程师往往需要对这些应用电路做S参数测试。有经验的工程师在首次测量时，会验证电视调谐器是否产生他们预期的回波损耗，如果一致，则问题就简化为：如何用一个50W矢量网络分析仪测量75W被测器件的S参数。如果资金充裕，解决办法就是购进一种专门用于测试75W电路的实验仪器(具有75W源和负载阻抗测试端口)。否则使用最小损耗焊盘将输入和输出阻抗从50W转换到75W，这种方法简单易行，并且能够得到合理的测量结果。
当IC生产厂商需要测定一个用于有线电视的低噪声放大器的输入回波损耗时，所有测量结果必须以75W为标准。也就是说，如果输入回波损耗|S11|=-30dB(反射功率是总功率的千分之一，基本上属于理想匹配)，被75W源阻抗驱动时，理想情况下，被测器件基本上把所有功率传递到低噪声放大器中。

图1  用于匹配75W被测器件和50W测试端口的最小损耗焊盘。低频插入损耗5.72dB。频率响应函数的平坦度上限由网络的配置质量决定。

当由50W信号源驱动时,如典型的矢量网络分析仪、信号发生器和噪声系数表等，相同的调谐器输入将不再提供良好的回波损耗特性。直接将这个完全匹配的电视调谐器的输入与一个50W矢量网络分析仪相连，会产生-14dB的输入回波损耗，即反射功率将为总功率的1/25。因此,用这个相同的50W矢量网络分析仪验证电视调谐器输入是否正常时，需要采取某些措施。在这种情况下，相应的匹配电路是必须的。匹配电路必须具有平坦的频率响应曲线和尽可能低的插入损耗。业界广泛认可的方案是：使用最小损耗焊盘(简称MLP)，图1是最简单的纯电阻网络。此网络最明显的特征是能将输入和输出阻抗从75W转换到50W，或者从50W转换到75W。这样可以消除反射，使响应特性变得平坦，并且网络的损耗能够非常简单地从测试仪器标定到被测器件。很多测试设备生产厂商可以提供此类最小损耗焊盘，并且网络易于建立。
从ZLOAD到ZLOAD' 转换的数学推导公式参见附录。所得出的ZLOAD'表达式说明了测试端口(RSOURCE)的等效MLP和DUT的级联阻抗。将公式变形，并用ZLOAD'解出ZLOAD，采取这种方法可以反映出MLP的影响，并且能够从测试数据中测定真实的ZLOAD值，其结果为：

相应的验算过程也是必要的。例如,通过MLP对一个75W电阻做阻抗测量，并假定网络矢量分析仪测定RLOAD'=50W (回波损耗无穷大)。假定RLOAD'=50W，得出R1=43.3W，R2=86.6W，如预期那样得到 ZLOAD=75W。

图2  用50W VNA测试MAX3558有线/地面广播系统的低噪声放大器(两个MLP作阻抗转换)

如果将实部和虚部分开并且利用已得出的数据表来计算。通常对75W被测器件的测试将不仅局限于阻抗测试，回波损耗、增益、反向隔离、噪声系数和IIP3输入三阶截点测试也十分常见。在这种情况下，就有必要对MLP做一些总体的说明。
1. 只要RLOAD 接近75W，那么由于MLP的不匹配而产生的额外的驻波比将是最小的。可以忽略由于不匹配产生的测量误差。
2. 相反，如果RLOAD 值与75W相差甚远，那么MLP就不能进行适当的阻抗转换。这将会在测量端口和MLP以及MLP与被测器件之间产生额外的驻波比，从而导致额外的测量误差。
3.在指定的频率范围之外，MLP可以被看作纯电阻。它提供了5.7dB的插入损耗，再加上由于连接器和连接线而产生的附加损耗。
4. S11或者S22测量输出和返回路径的损耗，传输损耗通过S21或S12测量。是插入损耗的两倍(至少11.4dB)，这降低了矢量网络分析仪的有效灵敏度和动态范围。
假定测量一个有线/地面广播电视用低噪声放大器的S21，如Maxim公司的 MAX3558 四路低噪声放大器。将被测器件插入检测装置，输入和输出均有MLP，如图2所示。然后校准矢量网络分析仪,不包括MLP. 将端口1和一个MLP的50W端口相连，而将75W端口与LNA的输入相连。相同的情况也适用于另一个输出和VNA的端口2。
测量S21(前馈增益)时，矢量网络分析仪在500MHz频率处会指示一个接近-5dB的增益。来自两个 MLP及其连接器/适配器的插入损耗为11.5或12.0dB，LNA提供给75W的功率增益是7dB。
S12(反向隔离)的测量就没有那么直观。这些低噪声放大器的隔离参数是65dB，考虑到两个MLP带来的额外损耗，矢量网络分析仪本身需有77dB的S12。如果不仔细的话，会由于矢量网络分析仪接收端的功率太小而导致无法精确测量。所以，接收端的功率(端口1的功率)要比矢量网络分析仪的噪声/内部隔离至少高10dB，如果没有隔离校准，大概是-100dBm。因此需要设定源端口的功率至少是-20dBm，其最佳值是-10dBm或0dBm。当端口1有足够的接收功率时，就可以进行测量: 在测量值上增加12dB表示插入损耗。也就是说，-77dB的测量值在被测器件看来变成了-65dB。
MAX3558评估板上提供有焊盘，允许工程师在PCB上插入他们自已想要的最小损耗焊盘。值得注意的是，必须用50W SMA接头或类似产品替代75W F型连接器。
在频率为几百兆赫兹时，由0402电阻建立起来的PCB板上MLP会产生测量的准确性问题。寄生效应会破坏先前的假设条件，也即这个网络是纯电阻网络，类似的情况就需要用更复杂的方法。其中一种方法是完全测定MLP的特性，并且用Smith圆图精确标定匹配电路带来的影响。另一种解决办法是使用由电感组成的转换器进行阻抗变换，这样能减少损耗。射频转换器通常由它们的阻抗转换率来表示，而不是转换比率，所以经常会有"1.5:1"出现。
对频率小于1GHz实验系统来说，由1% 0402或类似电阻组成的PCB板上MLP提供了一种快速、简便测试75W电路的方法。通常,唯一需要更正的参数是MLP的插入损耗，即5.7dB加上其它额外的连接器件的损耗。在做基本的S参数测量时并不需要复杂的计算或Smith圆图。当需要较高的测量精度或更高的频率范围时，高质量的MLP通常可以从实验设备生产厂商获得。■ (俊峰译)