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)一直以來被用于脈沖整形應(yīng)用和數(shù)字示波器。多年來，它已經(jīng)被證明是一個非常可靠的、強大的技術(shù)。

一般來說，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動。在其最基本的形式中，NLTL由負載變?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)，其相位速度和時間延遲是二極管兩端瞬時電壓的函數(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，時間延遲越長。相反，電壓越高，相位速度越大，時間延遲越短。當作用于施加到其輸入端的梯形電壓波形的一部分時，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 當波沿著非線性傳輸線傳播時，電波的下降沿受到壓縮

通過利用NLTL的下降時間壓縮特性，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信號開始的采樣接收機（圖2）。脈沖形成過程中的一個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”特性實現(xiàn)的。由于任何矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，簡稱矢網(wǎng)）的兩個主要功能是產(chǎn)生信號并對其進行采樣，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做寬帶延遲線。NLTL中包含非線性元件因此它可以用來做頻率變換。

圖2 非統(tǒng)一NLTL增強了下降時間壓縮，并在由CW信號驅(qū)動時產(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)計的。捕獲S參數(shù)數(shù)據(jù)的基本要求包括：

• 一個或多個信號源，至少具有可控頻率和足夠干凈的頻譜，用于進行測量。信號源的功率最好可控。

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

• 當信號源比端口少，或者接收機比端口多或少時，一種切換RF信號的方法。

• 一個或多個接收機，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)字化之前將測量信號下變頻到中頻（IF）。這種下變頻器件在VNA中起著關(guān)鍵作用，因為它們決定了重要參數(shù)的界限，如轉(zhuǎn)換效率、接收機壓縮、測量通道之間的隔離以及被測器件（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單的本地振蕩器（LO）驅(qū)動系統(tǒng)和增強的雜散管理優(yōu)勢。

在微波和毫米波頻率下（接收機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數(shù)器。

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

測試通道之間的泄漏

此外，這些泄漏信號是頻率相關(guān)的，并且不能通過校準來去除。因此，它們對基于SRD的采樣VNA的動態(tài)范圍施加了限制。

因此，有限的動態(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)（例如弱串擾）必須測量的器件。

除了基于SRD的VNA的設(shè)計問題和RF帶寬限制外，寬帶VNA測量的短期和長期穩(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量結(jié)構(gòu)，利用離散元件，如反射計、接收機、信號調(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)用于安立多個系列的VNA，并且申請了技術(shù)專利。這些特性包括RF和本振頻率可擴展性，以及高的通道間隔離。高隔離度是實現(xiàn)高動態(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實現(xiàn)的（圖5）。例如，可以通過添加額外的隔離元件來進一步增強測試通道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)點及其帶來的好處

表 1. NLTL 技術(shù)優(yōu)勢和好處

• 小型反射計

基于NLTL的VNA的一個主要優(yōu)點是各種組成部分的高度單片集成，其中包括采樣接收機、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。這反過來又導(dǎo)致高度優(yōu)化的短期和長期穩(wěn)定性，以及較少的VNA校準。此外，消除了各種反射計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），同時提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

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

• 高頻晶圓測試的主要優(yōu)點是將VNA定位在離DUT最近的位置。通過將反射計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量。

• 用于在生產(chǎn)環(huán)境中測試組件的極低成本解決方案。

• 適用于現(xiàn)場應(yīng)用的高頻手持式VNA。

(a) 基于NLTL的小型頻率擴展反射計的簡化框圖

(b) 一種基于NLTL的頻率擴展模塊，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

• 最大化寬頻率范圍內(nèi)的動態(tài)范圍

NLTL采樣器具有極寬的射頻帶寬（圖7），可擴展到亞毫米波頻率。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。當與定向橋相結(jié)合時，NLTL采樣器增強了VNA的方向性。

相比之下，較舊的架構(gòu)需要實現(xiàn)大型外部組合器來連接兩個頻帶以擴展VNA的頻率范圍。這樣的實現(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，遠遠超過基于SRD的采樣器

圖8 基于NLTL的VNA的測量動態(tài)范圍通常在高達125GHz時超過100dB，在高達145GHz時超過95dB。

• 無與倫比的穩(wěn)定性

圖9 基于NLTL的VNA的集成設(shè)計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24小時反射測量所示

• 提高性價比

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。對價格敏感的器件制造商面臨著日益增長的需求，但必須滿足更低的價格點，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。

由于對高容量微波回傳的需求，對用于現(xiàn)場測試的便攜式微波解決方案的需求正在增長?；贜LTL的片上VNA使便攜式VNA能夠以與低頻型號相同的外形尺寸達到高達40GHz的頻率，同時保持電池壽命。

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

安立針對高頻使用對NLTL技術(shù)進行了改進，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，滿足了對高性能頻率可擴展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)，從最高級性能到成本敏感應(yīng)用的解決方案，包括現(xiàn)場應(yīng)用中的微波系統(tǒng)測試。

VectorStar MS4640B 高端矢網(wǎng)系列

ShockLine? 高性能和經(jīng)濟型矢網(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)將工作頻率擴展到92 GHz，降低儀器成本，提高精度，并將測量不確定性降至最低。這些VNA非常適合簡單的工程、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)簡化了內(nèi)部VNA架構(gòu)，降低了儀器的尺寸和成本，同時提高了精度和測量重復(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，該反射計在寬頻率范圍內(nèi)提供了增強的性能，并降低了測量復(fù)雜性?；贜LTL的采樣器和分布式諧波發(fā)生器與反射計的頻率可擴展性相結(jié)合，為VNA用戶提供了一個獨特而引人注目的解決方案，以滿足他們當前和未來的高頻測量需求，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)定性和高性價比的特點，為大家選擇矢網(wǎng)產(chǎn)品時提供借鑒意義。