NVNA谐波相位检验件设计及定标

陈 婷 姜 河 任士卿 卢 娟 陈悦持

（1.北京无线电计量测试研究所，北京100039；2.中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京100094）

1 引 言

非线性网络分析仪（Nonlinear Vector Network Analyzer）是近些年来继大信号网络分析仪之后发展起来的用于测量器件非线性特性的微波仪器［1］，主要用于测量功率放大器的非线性特性。工程师在进行功率放大器的设计时，利用非线性网络分析仪的测量结果，可以进行建模、仿真，优化放大器的设计流程，使得功率放大器的仿真设计更加高效和精准［2，3］。非线性矢网与传统的矢网的一个根本区别是其测量的不再是频率相同的信号，而是将谐波分量对基波的影响也考虑进去。非线性矢网能够分析器件的入射端口和出射端口的各次谐波分量对被测器件输出端口信号的影响。为了对谐波幅度和相位进行准确的表征，非线性网络分析仪在校准时除了常规的矢量校准，还增加了谐波相位校准和绝对功率校准。校准后的非线性矢量网络分析仪可以对被测件的输入输出端口的基波、各次谐波的幅度和相位进行准确的表征［4］。

对于传统线性网络分析仪来说，为了对其校准后的指标进行验证一般需要一个或一组有标准值的检验件，通过校准值和检验件的标准值的比较，验证网络分析仪的技术指标，而检验件的标准值由更高一级的标准校准得到。对于非线性网络分析仪来说，由于需要对基波和各次谐波的幅度和相位进行验证，同样需要一个性能稳定的能产生丰富谐波的器件作为标准器，并且能够通过更高一级的计量设备对其计量特性进行定标。

本文一方面设计了一种非线性检验件，该检验件的核心器件为非线性传输线（NLTL），具备稳定可知的基频及其各次谐波分量，能够作为非线性S 参数检验件对非线性网络分析仪的技术指标进行验证。另一方面研究了一种基于实时示波器的NVNA 谐波相位检验标准件的定标方法。相对于谐波相位来说，谐波幅度的定标相对较为容易，可以用校准后的频谱分析仪等设备进行定标，属于直接测量法且具有较高的测量准确度，而对于谐波相位的定标，则需要从时域信号着手，通过数据采集、傅立叶变换及相关的数据处理得到相对准确的定标结果。

2 非线性检验件的设计

本项目采用非线性传输线模块作为谐波相位标准器的核心器件，非线性传输线为一类微波传输线，在特定条件下呈现高阻特性。当在其上周期性的放置一系列电压反偏置肖特基二极管时，这时该传输线工作在强色散状态下，输入的脉冲信号在经过该器件时边沿讲发生压缩，上升或下降时间最高可达到皮秒量级［5］。考虑最理想的情况，输入信号为单频的正弦波时，在该非线性传输线的输出端将激励出丰富的谐波分量，这些谐波分量的谱线像梳子的结构，各个谱线之间时离散的，正因为有如此之多的谐波分量，所以利用非线性传输线的这一特性将其作为NVNA 的谐波相位标准器开展谐波相位的检验［6］。与其它结构的梳状谱发生器相比较，非线性传输线电路在设计时不需要考虑匹配特性以及不需要加入偏置电压，所以在电路结构上容易设计、便于调试，特性相对稳定，适合作为谐波相位验证件使用。其原理和等效图如图1 所示。

本方法中的核心器件为非线性传输线，为了使电路较少的受负载匹配特性以及入射信号的电平的影响，以使得谐波分量稳定，设计了相应的前端电平稳定电路以及后端均幅电路，易于作为非线性谐波相位检验电路。

目标设计指标如下。

1）输入频率范围:600MHz ～1500MHz；

2）输出频率范围:1GHz ～18GHz；

3）输入信号功率:-10dBm ～8dBm；

4）输出谐波幅度:＞-20dBm@6GHz，＞-25dBm@12GHz，＞-30dBm@18GHz；

5）输出信号谐波相位重复性:sn＜2° （n=6）；

6）输出信号谐波幅度重复性:sn＜0.2dB （n=6）。

2.1 非线性核心电路

非线性传输线的芯片有几种，其中一种是由分立的肖特基二极管构成，这种电路造价低廉，寄生参数大、带宽小，最小脉宽在90 皮秒左右，若要加大非线性传输线的带宽，必须减小寄生参数。所以，本文中采用的是一种形式的非线性传输线，其采用GaAs 半导体技术，由单片模块构成，最高带宽可以达到40GHz 以上。

本文采用的非线性传输线芯片的入射信号频率为600MHz ～1.5GHz，在非线性激励下，输出信号的谐波频率在20GHz 以上。按照芯片的技术说明书要求，输入电平不低于18dBm，而且输出各次谐波幅度对输入电平比较敏感，当输入电平大于21dBm 时，敏感度将减小，在高频波段保持不变。输出频谱的低频波段，功率过大，应该采取相应幅度均衡技术，降频该波段的功率电平。

2.2 前端电平稳定电路

根据非线性传输线芯片的说明书要求，前端电平稳定电路要求能将输入给NLTL 器件的信号电平稳定在21dBm。前端电平稳定电路由检波电路、积分电路、电压参考电路及功率放大、衰减模块构成。检波器的控制电压由电压参考模块产生的标准电压信号给出，反馈环路由积分器及放大衰减模块构成；正弦波输出电平能够稳定在21dBm，电平变化不大于0.05dB/10℃。

图2 前端电平稳定电路图Fig.2 Front ALC

2.3 后端均幅模块

在NLTL 输出端，为了使谐波信号的输出电平更加均衡，需要增加均幅模块。本项目NLTL 输出电平的均衡增益拐点大致在3GHz，所以需要对3GHz 以下频段进行渐变衰减。根据这个要求，设计由加载电阻和微带枝节构成的均衡器，通过ADS 仿真优化，使输出信号电平随频率的响应小于10dB。

2.4 屏蔽盒及电路连接

由于非线性对干扰及互扰敏感，为了降低外部干扰，同时减小内部互扰，设计了屏蔽盒对外部和内部区域进行隔离，使各个不同区域的隔离度不小于几十分贝。采用罗杰斯陶瓷板和多层FR-4 多层混压技术的印制板，兼顾信号完整性与结构的紧凑。用SMA 电缆相连电源供电电路和射频部分；屏蔽盒的底板为厚铜板，以此减小热累积，提高散热效率。

3 谐波相位定标

时域采样变换到频域分析是谐波相位的定标常采用的方法，通过周期脉冲信号与对应频谱之间的相位关系实现相位定标。目前主要方式是通过电光取样系统或取样示波器进行时域采样，再将时域信息傅氏变换得到频域相位［7］。电光取样系统的测量准确度很高，但系统构建比较复杂，国内具备电光取样系统的实验室比较少；取样示波器法测量谐波相位时，要修正时基漂移、抖动与失真等时基误差，如果修正不完善对谐波相位的定标值影响比较大。本文采用实时示波器进行谐波相位测量，相较于取样示波器，实时示波器的时基误差可以忽略，测量准确度更高。对实时示波器的要求是带宽足够宽，目前业界最高频率的实时示波器频率可达110GHz，本文采用的实时示波器带宽为67GHz，完全满足输出谐波最高频率为20GHz 的谐波相位标准器的对采样率的要求。

3.1 谐波相位定标系统

定标系统的组成框图如图3 所示，信号发生器输出的射频信号分为两路，一路作为触发信号给示波器的触发输入口，另一路给被测谐波相位标准器作为激励信号。谐波相位标准器输出的谐波进入示波器的测量通道，示波器采集多个周期的信号作为一组，测量10 组信号，由计算机采集进行数据处理提取谐波相位。定标流程如图4 所示。首先对10 组信号进行相关对准，再对该信号进行平均以去除噪声的影响，对平均去噪后的信号进行傅立叶变换，从时域转换到频域，利用阻抗测量数据进行阻抗失配的修正，修正后的数据对相位信息进行接缠绕和去斜率处理，得到最终的谐波相位定标值。

图3 谐波相位定标系统框图Fig.3 Harmonic phase calibration system

3.2 数据处理

3.2.1 阻抗失配修正

非线性检验件的阻抗与示波器探头的阻抗的不一致会导致阻抗失配，示波器测量得到的波形会失真，对傅里叶变换后频域信号的幅度和相位产生影响，从而降低测量准确度，所以需要对阻抗失配加以修正［8］。

图4 定标流程图Fig.4 Calibration flow chart

为了修正阻抗失配，需要对非线性检验件的输出阻抗和示波器的输入阻抗进行测量，所用的设备为网络分析仪。通过测量得到二者的反射系数，在对示波器测得的时域信号傅里叶变换到频域后，在频域上利用测得的反射系数修正阻抗失配对输出信号幅度和相位的影响。

非线性检验件和示波器探头间的阻抗失配的示意图及信号流图如图5 所示。

图5 阻抗失配原理示意图Fig.5 Schematic diagram of impedance mismatch principle

由信号流图得到公式为

式中:ΓHPR——非线性检验件输出端反射系数:ΓScope——示波 器 探 头 入 射 端 反 射 系 数；ΓHPR，ΓScope——矢量网络分析仪对二者的测得值；M——示波器测量时域信号后经傅里叶变换计算得到的频域信号；HHPR——非线性检验件的输出频谱。

3.2.2 相位的解缠绕和去斜率

为了得到非线性检验件的各次谐波之间的相对相位关系，在上述阻抗修正后，需要对频域信号的相位信息进行处理，进行解缠绕和去斜率运算。

由信号的离散傅立叶变换算法可知，通过对频域信号的反正切运算得到相位信息，反正切的函数使得相位在-π 至+π 之间，所以存在相位折叠，也称为缠绕。根据离散傅立叶变换性质，若数列x［n］的离散傅立叶变换的幅度谱为MagX［k］、相位谱为PhaseX［k］，当给该数列加一个延迟，即在横轴上向右移动m个单位时，得到新的序列x［n+m］，计算x［n+m］离散傅立叶变换，得到延时后的幅度谱MagX［k］、相位谱PhaseX［k］ +2πmf，这里f为相位谱的频率，范围为0～0.5fs，fs为信号带宽。fs的值可在实验中根据具体需求确定。若示波器的采样间隔为Ts，则fs为Ts的倒数。

上述变换中频域附加的线性项2πmf是由于时域上的延迟导致的，该线性项使得频域的相位谱线的斜率改变。当施加的延时不同时变化的斜率也不同，所以当进行谐波相对相位的计算时，由于时域取样时间的不同，需要对这一斜率进行去除，编写算法去掉不同的斜率以便于对非线性检验件的谐波相位进行比较。

最小二乘法可用于去除谐波相位斜率。首先对反正切变换得到的相位谱进行解缠绕，然后将一个斜率可变的线性分量叠加在解缠绕后的相位谱上，计算各个相位谱的方差，保留方差最小的相位谱作为目标相位。在编制算法时为了提高运算效率并保证结果的准确度，可先设置较大步进量的叠加斜率，如1°；以此步进量计算0°～360°斜率时的相位谱方差，得到此间最小方差对应的斜率与相位谱线。然后细化斜率递进值，使其在此斜率的±1°范围内以较小的间隔步进，如0.1°，返回最小方差对应的斜率与相位谱线，迭代该过程直到得到平坦的相位谱估计值。

4 实验结果

谐波相位标准器的频谱图如图6 所示。用频谱分析仪测量可见在1GHz 信号的激励下，产生间隔为1GHz 的谐波信号，这里最高测量到20GHz。基波信号功率在-13dBm 左右，各次谐波功率在（ -12～-30）dBm 之间。

图6 谐波相位标准器频谱图Fig.6 Spectrum of harmonic phase standard

用校准后的NVNA 对其相位进行重复性测量，测量6 次，计算均值和实验标准偏差，测量数据如下表所示。可见，6 次的谐波相位实验标准偏差满足本设计提出的指标要求，具有较好的谐波相位重复性，测量数据见表1。

用实时示波器对谐波相位标准器进行定标测量，对直接采集的数据按文中所述方法进行阻抗失配修正、相位的解缠绕，然后再和NVNA 测量得到的信号进行去斜率处理，得到的相位定标值及与NVNA 测量得到的差值见表2。

从上述测量数据可见，以谐波相位标准器为传递标准件，以示波器测得值作为定标值，在18GHz 范围内，用NVNA 测得的谐波相位值误差在±1°以内。

表1 谐波相位标准器相位重复性测量数据Tab.1 Phase repeatability measurement data of harmonic phase standard 单位（°）

表2 谐波相位标准器相位定标值比较Tab.2 Comparison of phase calibration values of harmonic phase standard 单位（°）

5 结束语

用非线性传输线作为核心器件，并设计相应的稳幅、均衡电路，使得电路输出谐波分量丰富、幅度均衡、相位稳定，可作为检验网络分析仪的谐波相位指标的标准器使用。通过高速实时示波器对其输出信号采样，进行傅立叶变换，并进行阻抗失配修正、相位解缠绕和去斜率处理得到谐波相位标准器的定标数据。使用高速实时示波器对谐波相位进行测量，较EOS 测量系统搭建简单，又避免了取样示波器测量时的时基抖动等问题，可以作为谐波相位标准器的定标方法之一。