RS多端口毫米波测量用变频模块应用

通过使用变频模块R&S ZVA-Z110，罗德与施瓦茨(Rohde&Schwar)公司的高端矢量网络分析仪可将覆盖频率扩展到75~110GHz毫米波波段(W波段)R&S ZVA-Z110是以易于操作和帮助客户节约时间和成本为设计出发点的，因此，采用正确的4端口网络分析仪来操作一对变频模块，并不需要增加额外的硬件电 路最近几年中，多端口测量已经变得越来越重要本文描述的解决方案是首个在W波段进行完整的多端口和平衡测量的方案

变频模块内有什么？

图1显示了R&S ZVA-Z110内部的CAD结构图和原理框图该变频模块包含用作隔离参考和测量信号的通道源倍频器、可调节波导衰减器、定向耦合器这些参考和测量通道通过谐波混频器进行下变频

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图1：R&S ZVA-Z110的透明CAD结构图和原理框图（不包含测试端口的适配器)

滤波器的S参数测量

下面以一混频器设置个90GHz带通滤波器的测量为例，来讨论测试步骤

步骤1：配置和设置

在图2所示的A、B、C三个区域进行如下测量配置：在A区择变频模块型号，在B区选择电缆连接方式，在C区点击应用按键并连接变频模块到网络分 析仪(见图 3)，然后将频率轴调节成75GHz到110GHz(见图2底部)此外，变频模块的所有测量参数会被自动设置(例如射频和本振的倍频系数、最佳功率电 平、复位设置、连接类型WR10，以及定义和选择波导校准套件R&S ZV-WR10)

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图2：设置对话框

步骤2：校准

本 例采用TOSM校准技术和R&S ZV-WR10波导校准套件进行校准(见图3)R&S ZV-WR10波导校准套件还支持其他的校准方式，如TRL、UOSM、TOM、TRM和OSM它还包含滑动匹配器，可以把方向性和负载匹配的指标提高 到42dB和40dB由于波导开路时的辐射影响，波导校准件中的开路件都是由偏移短路代替，该偏移短路由一个垫片(执行频带中心频率的λ/4偏移)和短 路器组成

步骤3：测量

图3显示了利用混频器的作用R&S ZVA24矢量网络分析仪和两个R&S ZVA-Z110变频模块测量90GHz带通滤波器的全部设置测量具有高抑制特性的滤波器要求很高的动态范围R&S ZVA-Z110变频模块树立了新的动态范围标准，其典型值>110dB，可以轻松满足测量滤波器时的高动态要求这样，用户可以增加测量带宽，如 增加到1kHz，以获得更高的测量速度

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图3：带R&S ZV-WR10波导校准套件的90GHz带通滤波器完整毫米波测量的设置

除了滤波器测试，Z110还适用于其他多种的应用，包括：1. 由于内置了W波段的衰减器，所以它可以提供很低的激励电平，这样进行低噪声放大器测试等类似应用将不存在任何问题2. 可用在那些紧凑型设计和需要快速扫描的生产线上在粒子敏感环境中，比如在晶元探针台上，无需风扇的无源散热是另一个优势3. 针对毫米波频段的多端口和平衡端口测量应用

多端口测量

到目前为止，多端口和平衡端口测量被混频器设置限制为大约50GHz带宽，但在W波段中也有许多应用采用平衡电路或多端口器件(如测距雷达、国防和航空应用)利用R&S ZVA-Z110变频模块和R&S ZVT20矢量网络分析仪，可以提供高达6个测量端口

定向耦合器的三端口测量

1．为什么采用三端口测量？

采用3个变频模块和合适的矢量网络分析仪，连接一次就可以完成一个三端口的耦合器的测量(图4)这可以节约测量时间，并能同时测量所有的3×3S参数，而不需要多次连接和多次的二端口校准采用全3端口的校准取代多次的二端口校准，可以获得更加精确的测量结果

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图4：三端口测量只需三个变频模块

2．测量设置

R&S ZVT20可以使用高达4个变频模块，而不需要外部信号源这种解决方案非常紧凑，不需要额外硬件，并提供很高的测量速度在上文提到的三端口应用中，只 需三个变频模块R&S ZVT20的测量端口5和6为变频模块提供本振信号如果混频器设置需要，还可以利用外部Wilkinson功分器将本振信号分配给所有的变频模块

UOSM校准

UOSM 校准技术的优点是可以利用一个未知的直通件作为标准件这一未知的直通件仅要求具有很好的正、反向互易性，因此，该未知直通件不要求具有良好的匹配和低损 耗特性甚至价格低廉的、带带标准法兰盘的波导管节、波导弯头和波导扭转接头，只要具有互易特性都可以作为直通件在校准后所有对输出端口方向的改变都会 造成(可避免的)精度损失，因此在这个例子当中，一个H面的波导弯头在波导测试端口1和4，以及测试端口2和4之间建立直通波导测试端口1和2是通过两 个测试端口的直接连接而建立直通的

定向耦合器的测量结果

图5所示的测量结果是采用1kHz测量带宽而得到的曲线Trc1为插入损耗，曲线Trc2为耦合度损耗，曲线Trc3为隔离度，曲线Trc4为通过Trc3和Trc2运算得到的混频器模块方向性系数

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图5：三端口耦合器的测量结果

关键指标如下：

1. 频率范围：75~110GHz；

2. 波导型号：WR10；

3. 连接类型：兼容UG387/U-M精确的波导法兰盘；

4. 测试端口输出功率：+2dBm，在射频输入口处为+7dBm；

5. 输出功率精度：<4dB(0dB衰减)；

6. 手动功率衰减：0~25dB；

7. 动态范围：95dB(典型值110dB)；

8. 在射频和本振端的输入功率：+5~+10dBm(理想值为+7dBm)；

9. 供电特性：100~240V，47~63Hz；

10. 尺寸(W×H×D)：360.5×110×114mm；

11. 引脚的数目：4个、3个或者无引脚

配置要求

哪些矢量网络分析仪可以使用该变频模块？

最高工作频率不低于20GHz的R&S ZVA或R&S ZVT都可以使用该变频模块，并假设支持以下两个选件：发生器和接收机的直接连接选件和变频控制软件选件

需要外部信号源吗？

在 第二个例子中(耦合器)，如果变频器的本振信号由R&S SMF100A提供并(通过4端口功分器)被分配给所有的变频模块，则4端口R&S ZVA也可以满足这样的测量外部信号源必须通过R&S ZVA来控制，这会增加扫描时间，但使用信号源的列表扫描方式可以改善扫描时间一般而混频器言，如果通过外部信号源提供本振信号，可以增加矢量网络分析仪使用 的变频模块数目例如：通过R&S ZVT20和R&S SMF100A以及一个合适的本振信号分配网络，可以使用6个变频模块此外，只用一台两端口R&S ZVA24网络分析仪是不能驱动该变频模块的(最少需要4端口)，不过如果加上一台R&S SMF100A就可以使用一个或者两个变频模块 .