技術(shù)文章 | 非線性傳輸線(NLTL)技術(shù)改善矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀性能

一、非線性傳輸線(NLTL)技術(shù)介紹

非線性傳輸線（NLTL）技術(shù)一直以來(lái)被用于脈沖整形應(yīng)用和數(shù)字示波器。多年來(lái)，它已經(jīng)被證明是一個(gè)非常可靠的、強(qiáng)大的技術(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，NLTL是支持沖擊和孤子等非線性電波傳播的分布式設(shè)備。沖擊波沿著NLTL的傳播非常像海浪在海岸破碎前的運(yùn)動(dòng)。在其最基本的形式中，NLTL由負(fù)載變?nèi)荻O管的高阻抗傳輸線組成，變?nèi)荻O管形成傳播介質(zhì)，其相位速度和時(shí)間延遲是二極管兩端瞬時(shí)電壓的函數(shù)（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(shí)間延遲越長(zhǎng)。相反，電壓越高，相位速度越大，時(shí)間延遲越短。當(dāng)作用于施加到其輸入端的梯形電壓波形的一部分時(shí)，NLTL壓縮波形的前端，從而產(chǎn)生諧波非常豐富的階梯狀電壓。

統(tǒng)一的 NLTL

圖1 當(dāng)波沿著非線性傳輸線傳播時(shí)，電波的下降沿受到壓縮

通過利用NLTL的下降時(shí)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(hào)開始的采樣接收機(jī)（圖2）。脈沖形成過程中的一個(gè)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(zhuǎn)換為脈沖。另一方面，寬帶分布式諧波產(chǎn)生是通過利用NLTL的“諧波增長(zhǎng)”特性實(shí)現(xiàn)的。由于任何矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，簡(jiǎn)稱矢網(wǎng)）的兩個(gè)主要功能是產(chǎn)生信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行采樣，因此NLTL技術(shù)特別適合在此類儀器中使用。利用NLTL產(chǎn)生了對(duì)稱窄脈沖,并將其應(yīng)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(lái)做寬帶延遲線。NLTL中包含非線性元件因此它可以用來(lái)做頻率變換。

圖2 非統(tǒng)一NLTL增強(qiáng)了下降時(shí)間壓縮，并在由CW信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一系列階梯狀波形。階躍微分產(chǎn)生用于采樣器選通的脈沖串。

二、矢網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

矢網(wǎng)基于混頻器或采樣器的使用。在傳統(tǒng)的采樣VNA中，采樣器由階躍恢復(fù)二極管（SRD）電路產(chǎn)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(biāo)是捕獲S參數(shù)數(shù)據(jù)。如今，大多數(shù)VNA都是為與50歐姆阻抗的DUT一起使用而設(shè)計(jì)的。捕獲S參數(shù)數(shù)據(jù)的基本要求包括：

• 一個(gè)或多個(gè)信號(hào)源，至少具有可控頻率和足夠干凈的頻譜，用于進(jìn)行測(cè)量。信號(hào)源的功率最好可控。

• 定向設(shè)備（無(wú)論是物理定向還是計(jì)算定向）用于在端口處分離入射波和反射波。

• 當(dāng)信號(hào)源比端口少，或者接收機(jī)比端口多或少時(shí)，一種切換RF信號(hào)的方法。

• 一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)，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(jìn)行處理。

• 中頻部分和數(shù)字化器，用于將轉(zhuǎn)換后的波幅轉(zhuǎn)換為有用的計(jì)算形式。

  
  

圖3 兩端口VNA典型方框圖

三、先前矢網(wǎng)結(jié)構(gòu)的局限性

VNA利用采樣器、諧波混頻器或其組合在數(shù)字化之前將測(cè)量信號(hào)下變頻到中頻（IF）。這種下變頻器件在VNA中起著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈儧Q定了重要參數(shù)的界限，如轉(zhuǎn)換效率、接收機(jī)壓縮、測(cè)量通道之間的隔離以及被測(cè)器件（DUT）端口處產(chǎn)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(jiǎn)單的本地振蕩器（LO）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和增強(qiáng)的雜散管理優(yōu)勢(shì)。

在微波和毫米波頻率下（接收機(jī)壓縮和成本是主要問題），經(jīng)常使用諧波采樣。VNA傳統(tǒng)上依靠肖特基二極管作為開關(guān)，并依靠SRD產(chǎn)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(jì)數(shù)器。

在基于SRD的采樣VNA中，傳輸測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍通常受到用于隔離測(cè)試通道的設(shè)備帶寬的限制，抑制泄漏信號(hào)需要在功分器的輸出臂中使用寬帶隔離裝置。

測(cè)試通道之間的泄漏

此外，這些泄漏信號(hào)是頻率相關(guān)的，并且不能通過校準(zhǔn)來(lái)去除。因此，它們對(duì)基于SRD的采樣VNA的動(dòng)態(tài)范圍施加了限制。

因此，有限的動(dòng)態(tài)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(shù)（例如弱串?dāng)_）必須測(cè)量的器件。

除了基于SRD的VNA的設(shè)計(jì)問題和RF帶寬限制外，寬帶VNA測(cè)量的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性和質(zhì)量也可能受到以下挑戰(zhàn)：

•      物理上大型和非均勻的測(cè)量結(jié)構(gòu)，利用離散元件，如反射計(jì)、接收機(jī)、信號(hào)調(diào)節(jié)備、互連電纜、波導(dǎo)管等；

• 高頻復(fù)用方案；

•       復(fù)雜的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，如諧波頻率轉(zhuǎn)換器和復(fù)雜的本振分配網(wǎng)絡(luò)。

四、NLTL技術(shù)在矢網(wǎng)中的應(yīng)用

由于NLTL技術(shù)有很吸引人的特性，基于NLTL的采樣器已被開發(fā)用于安立多個(gè)系列的VNA，并且申請(qǐng)了技術(shù)專利。這些特性包括RF和本振頻率可擴(kuò)展性，以及高的通道間隔離。高隔離度是實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵。它是通過放大器、濾波器和其他隔離元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖5）。例如，可以通過添加額外的隔離元件來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)測(cè)試通道1和2之間的隔離。

另一種架構(gòu)是基于非線性傳輸線（NLTL）采樣器和分布式諧波發(fā)生器的VNA。配置為提供可擴(kuò)展操作特性的基于NLTL的采樣器現(xiàn)在提供了更有益的替代方案。它們不僅允許簡(jiǎn)化VNA架構(gòu)，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

五、NLTL技術(shù)在矢網(wǎng)中的應(yīng)用

• NLTL技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及其帶來(lái)的好處

表 1. NLTL 技術(shù)優(yōu)勢(shì)和好處

• 小型反射計(jì)

基于NLTL的VNA的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是各種組成部分的高度單片集成，其中包括采樣接收機(jī)、分布式諧波發(fā)生器、定向電橋和其他關(guān)鍵部件。由此產(chǎn)生的反射計(jì)模塊具有相同的熱穩(wěn)定質(zhì)量，并且尺寸較?。▓D6），從而大大降低了溫度變化。這反過來(lái)又導(dǎo)致高度優(yōu)化的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及較少的VNA校準(zhǔn)。此外，消除了各種反射計(jì)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(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

基于NLTL的反射計(jì)的緊湊特性使VNA的幾個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用成為可能，例如：

• 高頻晶圓測(cè)試的主要優(yōu)點(diǎn)是將VNA定位在離DUT最近的位置。通過將反射計(jì)直接連接到晶圓探針，提高了方向性、端口功率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

• 密集的多端口晶圓測(cè)量。

• 用于在生產(chǎn)環(huán)境中測(cè)試組件的極低成本解決方案。

• 適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的高頻手持式VNA。

(a) 基于NLTL的小型頻率擴(kuò)展反射計(jì)的簡(jiǎn)化框圖

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

圖6 小型反射計(jì)

• 最大化寬頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍

NLTL采樣器具有極寬的射頻帶寬（圖7），可擴(kuò)展到亞毫米波頻率。連續(xù)頻率覆蓋范圍僅受同軸連接器帶寬和NLTL倍頻器鏈數(shù)量的限制。當(dāng)與定向橋相結(jié)合時(shí)，NLTL采樣器增強(qiáng)了VNA的方向性。

相比之下，較舊的架構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)大型外部組合器來(lái)連接兩個(gè)頻帶以擴(kuò)展VNA的頻率范圍。這樣的實(shí)現(xiàn)方式惡化了VNA的原始方向性和輸出功率。

圖7 基于NLTL的采樣器表現(xiàn)出極寬的RF帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基于SRD的采樣器

圖8 基于NLTL的VNA的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍通常在高達(dá)125GHz時(shí)超過100dB，在高達(dá)145GHz時(shí)超過95dB。

• 無(wú)與倫比的穩(wěn)定性

圖9 基于NLTL的VNA的集成設(shè)計(jì)在非常寬的頻率范圍內(nèi)保持了優(yōu)異的穩(wěn)定性，如這個(gè)24小時(shí)反射測(cè)量所示

• 提高性價(jià)比

基于NLTL的片上VNA提升了VNA的功能，并引入了許多新的應(yīng)用空間。對(duì)價(jià)格敏感的器件制造商面臨著日益增長(zhǎng)的需求，但必須滿足更低的價(jià)格點(diǎn)，才能生產(chǎn)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(duì)高容量微波回傳的需求，對(duì)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的便攜式微波解決方案的需求正在增長(zhǎng)?；贜LTL的片上VNA使便攜式VNA能夠以與低頻型號(hào)相同的外形尺寸達(dá)到高達(dá)40GHz的頻率，同時(shí)保持電池壽命。

六、安立在其矢網(wǎng)系列產(chǎn)品中應(yīng)用NLTL技術(shù)

安立針對(duì)高頻使用對(duì)NLTL技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并輔以新型單片寬帶定向橋、多路復(fù)用器和其他關(guān)鍵器件，從而產(chǎn)生了基于NLTL的采樣器和分布式諧波發(fā)生器，克服了上述基于SRD的采樣VNA的局限性，滿足了對(duì)高性能頻率可擴(kuò)展VNA架構(gòu)的需求。

安立在其許多最新的VNA解決方案中采用了NLTL技術(shù)，從最高級(jí)性能到成本敏感應(yīng)用的解決方案，包括現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的微波系統(tǒng)測(cè)試。

VectorStar MS4640B 高端矢網(wǎng)系列

ShockLine? 高性能和經(jīng)濟(jì)型矢網(wǎng)系列

ShockLine?矢量網(wǎng)絡(luò)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(shù)將工作頻率擴(kuò)展到92 GHz，降低儀器成本，提高精度，并將測(cè)量不確定性降至最低。這些VNA非常適合簡(jiǎn)單的工程、生產(chǎn)和成本敏感的教育應(yīng)用。安立的專利非線性傳輸線（NLTL）技術(shù)片上VNA技術(shù)簡(jiǎn)化了內(nèi)部VNA架構(gòu)，降低了儀器的尺寸和成本，同時(shí)提高了精度和測(cè)量重復(fù)性。

END

本文概述了安立VNA系列中采用的高頻專利技術(shù)。結(jié)果表明，與現(xiàn)有解決方案相比，NLTL技術(shù)產(chǎn)生了小型VNA反射計(jì)，該反射計(jì)在寬頻率范圍內(nèi)提供了增強(qiáng)的性能，并降低了測(cè)量復(fù)雜性?；贜LTL的采樣器和分布式諧波發(fā)生器與反射計(jì)的頻率可擴(kuò)展性相結(jié)合，為VNA用戶提供了一個(gè)獨(dú)特而引人注目的解決方案，以滿足他們當(dāng)前和未來(lái)的高頻測(cè)量需求，并由此了解安立公司矢網(wǎng)產(chǎn)品的高性能、寬頻率范圍、高穩(wěn)定性和高性價(jià)比的特點(diǎn)，為大家選擇矢網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)提供借鑒意義。