摘要:無(wú)論在光纖通信系統(tǒng)還是在國(guó)防應(yīng)用系統(tǒng)中，都存在著很多長(zhǎng)延時(shí)器件，譬如聲表面波濾波器和長(zhǎng)距離的光纖。對(duì)于幾十公里的光纖，就可能有幾百微秒的延時(shí)。基于安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），很多工程師不能準(zhǔn)確地測(cè)量出長(zhǎng)延時(shí)器件的衰減和群時(shí)延(Group Delay)。針對(duì)這一問(wèn)題，本篇文章探討如何使用VNA來(lái)測(cè)試長(zhǎng)延時(shí)器件。

　　1. 光纖長(zhǎng)延時(shí)器件的特點(diǎn)與應(yīng)用光纖通信在數(shù)字通信領(lǐng)域已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，且得到了快速的發(fā)展。由于光纖通訊具有帶寬寬、損耗低、抗干擾、保密性好、重量輕、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)通過(guò)光纖傳輸模擬信號(hào)特別是微波射頻信號(hào)在國(guó)際上研究十分活躍。

　　在電子學(xué)系統(tǒng)中，常常需要對(duì)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行一系列處理，例如進(jìn)行脈沖編碼、解碼、濾波、進(jìn)行相關(guān)卷積運(yùn)算及作A/D變換等。過(guò)去常用的方法除電子學(xué)方法外，還應(yīng)用了聲表面波電荷耦合器件（SAW CCD）以及同軸電纜等，但是隨著信號(hào)工作頻率與帶寬的提高，特別是在微波頻段，這些方法就顯得無(wú)能為力了。由光纖及其相應(yīng)的光電子器件構(gòu)成的光纖延遲線不僅能完成上述信號(hào)處理功能，而且在某些方面比新發(fā)展的靜磁波與超導(dǎo)延遲線還優(yōu)越。此外，光纖除可以用作信息傳輸與傳感之外，還有一個(gè)很重要的應(yīng)用就是進(jìn)行頻域和時(shí)域的信號(hào)處理，其中，最典型的應(yīng)用是將光纖作為延遲線。

　　微波光纖延遲線主要用于傳輸微波模擬信號(hào)，該系統(tǒng)可以用于相控陣雷達(dá)主倉(cāng)和分倉(cāng)之間，多基地雷達(dá)之間，艦艇、飛機(jī)、操作室和炮火控制臺(tái)的模擬信號(hào)傳輸。在電子系統(tǒng)中，采用光纖傳輸微波模擬信號(hào)，可以使雷達(dá)，通信導(dǎo)航識(shí)別，電子戰(zhàn)信號(hào)經(jīng)傳輸更好地顯示與控制，減輕重量，增大容量，屏蔽干擾，大大提高系統(tǒng)的可靠性。

　　2. 網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　要想獲取高精度的測(cè)量結(jié)果，必須非常清楚地理解網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　圖1 VNA網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)圖

　　前向測(cè)量時(shí)，B為測(cè)試接收機(jī)，A為反射接收機(jī)，R1為參考接收機(jī)；反向測(cè)量時(shí)，A為測(cè)試接收機(jī)，B為反射接收機(jī)，R2為參考接收機(jī)。

　　四個(gè)S參數(shù)定義如下：

　　前向：S11=A/R1 S21=B/R1 反向：S22=B/R2 S12=A/R2

　　對(duì)于長(zhǎng)延時(shí)器件常常需要測(cè)量其衰減和電延時(shí)，電延時(shí)是相位相關(guān)的，即測(cè)量S21的幅度信息和相位信息，因此我們只需要關(guān)心B接收機(jī)和R1接收機(jī)。

　　3. 長(zhǎng)延時(shí)器件S21的幅度測(cè)量時(shí)問(wèn)題分析以及解決方案

　　長(zhǎng)延時(shí)器件測(cè)量連接如圖2所示：

　　圖2 測(cè)試連接

　　當(dāng)測(cè)量S21的幅度時(shí)，幅度相應(yīng)看起來(lái)非常低，甚至?xí)幸恍┨儭４藭r(shí)，如果你增加掃描時(shí)間，你會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果會(huì)變得準(zhǔn)確一些。很顯然，問(wèn)題是由于網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描速度太快導(dǎo)致，但是為什么快的掃描速度會(huì)引起較差的測(cè)試結(jié)果？

　　我們測(cè)量長(zhǎng)延時(shí)器件的S21時(shí)，VNA的掃描類(lèi)型是線性頻率掃描，也就是頻率隨著時(shí)間掃描，因此被測(cè)件(DUT)的時(shí)延會(huì)引起輸出頻率對(duì)輸入頻率有一個(gè)頻率偏移，頻率偏移是由VNA的掃描速率和DUT的時(shí)延共同決定：

　　由圖2可以看出，DUT的輸出信號(hào)到達(dá)B接收機(jī)，依據(jù)VNA的工作原理，B接收機(jī)被調(diào)諧到DUT輸入信號(hào)的頻率，因此DUT輸出信號(hào)的頻率與B接收機(jī)的工作頻率相差Fshift。最終導(dǎo)致接收機(jī)的中頻信號(hào)并不是在中頻濾波器的中心位置，濾波器的裙邊會(huì)對(duì)DUT的輸出信號(hào)有一些衰減。因此，掃描速率越快，頻率偏移越大，S21的幅度下降越嚴(yán)重。如果掃描頻率跨越幾個(gè)VNA頻帶，S21幅度可能會(huì)有跳變現(xiàn)象，因此VNA需要在不同的頻帶內(nèi)設(shè)置不同的掃描速率，但是對(duì)于每個(gè)頻帶可以設(shè)置相同的較慢的掃描速率。

　　當(dāng)你測(cè)量長(zhǎng)延時(shí)器件的S21幅度時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果不正確，建議幾種如下解決方案

　　A. 降低VNA的掃描速度，直到S21幅度穩(wěn)定。

　　B. 使用“Stepped Sweep”步進(jìn)掃描模式，設(shè)置每個(gè)頻點(diǎn)的駐留時(shí)間。

　　C. 在參考通道，增加一個(gè)足夠長(zhǎng)的電纜，讓這個(gè)電纜來(lái)匹配DUT的時(shí)延，但是這個(gè)方案會(huì)給校準(zhǔn)帶來(lái)一些麻煩。

　　4. 長(zhǎng)延時(shí)器件的電延時(shí)測(cè)量問(wèn)題分析與解決方案

　　很多工程師都知道安捷輪的VNA網(wǎng)絡(luò)分析儀具有群時(shí)延的測(cè)量功能，但是很少有人能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出長(zhǎng)延時(shí)器件的電子延時(shí)，甚至有時(shí)候測(cè)量的群時(shí)延為負(fù)值。針對(duì)這一問(wèn)題，作者向大家提供三種測(cè)試方案

　　A. 電子延時(shí)補(bǔ)償?shù)刃Х?/P>

　　首先，設(shè)置S21的顯示格式為Unwrapped Phase，然后調(diào)整VNA的Electric Delay進(jìn)行補(bǔ)償，直到S21的相位軌跡曲線變得非常平坦。調(diào)整時(shí)，請(qǐng)注意當(dāng)曲線的斜率為正值時(shí)，說(shuō)明過(guò)補(bǔ)償。最終的補(bǔ)償值為被測(cè)器件的電子延時(shí)長(zhǎng)度。

　　B. 群時(shí)延法

　　群時(shí)延的定義如下：

　　圖3所示的Average Delay代表DUT的電子長(zhǎng)度或電延時(shí)，Group Delay Ripple代表DUT

　　的相位失真。群時(shí)延計(jì)算的前提條件是要保證任意兩點(diǎn)之間的相位差小于180度，否則出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)，相位反轉(zhuǎn)的典型現(xiàn)象是群時(shí)延為負(fù)值。避免兩點(diǎn)之間相位反轉(zhuǎn)，須保證以下不等式成立：

　　針對(duì)長(zhǎng)延時(shí)器件，要想滿(mǎn)足以上不等式，需要增加掃描點(diǎn)數(shù)和減少掃描帶寬。測(cè)量時(shí)，設(shè)置S21的顯示格式為Group Delay，圖4給出群時(shí)延方法的測(cè)量結(jié)果，DUT的平均群時(shí)延為247.776微秒。

　　圖4 群時(shí)延方法的測(cè)量結(jié)果

　　C. 電延時(shí)補(bǔ)償?shù)刃Хㄅc群時(shí)延法相結(jié)合

　　這種方法結(jié)合電子延時(shí)補(bǔ)償?shù)刃Хㄅc群時(shí)延法，首先在VNA里設(shè)置Electric Delay為一個(gè)估計(jì)值，例如在圖4中可以估測(cè)電子延時(shí)為247.7微秒（這個(gè)值可以根據(jù)被測(cè)件的物理長(zhǎng)度，介電常數(shù)和光速大約計(jì)算出來(lái)；這里也可以估算為240微秒），然后測(cè)量其群時(shí)延。測(cè)量結(jié)果如圖5所示，平均群時(shí)延為75.9納秒。如果過(guò)補(bǔ)償，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果為負(fù)值，不過(guò)不影響最終測(cè)量結(jié)果。最終測(cè)量結(jié)果為補(bǔ)償值加上測(cè)量值，因此最終測(cè)量結(jié)果為247.7759微秒。

　　圖5 電子延時(shí)補(bǔ)償法與群時(shí)法相結(jié)合的測(cè)量結(jié)果

　　總結(jié)

　　在測(cè)量長(zhǎng)延時(shí)器件時(shí)，由于VNA掃描速度太快，導(dǎo)致傳輸系數(shù)S21幅度測(cè)量不準(zhǔn)確。群時(shí)延測(cè)量不準(zhǔn)確的原因是由于掃描相鄰兩點(diǎn)之間的相位差大于180度，從而導(dǎo)致相位翻轉(zhuǎn)。正確合理地設(shè)置VNA網(wǎng)絡(luò)分析儀，準(zhǔn)確地測(cè)量長(zhǎng)延時(shí)器件就不會(huì)那么復(fù)雜了。