浅析非线性传输线在VNA中的应用

基于VNA应用的SRD谐波采样器

为了便于读者理解非线性传输线技术的优势，我们探究一下该项技术在VNA中的应用。微波和毫米波VNA均基于谐波混频器或取样器。在传统的取样VNA（图1）中，VNA的接收机采用短脉冲波对激励和响应信号进行采样。这些短脉冲波形也被用作谐波源以对内部VNA信号进行倍频，而这些VNA信号同时被用作激励源和接收机的本振信号。这些短脉冲传统上由阶跃恢复二极管（SRD）电路生成。然而，基于SRD谐波采样器的VNA面临着一系列的挑战。首先，基于SRD的谐波取样器的带宽受限；其次，不同测试信道之间存在泄漏从而限制VNA的动态范围。当扩展频率范围超过基于SRD谐波采样器的基波带宽时，宽带VNA测量结果的短期和长期稳定性及测试质量由于受到下列因素的影响而受到挑战：

▪ 由离散器件诸如反射器、接收机、信号调整设备、互联电缆和波导构成的大物理尺寸和非均匀的测量结构；

▪ 高频多路复用结构；

▪ 复杂的接收机结构，例如谐波频率转换器和复杂的本振分配网络。

可以采用非线性传输线技术取代SRD以克服基于SRD系统所面临的限制和挑战。

图1：基于谐波采样器的矢量网络分析仪采用步进恢复二极管（SRD）

非线性传输线技术

在大多数基本架构中，NLTL由端接变容二极管的高阻抗传输线组成，由此构成独特的传播介质。该传播介质的相速，本质上也就是时延，成为二极管瞬态电压的函数。电压越低，沿着非线性传输线传输的波形的相速就越小，时延就越长。与之相反的，电压越高，沿着非线性传输线传输的波形的相速就越大，时延就越小。当把一组梯形电压波形作为输入信号，非线性传输线会压制波形的前端，从而生成含有丰富谐波分量的类似阶跃电压信号（图2）。

图2：当电磁波沿非线性传输线传输时，电磁波的下降沿将经历压缩过程

当输入一个连续波信号时，非均匀结构的非线性传输线电路会因此增强下降时间的压缩，由此导致生成一串类似阶跃信号的波形。通过利用非线性传输线电路的下降时间压缩特性，非线性传输线电路可使用连续波信号生成一串非常窄的门脉冲，这些门脉冲的频率达到接收机的微波和毫米波频率范围（图3）。该下降时间会比由SRD生成的脉冲的下降时间快大约10倍。此外，通过利用非线性传输电路的“谐波生成”特性可获得宽带分布谐波。由于任何VNA的两项主要功能是生成信号并对其采样，因此非线性传输线技术特别适用于该类设备。

图3：采用不均匀的非线性传输线（NLTL）技术生成的波形

采用NLTL技术的商业化VNA

安立在2009年推出了VectorStar系列VNA，该VNA的重要特征就是首次将非线性传输线技术应用到VNA并将其商用化。安立的半导体、部件和小型化结构的完整产线均包含非线性传输线技术，产品范围包括从最高性能的VNA到价格敏感的现场应用的微波测试系统解决方案。表1列出了非线性传输线技术的主要优势和好处。

更宽频率范围非线性传输线技术所带来的测试创新

结合外部毫米波模块和基于非线性传输线技术的VNA构成了毫米波测试系统，该系统单次同轴连接的频率测量范围可达70kHz到110/125/145 GHz。这些测试系统在器件特性表征和高速率信号完整性领域具有极好的应用。此外，体积小、重量轻、高频毫米波模块可增强其可操作性和探针的定位，这些在探针台测试和天线及电路的近场扫描测试中也具有极好的应用。该系统可直接连接到待测件上，在110GHz频率上宽带动态范围高达107dB，其S21曲线超过24小时的校准稳定性高达0.1dB和0.5°

超高性价比的E波段VNA

基于NLTL技术的低成本的VNA系列由一个极佳的小型源和接收机模块构成，可测量的频率为55GHz到92GHz。这是一个集成测试系统，可提供极高的测试性能，适用于E波段器件的大规模产线测试。

频率高达40GHz的手持式电缆和天馈线分析仪

微波手持天馈线分析仪可为现场应用工程师和无线网络安装人员提供业界领先的动态范围、方向性和可持续性，这些性能可帮助他们在对高达40GHz的微波通信系统的安装、维护和故障处理方面提供更好的精确测量。

超便携设备

超便携的频谱分析仪与传统的大体积测试设备相比，在成本、体积和性能方面为业界设立了新的标准。

基于非线性传输线技术开发的口袋尺寸大小的VNA拥有良好的性能，包括业界领先的动态范围、扫描速度和幅度精度。该VNA超便携的尺寸使其可几乎直接连接到任何待测件，不再需要辅助的电缆或天线。

安立MS2760A是业界首款手持式毫米波频谱仪，该频谱仪可提供连续覆盖9kHz到110GHz的频率范围（图4）。该频谱仪可用于快速增长的5G网络开发市场以及其它快速增长的毫米波应用，例如802.22ad/WiGig、E波段微波无线通信、卫星通信、电子战和汽车雷达等领域。

安立推出的一款新型功率计是业界首款频率可选的毫米波功率计，该超便携的USB供电的设备可测量的射频信号的频率范围高达70GHz，功率最低可达-90dBm。不像笨重、昂贵和复杂的频谱仪，也不像频率和动态范围受限的功率计，该款功率计可对9kHz到70GHz频率范围内的最高可达6个信号的功率进行简单的、数字式的和基于频率的功率测量。该功率计的尺寸仅比手机稍大，且价格完全是用户可接受的。

结论

非线性传输线技术重新定义了设备的性能水平及大小。与此同时，该技术突破了高频测试和测量设备的成本障碍。安立对这项技术拥有专利授权的应用，将引领下一代微波毫米波测量设备的发展趋势，进而可帮助用户加速下一代产品的开发，并降低产品的生产成本。而这一切均得益于该项技术所带来的额外的便携性，从而使得客户能够安装和维护下一代射频系统。

审核编辑：黄飞