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，動態范圍等指標有決定性的影響。典型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。隨著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，例如為提高系統的傳輸效率和抗干擾能力，無線通信采用了復雜調制技術，從MSK調頻到PSK調相再到多載波的OFDM調制方式，這會造成信號的功率動態范圍越來越大，對于放大器而言就要求盡量寬的線性范圍，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，這對于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，由于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系數。 

 

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采用的技術，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并降低干擾等。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范圍，線性化技術也被認為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采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，這對于射頻微波電路的研制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，為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，為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后再進行電路實物實現已經是射頻微波電路實現的規范化技術流程，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，Agilent 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，噪聲系數等參數的分配。當指標分配好后，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于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。Agilent B1500A能完成器件直流I/V,C/V參數測試，用于微波器件的直流參數建模。 

基于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。 

 

圖2：基于仿真軟件和測試儀表構建的微波電路設開發臺 

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，儀表都采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調制來建立信號，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，檢波處理等都已采用ADC轉換后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。基于這些實現技術，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。 

 

圖3：平臺化測試儀表 

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，為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，這些儀表采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周期誤差，這樣問題信號的來源就很快得到定位。Agilent 89601A/B矢量分析軟件為核心的矢量信號分析系統，可以支持Agilent全系列的邏輯分析儀，示波器和信號分析儀，典型的測試分析判斷舉例如表1所示。 

 

圖4：先進儀表對接收機系統的測試 

 

表1：典型電子系統誤差來源分析 

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為Agilent 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范圍可以達到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范圍。最主要的網絡分析儀能工作到1THz頻段。 

 

圖5：毫米波太赫茲測試儀表配置 

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，由于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，降低了系統的復雜程度和成本價格，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的測試動態范圍能達到80dB，測試的軌跡噪聲性能小于0.1dB。圖6為PNA‐X矢網的實際測試性能。 

 

圖6：太赫茲網絡儀測試性能 

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，由于采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。

隨著Agilent PNA‐X/PNA系列網絡儀的推出，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：

PNA‐X網絡儀技術突破	具體說明	應用價值
支持完整的被測件類型	支持對天線，放大器，衰減器，混頻器，脈沖器件等類型器件的測試	作為射頻微波器件的測試平臺，滿足研發和生產測試應用要求。
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。
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。
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Agilent 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為非變頻器件和變頻器件，測試參數可以設定為線性S參數，非線性參數（包含功率壓縮參數和交調抑制參數）和噪聲系數參數。 

 

圖7： Agilent PNA‐X的測試功能 

圖8為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的噪聲系數測試和通道6的脈沖時域測試。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，這對于應用的價值，這不是簡單減少了連接的次數和測試時間，由于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系數和增益性能，在調試狀態下同時觀察駐波和噪聲系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于網絡儀的校準狀態下進行，能大大提高測試的精度。 

 

圖8： Agilent PNA‐X網絡儀完成單次連接多參數測試 

PNA‐X為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，基于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，基于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，并成功完成了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。 

 

圖9： 非線性網絡儀測試結果 

2.2.3 寬帶測試儀表 
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40GHz頻率范圍內1GHz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范圍擴展到更高頻段。典型的儀表型號配置如表2所示。

表2： 寬帶信號源和分析儀表

基本技術性能
M8190A寬帶任意發生器	內置高速DAC電路，最高采樣率12GHz， 位數12Bit。直接輸出信號帶寬：5GHz。
E8267D微波矢量源	支持2GHz寬帶IQ調制器。輸出信號頻率范圍：44GHz,調制帶寬：2GHz.
N9030A微波信號分析儀	內置ADC支持140MHz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。輸入信號頻率范圍：50GHz。利用外置混頻器頻率可以擴展至亞毫米波和太赫茲頻段
M9392A PXI模塊化超寬帶矢量信號分析儀	信號分析帶寬和信號動態范圍可達到800MHz、12bit。輸入信號頻率范圍：26.5GHz。
DSO‐X93204A寬帶示波器	信號采樣率達到80G、信號分析帶寬為32GHz、信號動態范圍8bit。
N5281A寬帶變頻器	下變頻器，工作頻率范圍為50GHz ,處理帶寬為1GHz。

 

 

圖10： Agilent寬帶測試應用解決方案 

圖10所示為Agilent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。基于高性能寬帶DAC技術，M8190A能合成帶寬和頻率范圍為5GHz的任意波信號，對于毫米波頻段的覆蓋，M8190A輸出的基帶信號可以通過E8267D的矢量IQ調制將輸出頻率擴展到44GHz，調制帶寬不超過2GHz。對于分析儀，N9030A內置400MHz 采樣率ADC電路，分析帶寬為140MHz,對于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，變頻的帶寬為800MHz,然后利用示波器或PXI模塊化矢量信號分析以來對該中頻信號進行分析。對于超過800MHz的分析帶寬要求，可以采用高速示波器直接采集分析，Agilent DSO‐X系列實時示波器采用基于磷化銦技術的80G采樣率的ADC，最大分析帶寬能達到32GHz。 

圖11為寬帶測試儀表的具體應用實例，包含帶寬為2GHz的寬帶線性調頻信號和帶寬為4GHz的噪聲功率比（NPR）信號。 

 圖11：寬帶信號建立和分析驗證舉例 

2.2.4 多通道測試儀表
對于復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，首先對于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。Agilent ENA‐C和PNA等系列網絡儀能支持多端口擴展測試要求。圖12為PNA‐L網絡儀擴展為12端口的矢網測試系統。 

 

圖12：Agilent多端口網絡儀 

對于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為Agilent基于PXI總線結構的4通道矢量分析儀，能滿足26.5GHz范圍內帶寬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。 

 

圖13：Agilent模塊化多通道接收機系統 

第三部分；無線通信發展的挑戰與對策

3.1 無線通信發展挑戰：

無線通信系統近年來飛速發展，從GSM 到GPRS、EDGE，再到WCDMA、TD‐SCDMA、
HSDPA、HSUPA、HSPA+，以及最近的LTE 通信系統，逐漸向用戶提供更高的數據傳輸速率及更高的頻譜利用率。LTE(Long Term Evolution)項目是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準，新技術的采用也對測試提出了新的要求。

1.數據吞吐量和頻譜效率
出于市場因素的考慮，對不同無線接入技術比較的第一個參數往往就是每個用戶所能達到的峰值數據率。峰值數據率通常正比于使用的總頻譜，對于MIMO系統而言，則要依據接收和傳輸天線的最小數目而定。LTE系統在20MHz帶寬內的上、下行峰值數據率分別為100Mbit/s和50Mbit/s，這里的基本假設是終端具有兩根接收天線和一根發射天線。系統峰值數據速率是在理想的條件下達到的，但在實際系統部署中對移動通信系統的多種使用場景來說，數據速率受距離基站距離，終端移動速度，業務類型等多種因素影響。在測試或驗證過程中必須考慮不同應用場景下的數據吞吐量。

2.與其他無線接入技術之間的互操作性。
除了系統性能，其它方面的考慮對營運商來說也很重要，包括降低部署成本，靈活使用頻譜及與原系統的互操作性等。與其它無線接入技術靈活的互操作對于業務的連續性來講很重要，特別是在LTE早期階段，由于只有部分覆蓋會經常發生切換到原系統的情況。在LTE無線接入設計中，只有對測量來自其它系統的信號和快速切換機制進行綜合運用時，才能保證業務的連續性和短的中斷時間。因此LTE第一版就緊密支持與其它3GPP技術和非3GPP技術比如CDMA2000的交互操作。

3.2安捷倫LTE解決方案

1、LTE設計仿真
基帶設計與驗證
● 系統級體系結構設計
● 物理層(PHY) 算法開發
● 信號處理硬件

Agilent SystemVue 是一個全新的、用于基帶物理層體系結構和算法的電子系統級(ESL) 設計環境。SystemVue針對3GPP LTE 提供了兩個級別的測試能力，使您的設計從一開始就能保證與儀器保持一致性。SystemVue的基帶驗證程序庫是一組預先定義的、可快速使用的參數化LTE 算法參考模型，為設計人員在信號處理過程中的任何環節上比較波形和生成測試矢量提供了“ 完美的” 標準。基帶考察程序庫(baseband exploration library) 更進一步開放了算法源代碼，幫助您更快地完成LTE 設計

ADS LTE Library  
 
射頻設計與驗證
● 模擬/ 射頻設計與驗證
● 系統級物理層集成
● 連接狀態下的模擬/ 數字協同驗證

用于ADS 的Agilent 3GPP LTE 無線程序庫可以為射頻設計人員和系統集成人員節省寶貴的設計和驗證時間，幫助他們提高原始的、未經校正的物理層性能。該程序庫提供多種信號處理模型和預先配置的仿真設置，以便與Agilent ADS 軟件配合使用。它可以生成并解調符合最新LTE 標準( 包括MIMO 和TDD) 的測試信號。這使設計人員在將RFIC 和電路板設計投入制造之前，能夠對射頻硬件的物理層性能進行早期驗證，從而避免了代價高昂的設計返工。與其他解決方案不同，AgilentADS 程序庫使您可以將實時、高性能的射頻仿真、基帶仿真與實際環境中符合標準的測量結合起來，加快總體物理層的整合和測試。

2、LTE上行鏈路和下行鏈路信號生成
安捷倫通過將信號發生器與Signal Studio 信號生成軟件相組合，為自己在移動通信行業建立了牢固的聲譽。多樣化和全面的軟件適用于研發和生產現有的和正在演進中的2G、3G、3.5G 和4G 通信系統。您可以快速輕松地建立性能經過優化的LTE 參考信號，以進行元器件級參數測試、基帶子系統驗證、接收機性能驗證和先進的功能測試。

 

Signal Studio 軟件能夠對標準的測試信號進行配置，針對多種技術驗證元器件、接收機和基帶ASIC 的性能。該軟件可與Agilent MXG 信號發生器結合使用，從而獲得業界最佳的相鄰信道泄漏比(ACLR) 性能，成為測試和評估基站元器件( 例如多載波功率放大器) 的理想工具。Signal Studio 軟件與Agilent ESG 信號發生器結合，適用于需要更低相位噪聲、最佳電平精度或數字I/Q 輸入和輸出的應用。此外，Signal Studio 軟件還可與Agilent PXB 基帶發生器和通道仿真器結合，用于需要MIMO 衰落、生成干擾激勵、數字I/Q 輸入和輸出、實時信號生成或對高級LTE 功能( 例如HARQ) 進行閉環測試的應用.

3、LTE上行鏈路和下行鏈路信號分析
新興的寬帶通信系統越來越復雜，因此需要進行靈活的信號分析和深入的調制分析，以及射頻功率測量。通過提供全球一流的精度、靈活性和標準一致性測量應用，AgilentX 系列(PXA/MXA/EXA) 信號分析儀可以很容易地測量復雜信號。此外，Agilent 89600 VSA 軟件與Agilent X 系列信號分析儀結合使用，為研發工程師提供全面的通用和標準一致性信號測試和故障診斷工具。使用具有LTE 分析能力的89600VSA 軟件可對LTE 設備的性能進行更
深入的分析。高性能VSA 軟件可幫助射頻和基帶工程師進行業界最全面的LTE 物理層信號分析。89600 VSA軟件的特性包括:
● 一個選件中同時包含下行鏈路(OFDMA) 和上行鏈路(SC-FDMA)
●  FDD 模式，通用幀結構類型1
●  TDD 模式，通用幀結構類型2
● 所有LTE 帶寬: 1.4 MHz 至20 MHz
● 所有調制格式和序列: BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和CAZAC (Zadoff-Chu)
● 高達4x4 DL MIMO 可支持4 通道平臺
● 自動檢測和解調下行鏈路用戶突發信號
● EVM < -50 dB (<0.35%)，處于業界領   先水平( 不同的測量平臺存在差異)
● 多種通道內測量和跡線可供選擇— 整體/ 數據部分/ 參考信號的EVM、EVM/ 通道、載波、符號、資源塊和時隙。
● 設計出色的用戶界面，包括多達六個屏幕( 可同時顯示，也可根據用戶的選擇進行顯示)、顏色編碼和用于連接多條跡線的游標。

89600VSA軟件 

4、E6621A PXT 無線通訊測試儀
Agilent E6621A PXT 無線通信測試儀為整個LTE UE 開發周期( 從早期開發到射頻一致性及互操作測試)提供領先的測試解決方案。AgilentE6621A 的特性包括:
● 實時的基站網絡仿真，實現方便而真實的集成和驗證測試
● LTE 發射機和接收機測量套件
● MIMO 2x2
● 6 GHz 頻率范圍，采用Windows XP® 操作系統的內部PC 控制器
● 支持2 小區功能
● 端到端數據速率高
● 結合Agilent 8960 進行Inter-RAT 切換測試 

Inter-RAT 切換測試

 
總結： 
先進射頻微波測試能為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。