微波试验

微波试验 • 滤波器测试

滤波器测试 滤波器是通用的无源、线性、两端口器件。通常采用扫频传输/反射测试技术来完整的表征他的特性。虽然滤波器是一种简单的电气元件，但是它的特性在元件测试系统中的地位是很重要的。一个带通滤波器，要求它对于指定带宽内的信号具有最小的损耗和失真，而对通带之外的信号，具有最大的抑制。为了精确地测试这些特性，要求测量系统的频率和功率电平在很宽的范围内都要非常精确。比如对于窄的信道间隔的通讯系统要求滤波器有低的插入损耗，高的Q值和高的频率选择性，它们必须满足更严格的频响特性，具有较小的体积，这是对移动通信设备中的元件最基本的要求。

对测试系统要求 为了精确和有效地测量滤波器的特性，对于专用的测试系统，要求是： 1．为了确保频率选择性（通带至阻带跃变）、测量的精度，要求信号源的频率精确稳定性以及频谱纯度好。 2．为了确保通带测量具有高的幅度精度，要求有好的原始和经修正的系统特性。 3．为了进行带外低电平信号的测量，要求具有极好的接收机灵敏度。

DUT V transmitted V incident 测量入射和传输电压的联结图 Δ 基本的概念说明 • 插入损耗：定义为传输电平除以入射电压取对数再乘以20，以dB表示。是我们无失真传输的关键之一。

基本的概念说明 上图为测量入射和传输电压的联结图。被测滤波器特性的测量精度会受到所选用的测量系统（信号源和接受机）的限制。信号源的精度、分辨率、稳定度和谐波以及接受机的灵敏度会影响测量。关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问题。首先，器件的幅度响应不许在使用的带宽内为固定值。这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的。其次，器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。如下图所示。

无失真传输的关键图 Bandwidth Bandwidth Magnitude φ LinearPhase Constant Amplitude 无失真传输的关键

基本的概念说明 在滤波器的带宽内偏离固定幅度响应的变化将引起信号失真。例如，滤波器通带显影的未经修正的测量，相对于它的中心频率具有的变化，可能引起带宽内信号衰减的变化为2dB。在测量滤波器之前，先实现归一化将系统的频响从测量中消除。在归一化后，滤波器的频响仍然存在波动。这是由于系统的信号源和负载的匹配特性引起的。象采用归一化将系统的频响从测量中消除一样，可以采用矢量误差修正的数学方法，将所有系统误差从被测件的测量中消除。这些误差是源和负载失配、传输和反射频响、方向性和串扰。误差修正之后所显示的测量值是三种测量显示中最精确的一种。

基本的概念说明 经误差修正后的滤波器通带响应在中心频率周围的变化为。这种平坦度性能的提高保证了幅度的失真为最小，提高了滤波器设计的可信度，并且极大地提高了生产量。如下图所示。经校准消除频响、失配和方向性误差

基本的概念说明 • 带外抑制带外抑制：用来表征滤波器抑制带外所有信号的性能。它正比于系统的信噪比以及误码率（BER）。我们在测量带外抑制时，需要注意的是，仪器的的动态范围是决定测量带外抑制的关键因素。所以我们要先看看什么是动态范围。动态范围定义为：在单次测量期间，接收机的最大输入电平与它的噪声背景电平之间的差值。动态范围究竟需要多大，这与所要求的测量精度有关，一般的经验认为：测量系统提供的动态范围要大于器件的指标。在测量过程中，可以通过以下的技术来扩大动态范围：

扩大动态范围的方法 • 用限制接收机的带宽来提高接收机对谐波、杂波抑制度和提高灵敏度，从而提高系统的动态范围。 • 下图显示了使用宽带二极管检波器和用窄带调谐式接收机进行同样的测量的比较。 • 增加信号源输出功率。信号源的输出功率增加1dB将使系统的动态范围提高1dB，直到接收机进入压缩为止。 • 平均。即对多次扫描过程的处理，来消除测量中随机误差的影响。平均的次数越多，动态的范围也就越大。 • 减小系统分辨率带宽。这是一种点—点的平均技术。用来减小测量中的随机噪声的影响。系统的带宽每减小10倍，动态范围约提高10dB。

动态范围比较 动态范围比较图

插入相位： • 插入相位：通过一个无源线性器件无失真传输的第二个关键是器件在所用带宽内的相位频响必须是线性的。由滤波器引起的任何非线性相位频响将引起信号失真。插入相位是在指定的频率上，通过器件的相对相位移。它与频率有关，是电长度的函数。 • 相位测量本质上是一个相对的测量。因此，任何用于测量相位的测量系统都必须提供一个相位参考信号，所有的其他测量都是相对于此测量信号的。

插入相位测试连接图 DUT Reference φ Transmitted φ 插入相位测试连接图

插入相位： • 下图显示了校准和不校准的滤波器插入相位频响的测量。两个测量的相位相对于频率响应之间的差别是由于包含了不校准测量中测试系统的相位频响。在将滤波器的相位频响从测试系统中分离出来之后，如何能更精确地测量它的线性度或非线性度？没有高分辨率的分析仪要分离相位失真是困难的，但是，在测量相位频响上简单地提高垂直分辨率到“Zoom-in”将能显示出绝大多数偏离地相位数据。

频响测量比较 插入相位：

插入相位： • 测量器件地相位相对于频率响应地非线性的方法是将测量得到的响应分成两个分量：一个线性部分和一个非线性部分。由于线性相位响应不引起失真，可从整个测量中消去，仅留下非线性（引起失真）相移。现在可以在很高分辨率下来分析非线性失真。采用称为电延迟的功能，通过数学方法，消去被测器件的线性插入相位，从而可以进行相对于线性相位偏离的测量。 • 表示器件相频特性非线性的第二种方法是群延迟。而相位斜率技术是一种简单而精确的测量群延迟的方法。它是一种静态或连续波技术。通过测量两个相近间隔频率（孔径）之间的相位差，然后计算这些点之间的斜率（如下图所示）。

插入相位： f1 f2 φ1 φ2 相位斜率技术

插入相位： • 因为矢量网络分析仪具有高的分辨率。相位斜率的频率分辨率或孔径取决于信号源的频率分辨率，所以这种技术广泛应用于现代的矢量网络分析仪中。群延迟的范围是频率源稳定度的函数，一个具有1Hz频率的信号源，其最大延迟范围约为500ms。 • 变窄孔径可以提高频率分辨率，但不能解决从系统噪声中提取小的相位变化，这将导致噪声或坏的分辨率的群延迟轨迹。如图8所示。 • 反之，加大孔径，减小了检相器的分辨率，提高了对于精细信号和在噪声变化干扰影响的性能。这样能得到更好的群延迟分辨率。在任何群延迟测量中，频率和群延迟分辨率之间必须折中。事实上，在进行群延迟数据比较时，必须保证在测量中采用的孔径条件相同。

插入相位： 图8 群延迟的孔径

DUT V transmitted V incident V reflected 回波损耗连接图回波损耗 • 回波损耗：回波损耗是测试信号反射情况相对于频率的相对测量。它与入射（Vincident）和反射（Verflected）测试信号有关。一个理想的匹配器件应显示无反射信号（Verflected=0），并且回波损耗为。一个完全失配的器件（如短路器，开路器）显示全反射特性。（Verflected=Vincident），并且相应的回波损耗为0dB。回波损耗的连接图如下图所示。

回波损耗 • 在实际测试中，一般既不是理想的匹配，也不是完全失配。滤波器是一个典型的器件，在它的通带内具有较好的匹配，而在通带之外为失配状态。我们通常在测试滤波器之前实现归一化，这样能从测量中消除系统的频响。还要采用数学方法进行矢量误差修正，从被测器件的测量中消除源和负载的失配、传输和反射频率响应、方向性和串扰等所有系统误差的影响。 • 在校准时，除了从回波损耗测量中消除了系统误差外，同时也为阻抗测量建立了参考面。通常，为了使阻抗测量的不确定度最小，参考面应建立在尽可能接近被测器件。如下图所示。

Reference Plane 参考面 DUT V incident V reflected 阻抗测量参考面的选择阻抗测量参考面的选择

计算参数 • 计算参数：在滤波器测试中，通常计算的参数是XdＢ的带宽。此参数的计算步骤为：先找出最小损耗的点，然后下降ＸdＢ（将ＸdＢ作为目标值）。将两个目标值的频率相减就得到滤波器的ＸdＢ带宽。

3dB BW CF 60dB BW 滤波器参数计算示意图滤波器参数计算示意图

计算参数 • 滤波器的中心频率定义为：位于３dＢ点之间的中心频率。 • 滤波器的品质因数Ｑ值：表示为中心频率和３dＢ带宽之比。 • 滤波器的形状因数定义为：该滤波器的６０dＢ带宽和３dＢ带宽之比。 • 通带平坦度可以通过一系列的统计计算，包括平均，校准偏差和峰—峰纹波来表示。如图１２所示。该图显示出了滤波器的通带纹波的测量，这些在ＨＰ网络分析仪中回自动进行。

2 1 通带平坦度通带平坦度

实验所需器件 • 在本节测试中，我们将学习测试滤波器的3dB带宽和输入驻波比。学习HP871X系列的结果分析。 • 实验所需器件 • SMA（f）短路器一个 • SMA（f）标阻一个 • 随机附带滤波器一个 • N（m）-- SMA（f）转接头两个 • SMA（f）-- SMA（f）转接头两个 • SMA（m）-- SMA（m）电缆两个

网络分析仪 连接电缆滤波器一、连接图

二、按键过程 1．按键步骤1： • PRESET 预置仪器，是仪器处于出厂时的设置状态； • MEAS1 选择测试通道1； • [Detection Options] 选择信号检测方式； • [Broadband Internal] 内部宽带方式； • [B*/R*] 是选择传输测量，“*”为宽带检测； • FREQ 设置测量的频率范围； • [STOP] 设置终止频率（起始频率为缺省值）； • 0 0 [MHz] 输入700MHz； • SCALE 设置标尺； • [ Reference Position ] 设置参考线位置； • 1 [ ENTER] 输入10dB。

二、按键过程 • 这时我们在屏幕上看到了滤波器的幅频曲线，注意我们现在用的是宽带检测方式，实际上我们在按完MEAS1 之后，按[Conversion Loss] 也能将网络仪设置为宽带测量模式。 2．中间结果讨论1：

二、按键过程 （1）DISPLAY 设置显示功能；（2）[Data → Mem] 将当前测量结果存入显示存储器；（3）[Data and Memory] 同时显示当前测量结果和显示存储器中的内容。 3．按键步骤2： 4．中间结果讨论2：我们看到两条几乎重合的曲线，表明两次测量结果的重复性很好。实际上下面我们是要比较窄带测量模式的结果。

二、按键过程 5．按键步骤3：（1）MEAS1 选择通道1；（2）[Transmission] 选择传输测量。这时自动地将检测方式选为窄带模式。 • 6．中间结果讨论3： • 这时我们看到什么？ • 我们看到了原来这个滤波器有更好的止带特性，而普通的宽带模式测不到。

二、按键过程 7．按键步骤4：（1）DISPLAY ；（2）[Data] 关掉存储显示，只显示当前数据；（3）FREQ 重复设置测量频率范围；（4）[Center] 1 7 5 [MHz] 中心频率175MHz；（5）[Span] 1 0 0 [MHz] 跨度（扫宽）100MHz；（6）SCALE ；（7）[Scale/Div] 2 [ENTER] 刻度每格2dB；（8）MARKER 调用频标功能；（9）[Marker Search] 调用频标查找功能；（10）[Bandwidth] 查找缺省带宽值（出厂预置为3dB）；

二、按键过程 8．中间结果讨论4：这时我们在屏幕上看到了这个滤波器的3dB带宽值，Q值及这个滤波器的带内损耗。大家可以自己想想如何看这个滤波器的6dB带宽。 9．按键步骤5：（1）[Bandwidth] 6 [ENTER] 设置6dB带宽；（2）[Prior Menu] [ALL OFF] 关闭所有频标。

二、按键过程 10．测量限制线模板功能：我们下面在看一下这个滤波器总体的通带特性和止带特性。首先定义出一个限制模板，要求滤波器在通带内的插入损耗不超过7dB，而在止带内的抑制要大于65dB。

二、按键过程 （2）设置通带最小限制线 A．DISPLAY ； B．[Limit Line] [Add Limit] [Add Min Line]; C．[Begin Frequency] 1 5 0 [MHz] D．[End Frequency] 2 0 0 [MHz] E．[Begin Limit] - 7 [ENTER] F．[End Limit] - 7 [ENTER] G．[Prior Menu] （1）重新设定一下测量仪器 A．PRESET ； B．FREQ [STOP] 7 0 0 [MHz]； C．SCALE ； D．Autoscale 。

二、按键过程 （4）设置下止带最大限制线 A．[Add Max Line] B．[Begin Frequency] 3 2 5 [MHz] C．[End Frequency] 7 0 0 [MHz] D．[Begin Limit] - 6 5 [Enter] E．[End Limit] - 6 5 [Enter] F．[Prior Menu] G．[Prior Menu] (3)设置下止带最大限制线 A．[Add Max Line] B．[End Frequency] 7 0 [MHz] C．[Begin Limit] - 7 5 [MHz] D．[End Limit] - 7 5 [MHz] E．[Prior Menu]

二、按键过程 （5）打开限制线模板功能 [Limit Test] → ON （6）关闭限制线模板功能 [Limit Test] → OFF

三、输入端驻波比 滤波器输入端驻波比的好坏直接影响器件信号匹配的程度按键步骤1：（1）MEAS2 选择测试通道2；因为我们在继续先前的操作步骤，通道1已经被用于传输测量了，这时我们选择测试通道2做反射测量。（2）[Reflection] 选择反射测量；（3）SCALE [ Auto scale] 调用自动刻度功能；因为目前屏幕显示的缺省格式是反射系数的对数格式。把读数去掉符号就得到了回波损耗参数的值。如果想得到反射系数模值的实际读数，可以换成线性格式。按[Lin Mag]。（4）FORMAT 选择测量参数的格式； (5) [SWR]选择驻波比参数。这时屏幕显示驻波比测试结果，以线性格式显示数。

结束！谢谢！！

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