第一部分：微波技術發展的挑戰
微波射頻電路是整個電子系統的重要組成部分，主要完成發射和接收信號的功率控制和頻率搬移，對整個電子系統靈敏度，動態範圍等指標有決定性的影響。納米軟件典型NSAT-1000射頻無源器件的微波射頻電路包含天線，放大器，濾波器，頻率合成器，傳輸線等有源和無源電路。隨着系統功能和性能要求的提高，電子系統對這些電路的要求越來越高，而且很多性能指標的要求還是互相制約的，例如爲提高系統的傳輸效率和抗干擾能力，無線通信採用了複雜調製技術，從MSK調頻到PSK調相再到多載波的OFDM調製方式，這會造成信號的功率動態範圍越來越大，對於放大器而言就要求儘量寬的線性範圍，同時系統對放大器的效率有嚴格要求以保證功率利用率指標，這對於傳統放大器技術來講是很難滿足的。這個技術挑戰大大推動了功率放大器線性化技術的出現和發展。現在射頻微波應用領域的發展動態有以下典型的幾個特點：
特點1：新型的半導體材料的應用
無論在大功率器件還是降低器件噪聲性能上，由於新半導體材料的使用讓電路的性能得到提高，例如：GaN材料大大提高了功率管的輸出功率, 而磷化銦材料大大降低了微波放大器的噪聲係數。
圖1 微波集成電路技術
特點2：頻率資源的擴展
通過獲得更寬的頻率資源來獲得系統性能的增益是很多電子系統採用的技術，例如LTE中的頻率聚合技術，通過毫米波工作頻段的使用來提高傳輸速率並降低干擾等。毫米波的應用從簡單的汽車防撞雷達擴展到寬帶通信等領域。無線通信的信號帶寬從幾百KHz擴展到了超過100MHz的帶寬。
特點3：數字技術和射頻技術的結合
數字預失真功率放大器是數字信號處理技術和射頻微波技術結合最好的代表。通過數字技術來擴展單一功率放大器的線性範圍，線性化技術也被認爲是射頻技術的核心內容。
特點4：多通道技術
無論是軍用相控陣雷達還是無線通信中的智能天線都是通過採用多通道技術來實現空間波束的控制和合成，通道數量從幾個通道到上萬通道不等，這對於射頻微波電路的研製開發來講是機遇也是很大的技術挑戰。
第二部分；先進測試儀表的技術說明
測試儀表是技術開發的重要技術資源，射頻微波測試領域常用的儀表包含網絡分析儀，信號源，頻譜分析儀，功率計，相噪分析儀，示波器等，爲適應微波射頻技術的發展，測試技術和測試儀表也在發生很大的變化，爲先進技術開發提供新的測試手段和技術途徑。
2.1先進微波射頻測試儀表的典型特點
現在射頻微波測試儀表的典型技術特點總結有以下幾個方面：
特點1：仿真軟件和測試儀表的結合
先通過軟件數字仿真設計然後再進行電路實物實現已經是射頻微波電路實現的規範化技術流程，現在微波電路仿真EDA工具和測試儀表的技術互聯更加緊密， ADS仿真軟件和PNA-X/PXA/PSG微波儀表是仿真軟件和測試儀表結合應用的典型例子。在ADS仿真環境下，首先可以進行系統級設計，包含在系統的框架下對射頻電路的指標進行規劃和分配，例如接收機電路的中頻選擇，多級級聯放大器的功率壓縮點，噪聲係數等參數的分配。當指標分配好後，再利用電路仿真工具完成電路的原理圖設計和版圖設計。測試儀表的功能包含被測件性能評估，器件模型建立等，特別是通過儀表測試來完成準確的器件模型建立是保證仿真精度的重要基礎，微波電路建模技術最大的突破就是利用基於PNA-X的非線性網絡儀能測試功率放大器的非線性成份的幅度和相位信息，提供完整的線性S參數和非線性X參數模型。 B1500A能完成器件直流I/V,C/V參數測試，用於微波器件的直流參數建模。
基於仿真軟件和測試儀表能構建閉環的微波電路設計平臺，針對任何一個微波技術問題，都能有匹配的仿真工具和測試手段來配合，能大大提高電路實現的效率。
特點2：平臺化儀表的概念
無論是信號源，信號分析儀還是網絡分析儀這些傳統的射頻微波測試儀表，數字化技術在儀表中正越來越多的得到應用，儀表都採用矢量技術的實現技術，這樣可以利用平臺化的儀表來滿足不同應用領域的要求，例如矢量信號源通過波形計算，基帶DAC轉換和IQ調製來建立信號，針對不同應用，只需要利用不同的信號建立軟件工具來計算信號波形數據就可實現，而不需要更改硬件平臺。在信號分析應用中，射頻微波領域最常用的頻譜儀技術上已經實現全數字化，頻譜儀中重要的中頻濾波，檢波處理等都已採用ADC轉換後的數字化信號處理技術來完成，這樣能大大提高儀表頻譜測試的性能，同時還能通過解調分析處理算法來實現信號的解調分析，這樣單臺的分析儀表同時具備了頻譜和時域的關聯測試，解調測試，信號存儲等多功能。針對不同的信號解調分析，只需要切換分析的軟件就可完成。基於這些實現技術，平臺化的信號源儀表和分析儀表能滿足從無線通信到雷達應用不同系統的測試要求，大大提高儀表的使用效益。
特點3：分析和判斷能力的提高
儀表最基本的功能是提供被測對象的測試結果，當測試結果不滿足要求時，先進儀表能提供的技術能力能大大提高故障判斷的效率，爲問題的解決提供豐富的技術途徑。首先現在儀表能對被測電子系統各個關鍵節點提供獨立的測試手段，包含數字信號，基帶信號，中頻和射頻信號等，而且分析的工具能實現統一化，如圖4所示，可以利用邏輯分析儀，示波器，頻譜儀分別對接收機系統的數字基帶，模擬基帶和射頻信號進行測試，這些儀表採集的信號波形數據都能通過矢量分析軟件來進行分析，分析功能包含頻譜，時域和解調分析等。這樣在統一的分析環境下對數字信號，基帶信號和射頻信號的測試結果進行對比，能大大提高問題定位的效率。另外在信號分析的手段上，分析軟件能獨立地分析信號的幅度誤差，頻率誤差和相位誤差，這樣可以判斷誤差的基本來源，分析過程中，可以利用時域和頻域的關聯分析來得到誤差的特性是隨機誤差還是週期誤差，這樣問題信號的來源就很快得到定位。 89601A/B矢量分析軟件爲核心的矢量信號分析系統，可以支持 全系列的邏輯分析儀，示波器和信號分析儀。
2.2 先進測試儀表舉例
2.2.1毫米波太赫茲測試儀表及應用
針對毫米波到太赫茲的應用要求，現在矢量網絡儀，信號源和頻譜分析儀都可以覆蓋到太赫茲測試頻段，儀表廠家可以提供系統解決方案，儀表的性能穩定，工程應用的狀態已經成熟化。圖5爲 毫米波網絡儀，信號源和頻譜儀的配置方案，現在單臺的獨立測試儀工作頻率範圍可以達到70GHz，在更高的測試頻段，是通過外置的頻率擴展裝置來擴展工作頻率範圍。最主要的網絡分析儀能工作到1THz頻段。
微波頻段網絡儀的性能是毫米波直到太赫茲網絡儀性能的基礎，由於現在網絡儀內置激勵信號源和接收機性能的提高，首先在毫米波測試應用中，不再需要外置的獨立信號源來提供激勵信號和接收機本振信號，降低了系統的複雜程度和成本價格，另外儀表的工作性能也得到很大提高，例如太赫茲矢網在750GHz的測試動態範圍能達到80dB，測試的軌跡噪聲性能小於0.1dB。圖6爲PNA-X矢網的實際測試性能。
2.2.2網絡儀技術的革命性突破
網絡分析儀是測試射頻微波器件的基礎性常用儀表，測試應用中，網絡儀的基本特點是測試參數完整和測試精度高，傳統網絡儀主要測試器件的傳輸反射S參數，由於採用閉環的儀表體系結構和支持校準技術消除系統誤差，網絡儀可以提供其它儀表不能比擬的幅度和相位參數測試精度。
隨着網絡儀的推出，傳統網絡儀的測試功能甚至很多測試應用的方法正在發生變化，所以PNA-X網絡儀是網絡分析儀測試技術發展的里程碑式的產品，PNA-X網絡儀的主要技術突破主要包含以下幾個方面：
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PNA-X網絡儀技術突破 |
具體說明 |
應用價值 |
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支持完整的被測件類型 |
支持對天線，放大器，衰減器，混頻器，脈衝器件等類型器件的測試 |
作爲射頻微波器件的測試平臺，滿足研發和生產測試應用要求。 |
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完整的測試功能 |
提供完整的測試參數，包含：傳輸反射線性S參數，點頻和掃頻狀態下的功率壓縮點，交調抑制參數和噪聲參數測試。 |
能實現器件的單次連接完整參數測試，提高測試效率和精度。 |
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激勵信號的相位掃描 |
激勵信號能進行頻率，功率和相位掃描測試，研究器件在激勵信號參數變化情況下工作性能。 |
相位控制電子系統的性能參數測試，例如：相控陣天線系統或智能天線系統。 |
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非線性測試和建模能力 |
能提供被測件非線性諧波或交調成份的幅度和相位信息，完成器件非線性參數的測試和建模。 |
改變功率放大器的設計流程，大大提高仿真設計的準確度。 |
在PNA-X網絡儀的測試功能中，引入了測試類(Measurement Class)的概念，在應用中，根據被測件的類型和測試參數不同來進行選擇。例如：測試器件的類型可以分爲非變頻器件和變頻器件，測試參數可以設定爲線性S參數，非線性參數（包含功率壓縮參數和交調抑制參數）和噪聲係數參數。
圖8爲PNA-X網絡儀典型測試顯示結果，利用多個測試通道(Channel)來定義多參數測試，包含通道1的駐波，增益測試，通道2的交調測試（支持點頻和掃頻），通道3的功率壓縮點測試（支持點頻和掃頻測試），通道4的噪聲係數測試和通道6的脈衝時域測試。測試中不需要改變被測件連接，只需要切換測試通道就能完成所有參數測試，這對於應用的價值，這不是簡單減少了連接的次數和測試時間，由於射頻微波器件的很多指標是互相關聯影響，需要在設計中進行折衷優化設計，例如端口匹配要綜合考慮噪聲係數和增益性能，在調試狀態下同時觀察駐波和噪聲係數能大大提高器件產品的調試速度。而且所有這些參數的測試都是基於網絡儀的校準狀態下進行，能大大提高測試的精度。
PNA-X爲射頻微波器件應用技術發展的重要貢獻還包含非線性X參數的測試和建模，基於PNA-X構建的非線性網絡儀系統NVNA（Nonlinear Vector Network analyzer）能測試非線性器件諧波和交調成份的幅度和相位，提供完整的時域和頻域測試結果，基於X參數測試和模型的建立大大提高了功率放大管非線性模型的準確度，使仿真設計功率放大器的結果更加準確和具備實用價值。現在微波電路元器件廠家已經開始提供X參數模型，併成功完成了100W級功率放大管的建模測試，仿真結果和實測結果完全匹配。
很多應用需要寬帶信號源和寬帶分析儀，典型的應用包含寬帶雷達，捷變頻電臺，電子對抗，寬帶無線通信，數字預失真功率放大器算法驗證等。針對這些應用，現在能提供寬帶的矢量信號源和寬帶矢量信號分析儀解決方案。單臺儀表能實現44GHz頻率範圍內2GHz信號帶寬的信號建立和分析能力，還可以通過擴頻裝置將頻率範圍擴展到更高頻段。典型的儀表型號配置如表2所示。
2.2.3 寬帶測試儀表
表2 寬帶信號源和分析儀表
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寬帶測試儀表 |
基本技術性能 |
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M8190A寬帶任意發生器 |
內置高速DAC電路，最高採樣率12GHz， 位數12Bit。直接輸出信號帶寬：5GHz。 |
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E8267D微波矢量源 |
支持2GHz寬帶IQ調製器。輸出信號頻率範圍：44GHz,調製帶寬：2GHz. |
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N9030A微波信號分析儀 |
內置ADC支持160MHz分析帶寬，利用寬帶下變頻輸出功能，信號分析帶寬可達到800MHz。 |
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DSOX 96204Q寬帶示波器 |
信號採樣率達到160G，信號分析帶寬爲63GHz。 |
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圖10所示爲寬帶矢量源和矢量信號分析的配置方案。信號源包含M8190A寬帶任意波發生器和E8267D微波矢量信號源。基於高性能寬帶DAC技術，M8190A能合成帶寬和頻率範圍爲5GHz的任意波信號，對於毫米波頻段的覆蓋，M8190A輸出的基帶信號可以通過E8267D的矢量IQ調製將輸出頻率擴展到44GHz，調製帶寬不超過2GHz。對於分析儀，N9030A內置400MHz 採樣率ADC電路，分析帶寬爲160MHz,對於更寬的分析帶寬要求，N9030A可以提供實時的寬帶下變頻處理功能，變頻的帶寬爲800MHz,然後利用示波器來對該中頻信號進行分析。對於超過800MHz的分析帶寬要求，可以採用高速示波器直接採集分析， Q系列實時示波器採用基於磷化銦技術的160G採樣率的ADC，最大分析帶寬能達到63GHz。
圖11爲寬帶測試儀表的具體應用實例，包含帶寬爲2GHz的寬帶線性調頻信號和帶寬爲4GHz的噪聲功率比（NPR）信號。
2.2.4 多通道測試儀表
對於複雜的射頻微波組合電路和相控陣天線等設備，這些設備的通道數量很多，需要匹配的多通道測試儀表，首先對於器件參數測試的多端口儀表，網絡儀可以通過多端口擴展裝置將測試端口擴展到12個或更多，同時網絡儀的多參數顯示和多端口德爾高效校準方法也至關重要。 ENA-C和PNA等系列網絡儀能支持多端口擴展測試要求。圖12爲PNA-L網絡儀擴展爲12端口的矢網測試系統。
對於多通道的信號源系統和分析儀系統，模塊化的儀表結構非常適合這樣的測試要求，可以根據實際要求來靈活配置，圖13爲 基於PXI總線結構的4通道矢量分析儀，能滿足26.5GHz範圍內帶寬1.5GHz的測試要求。激勵源由M9330A任意波發生器和其它配置方案實現。
總結
Namisoft（納米軟件）先進射頻微波測試能爲技術開發提供新的技術途徑，大大提高應用技術開發的效率和質量，測試儀表能在產品的概念規劃，仿真設計和實物驗證等階段發揮重要作用，是核心技術突破的重要技術資源。