了解RF仪器规格第一部

RF 仪器有许多规格代表了仪器效能。 随着无线技术不断变化，设计RF 组件与设备可能会成为工程师的例行工作，然而工程师在这方面的经验可能并不完整。本文共分为三部分，有助于掌握基础与进阶的RF 仪器规格， 其中包含一般的发生器与分析仪规格。 第一部说明了频率范围、瞬间带宽、微调速度、相位噪声、电压驻波比；第二部与第三部则是说明1 dB 压缩点、三阶交调截取、动态范围与分辨率带宽。

1. 简介

本文说明下列规格，同时适用于RF 产生与分析作业。
· 频率范围
· 瞬间(实时) 带宽
· 微调速度
· 相位噪声
· 电压驻波比(VSWR)

注意： 所有的RF 设备与RF 仪器一样，均受限于相同的设计规则。

2. 频率范围

频率范围 (Frequency Range) 是RF 仪器的重要特性之一。 比如说，WiFi 测试解决方案所需的运作频率高达2.5 GHz。 一样的道理，如要分析运作频率为900 MHz 的组件，采用此组件的仪器必须在相同的频率范围内运作才行。混合器、输入滤波器、局部震荡器(LO) 等组件都会影响RF 仪器的最大频率范围。不过主要是通过调整LO，才能将仪器设定为在特定的频率内运作。 有些仪器会采用多种系列的LO，但是简化过的仪器方块图却只使用一个LO (如图2 所示)。

LO 搭配了RF 输入，后者可以将RF 信号降转换为中频(Intermediate Frequency，IF) 信号。 相同的频率合成技术也适用于RF 信号发生器。使用电压控制震荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO) 或钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG) 即可完成频率合成作业。传统的作法是RF 仪器会采用YIG 架构以产生LO。YIG 是一种电流控制震荡器(Current Controlled Oscillator)，其特色是密集的相位噪声与大频率范围(高达20 GHz 或以上)。 不过YIG 架构的仪器不但耗电量高，也可能相当昂贵。 此外，相较于其他方法，调整YIG 的频率或许得花更多时间。因此，近期采用VCO 的LO 架构变得更普遍。VCO 的频率范围比YIG 更小，但微调速度却快很多。

3. 瞬间(实时) 带宽

瞬间带宽 (Instantaneous Frequency) 也称为实时带宽 (Real-TIme Frequency)，代表了某仪器产生或撷取的最高连续RF 带宽。比如说，向量信号发生器产生信号的中央频率可能是2.45 GHz，但是该仪器的瞬间带宽(也称为信号带宽) 可能只有20 MHz。 信号带宽代表此设备可连续撷取20 MHz 的RF 频谱，不必重新调整LO。

瞬间带宽主要取决于该仪器的RF 模拟前端设备。如要深入了解瞬间带宽，可以先掌握RF 仪器的基本架构。 目前的技术无法数字化Gigahertz 范围内的每个信号。 所以RF 仪器会采用一系列的LO、混合器、滤波器等，才能将RF 信号导入IF 或基频频率范围。 图2 为向量信号分析仪的简要方块图。

图2. 滤波器与模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC) 决定了瞬间带宽

如图2 所示，向量信号分析仪将一部分的RF 频谱降转换至ADC 可辨识的IF。RF 仪器的瞬间带宽主要取决于下列两个要素：
· 该仪器采用的滤波器
· ADC 的取样率与带宽

仪器的瞬间带宽是否重要，主要取决于应用本身。比如说，如要产生窄频的FM 信号，只需要200 KHz 的瞬间带宽即可。但如果要产生并分析宽带信号，例如IEEE Standard 802.11g (WiFi)，那就至少需要20 MHz 的瞬间带宽。 如果瞬间带宽比重点信号本身大很多，就可以大幅提高频谱屏蔽测试等应用的速度。 如果仪器的瞬间带宽不够频谱屏蔽测试作业使用，就必须重新调整仪器，才能撷取区段内的频率信息。

4. 微调速度

微调速度 (Tuning Speed) 是指LO 在特定的准确度范围内变更中央频率所需的时间。 将震荡器调整至不同频率的时候，LO 的趋稳时间即代表了微调速度。就一般系统而言，如要调整频率，LO 通常会稍微超过所需的频率，并且在特定时间内趋稳至所需的频率。 基本上，微调速度是一种频率间隔(Frequency Step) 大小功能。 频率间隔越大，LO 调整至特定范围所需的时间就越长。表1 为YIG 架构LO 的趋稳时间。

表1. YIG 架构LO 的微调速度

对于802.11g 收发器自动化生产测试等应用来说，微调速度可说是非常重要的规格。 由于802.11g 标准明订了设备必须在2.4 GHz ~ 2.48 GHz 之间于14 个通道之一运作，所以RF 仪器必须用来测试多种频率内的设备运作状况。测试信号的扫频速度越快，测试接收器的速度也就越快。

5. 相位噪声

相位噪声 (Phase Noise) 是指RF 仪器的短期频率稳定性。 相位噪声是由小型的瞬间LO 相位抖动而造成的，会在邻近载波的频率内产生信号功率。

有个简单的方式可以说明相位噪声的影响，那就是分析频域内的单一音调。图3 为两个模拟载波：一个是理想载波，一个具有相位噪声。

图3. 理想载波vs. 非理想载波