了解什么是非線性矢量分析

1、第 頁非線性測雖簡介：*AgilentTechnologies了解什么是非線性矢量分析現(xiàn)在，研究和設(shè)計高性能射頻有源器件的工程師和科學(xué)家們正而臨著諸多難題，其中的關(guān)鍵涉及到怎樣表征器件的非線性特性，從而能降低器件的非線性帶來的不利影響，或者可以對其加以利用，提供一個線性的、高效的大功率解決方案。這個任務(wù)在電信業(yè)尤為突出，因為器件的非線性特性往往會造成信息互相干擾，降低無線通信的有效帶寬。放大器是無線通信領(lǐng)域內(nèi)不可或缺的元件，不過也正是宙丁其非線性特性經(jīng)常造成頻譜浪費：如果為了考慮頻譜的利用效率而把功率放大器設(shè)計為只工作在它的線性區(qū)域內(nèi)，又會造成可用功率的浪費。實際情況是，人們經(jīng)常會把放大器推動

2、到其工作的非線性區(qū)域，然后在非線性區(qū)域的一個T作點附近進(jìn)行線性化。這種應(yīng)用就讓了解像功率放大器和倍頻器等射頻有源器件的非線性特性變得愈加重要，肉此，梢確測戢器件的非線性行也成為了重中之重。山丁所有有源器件在不同的程度上都會表現(xiàn)出非線性特性，因此相當(dāng)多的有源甚至是無源器件的研究和設(shè)計工作都能夠從這種更能反應(yīng)器件的真實特性的非線性測呈分析中獲益，例如LNA、T/R模塊和變頻器，以及帶拠芯的電感器或處理大功率信號的濾波器等無源器件。遺憾的是，進(jìn)彳亍非線性測量并不容易，尤其是當(dāng)前能夠完成這個任務(wù)的匸具和模型通常都很難使用，而口也無法提供所需要的信息。在這里，我們真疋需要是一個專為將確地測量和仿真射頻有

3、源器件的非線性持性而設(shè)計的解決方案。如果有了這些器件非線性持性的信息，設(shè)計人員就有了控制和最大程度地降低非線性特性所帶來的不良影響的能力，從而能更箱確、更輕松、更快速地設(shè)計出線性大功率解的產(chǎn)品。安捷倫科技測量器件非線性特性的最新解決方案安捷倫有兩種主要方法可以測戢被測件（DUT）的非線性效應(yīng)：非線性器件的特性表征和X參數(shù)。非線性器件的特性表征可提供被測件的入射波、反射波和透射波經(jīng)過校準(zhǔn)和矢戢校疋后的波形。矢雖校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)和使用諧波相位參考校準(zhǔn)可去除系統(tǒng)誤墊。使用這種測呈方法，所有接收機(jī)必須同時對毎個頻點進(jìn)行測嵐。從非線性器件特性表征測嵐結(jié)果得到的信息能讓工程師們能夠更好地理解和更確定性地控制

4、被測件的非線性特性。X參數(shù)是對S參數(shù)的一種合理的并且在數(shù)學(xué)理論上完全正確的往非線性和大信號工作環(huán)境下的擴(kuò)展（請看下一節(jié)“對X參數(shù)的詳細(xì)解耗”）。測雖X參數(shù)測呈需要使用兩個信號源，這兩個信號源以恰當(dāng)?shù)念l率和相位關(guān)系同時給被測器件提供大的和小的激勵信號，在測戢過程中小心控制這些信號的相位和幅度至關(guān)重要，在這些條件下測呈散射波的幅度和相位信息就可以得到X參數(shù)。當(dāng)器件在線性狀態(tài)或非線性狀態(tài)下工作時，這些參數(shù)可為工程師提供器件的增益和匹配等信息。像S參數(shù)一樣，X參數(shù)也可以導(dǎo)入安捷倫先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)（ADS）或顯示出來。對X參數(shù)的詳細(xì)解釋X參數(shù)相對丁器件非線性特性的測嵐就像S參數(shù)相對丁器件的線性參數(shù)的測就。先

5、看一下S參數(shù)，它是作為對射頻器件的線性特性進(jìn)行分析和建模的方法而發(fā)展起來的，在今天，S參數(shù)在對山多個獨立器件級聯(lián)而成的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模以及設(shè)計當(dāng)中仍然起著垂要的作用。它們包括了早已為T.程師們所熟悉的測呈項目，例如S11（輸入匹配）、S22（輸出匹配）、S21（增益/損耗）、S12（隔離度）等，這些測雖項目的測試結(jié)果可以很方便地應(yīng)用丁軟件仿真工具之中。但是，盡管S參數(shù)用途廣泛11功能非常強(qiáng)大，但它們確有其局限性只能用丁小信號線性系統(tǒng)。?：*”AgilentTechnologies非線性測雖簡介S參數(shù)都是用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量的。在比較小的程度上，傳統(tǒng)的矢嵐網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以使用近似技術(shù)來

6、深入分析器件的非線性持性，其中包括使用非比值接收機(jī)測雖以及使測量接收機(jī)的測試頻率偏離激勵源的頻率的方法。使用這些技術(shù)，傳統(tǒng)的矢雖網(wǎng)絡(luò)分析儀可以進(jìn)行簡單的增益壓縮、諧波的幅度、變頻匹配、變頻損耗/增益和群時延等非線性特性的測雖:。與S參數(shù)相比，X參數(shù)是我們開發(fā)出來的表征和分析射頻器件的線性和非線性特性的一種更可靠、更完整的方法。作為S參數(shù)在大信號工作環(huán)境下的擴(kuò)展，X參數(shù)的測雖條件是要把被測器件先推動到飽和工作狀態(tài)（這也是很多元器件的實際工作狀態(tài)），然后再進(jìn)行X參數(shù)的測嵐。在進(jìn)行測嵐時，無需了解或使用有關(guān)被測器件的內(nèi)部電路的任何知識。這個測呈只是迫壓波形的一個激勵響應(yīng)方式。換句話說，基波和所有相關(guān)

7、諧波信號的絕對幅度和多個頻率的相對相位都可以被粘確地測嵐出來，并用X參數(shù)來表示。11TX參數(shù)揭示了多個頻率相依的關(guān)系，肉此X參數(shù)的數(shù)據(jù)要比S參數(shù)的數(shù)據(jù)要多得多，比如如果我們要看輸出信號的基波對輸入信號三次諧波的増益，在這個只涉及一個諧波并不存在功率依存關(guān)系的簡單例子中，就有八個X參數(shù)。相反，兩端口器件的S參數(shù)從沒有超出過四個。此外，X參數(shù)還明顯依賴丁器件的大信號狀態(tài)（例如，將輸入功率作為一個變量），相比之下，我們認(rèn)為S參數(shù)和功率無關(guān)。X參數(shù)的精度和可靠性對丁那些試圖更好地了解有源器件的非線性特性的工程師和科學(xué)家來說非常有用。例如，在設(shè)計功率放大器時，設(shè)計人員可以先使放大器在非線性區(qū)域工作，以獲

8、得最大輸出功率和實現(xiàn)最大效率。然后,可以使用某種反饋電路對非線性效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出特性看上去像是一個大功率線性器件的輸出特性。在木例中，抑制功率放大器的諧波輸出的典型方法是使用濾波器和其他元件。但是，如果過濾元件的輸入匹配與我們所觀查的特定諧波（山放大器產(chǎn)生）的輸出匹配不匹配的話，那么濾波器對諧波的衰減就會和設(shè)計人員預(yù)期的大相徑庭，碰到這種惜況，設(shè)計人員可能不得不采用蠻力的反復(fù)實驗和糾錯的解決辦法一一往好處想這也是一個既費力又費時的F段。避免陷入這種窘境的一種方法是從X參數(shù)中獲得箱確的相位和幅度信息，然后使用恰當(dāng)?shù)姆抡婀ぞ?。采用這種方法，設(shè)計人員能夠在短期內(nèi)設(shè)計出最穩(wěn)定、最粘確的系統(tǒng)。可行的

9、解決方案使用元器件非線性持性表征和測嵐X參數(shù)這兩種方法的解決方案可提供非常關(guān)鍵的測戢結(jié)果,這對粘確測呈器件的非線性特性是至關(guān)重耍的。安捷倫科技公司的獲獎產(chǎn)品非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（NVNA）在一個高度集成、功能強(qiáng)大、易丁使用的儀器中支持這兩種方法。只需外接少雖的測試附件，就能把一臺4端口PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀轉(zhuǎn)換成一臺高性能的非線性矢量分析儀（圖1）oPNA-X有四種頻率的型號：13.5、26.5,43.5和50GHz。用戶能夠根據(jù)他們的特定應(yīng)用選擇正確的頻率型號,從而節(jié)省成本。43.5和50GHz型號支持較高頻率的應(yīng)用，例如需達(dá)和衛(wèi)星通信：而13.5GHz型號則是對無線通信中所使用的較低頻率設(shè)涪

10、進(jìn)行測嵐的理想工具oAgilentNVNA是業(yè)界首款43.5和50GHzNVNA它們能在高達(dá)50GHz的頻率范|十；|內(nèi)提供所有的NVNA特性和功能，支持對更高頻率的器件進(jìn)行耕確的非線性表征。dllNVNA以標(biāo)準(zhǔn)的PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀為基礎(chǔ)，因此它可以提供PNA-X進(jìn)行線性測雖時的所有功率、靈活性和測呈功能。它還可以輕松切換到NVNA模式進(jìn)行非線性測量。第 頁非線性測呈簡介wclnnmo0;AgilentTechnologies第 #頁第 #頁圖1：AgilentNVNA軟件運行在PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀上,創(chuàng)建了新的射頻非線性網(wǎng)絡(luò)分析彳亍業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。借助NVNA的非線性器件表征，所有被測件的輸入和輸

11、出頻譜都可以進(jìn)行測雖。整個頻譜（基波、諧波和交調(diào)頻率產(chǎn)物）的幅度和相位均可顯示在PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀上。您所感興趣的任何頻率的相對相位和絕對幅度也可以顯示。這些數(shù)據(jù)可顯示在頻域、時域或功率域中，也可以使用用戶定義的比率（例如I/V）來顯示動態(tài)負(fù)載線。憑借在各個域中顯示數(shù)據(jù)的能力，NVNA使設(shè)計人員能夠更深入地分析非線性元件特性。例如，如果設(shè)計人員在時域中看到被測件的輸出出現(xiàn)失真，便可切換至頻域以觀察各頻率分量的幅度和相位。接下來，您可以通過改變功率，觀察相對丁某個指定基木頻率的給定功率電平上頻譜分量的靈敏度和顯著性水平。設(shè)計人員還可能希望測呈倍頻器，這對NVNA來說是一個相對簡單的任務(wù)，岡為它

12、能夠測呈輸入和輸出激勵相位（相對丁校準(zhǔn)相位參考）以及信號幅度。NVNA還有一個優(yōu)點，它測得的所有數(shù)據(jù)都能按照設(shè)計人員的選擇導(dǎo)入到設(shè)計模型中。NVNA測嵐非線性元件特性的其他方法是通過使用非線性散射參數(shù)或X參數(shù)來完成的。這種功能使用測雖數(shù)據(jù)，可粘確描繪出非線性器件特性和級聯(lián)的非線性器件特性。此外，X參數(shù)可通過AgilentADS從單個濡件進(jìn)行粘確級聯(lián)，以仿真和設(shè)計更復(fù)雜的模塊和系統(tǒng)。第 頁非線性測呈簡介fAgilentTechnologies第 頁MeasuredandsimulatedpowerdeliwredMeasuredandsimulatedvoltageandcurrentwavef

13、ormsMeasuredandsimulateddynamicloadline圖2:AgilentPNAX矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(NVNA)與Maury負(fù)載遷移調(diào)諧器及軟件結(jié)合使用.可在全負(fù)載條件下捕獲完整的非線性器件特性。X-parametersgivecontoursandwaveformsatanyloadingconditionincludingcascadedsystemsa10MeasuredvohaotSimulatedvodageMeasurenonlinearbehaviorwithAgilentsNVNAandviewsimulatedwaveformsinAgilenfsADS圖

14、中文字中英對照:X-parametersgivecontoursandwaveformsatanyloadingconditionincludingcascadedsystemsMeasurenonlinearbehaviorwithAgilentsNVNAandviewsimulatedwaveformsinAgilenfsADSX參數(shù)提供任何負(fù)載條件卜的信號輪廓和波形，包括級聯(lián)系統(tǒng)使用AgilentNVNA測量非線性特性并查看AgilentADS中的仿真波形非線性測雖簡介VAgilentTechnologies圖3：X蔘數(shù)提供任何負(fù)載條件下的信號輪瑋和波形,包括級聯(lián)系統(tǒng)?？蛇x的任意負(fù)載阻抗

15、X參數(shù)功能將NVNA和X參數(shù)的應(yīng)用從有源器件和模塊的研究和設(shè)計擴(kuò)展到了晶體管表征、建模和電路設(shè)計。NVNA選件520需要和Maury負(fù)載調(diào)諧器配合使用，并在PNA-X上安裝Maury的負(fù)載遷移軟件，這能夠讓工程師在任何負(fù)載條件下測戢非線性元件的特性（圖2）。它可以測呈器件在大信號工作條件下的完整而復(fù)雜的反射系數(shù)，并在ADS中建立后續(xù)的X參數(shù)數(shù)據(jù)模型。功率附加效率（PAE）和輸出功率的梢確效率輪瞬可通過X參數(shù)模型在ADS中直接仿真（圖3）。尤其是,選件520使研發(fā)工程師能夠:將X參數(shù)設(shè)計級聯(lián)擴(kuò)展到任意大的負(fù)載失配。優(yōu)化與阻抗相對應(yīng)的PAE和輸出功率。在任意負(fù)載條件下（甚至在極大的壓縮條件下）,測

16、雖和預(yù)測輸入端口和輸出端口的動態(tài)負(fù)載線。在每個基波和諧波頻率的輸入和輸出端，將幅度和相位數(shù)據(jù)作為功率、偏直和負(fù)載的非線性函數(shù)進(jìn)行測雖。使用ADS,通過簡單的拖放操作就可以建立器件模型，設(shè)計多級、Doherty或其他復(fù)雜的放大器電路山丁選件520使匸程師能夠査看所有信號在器件中的反應(yīng)，I人1此就避免了典型的根據(jù)猜測來進(jìn)行試驗和糾錯的設(shè)計方法，最程度地減少重復(fù)設(shè)計，將設(shè)計周期縮短了50%?？偨Y(jié)粘確測雖和降低器件的非線性特性對丁設(shè)計和制造用丁航空航天與國防、電信等領(lǐng)域的中的線性大功率產(chǎn)品至關(guān)重要。傳統(tǒng)的解決方案在而對這一難題時，往往無法提供所需的信息和將度，AgilentNVNA軟件使用元器件非線性特性表征和測呈X參數(shù)的方法，可以輕松、快速地測戢被測件的非線性特性，并能提供最高粘度。NVNA具有全而的匹