是德科技多端口和多站点测试优化技术

[{"insert":"随着元器件上的端口越来越多，测试人员需要进行精准、快速的多端口网络分析。优化矢量网络分析仪（VNA）的配置是最大限度降低制造阶段测试成本的关键。本应用指南概括介绍了多端口和多站点测试的功能，对不同的多端口测试解决方案进行了比较，最后讨论了在配置多点测试站时都需要考虑哪些问题。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"概述 "},{"insert":"\n降低测试成本是大批量元器件生产中面临的主要挑战。随着元器件上的端口越来越多，测试人员需要精准、快速的多端口网络分析。最大限度地减少操作人员干预、减少连接和校准次数都会对测量吞吐量产生很大影响，而最大限度地降低测试成本的关键是优化矢量网络分析仪（VNA）的配置。 \n应用现代化仪器（如具有先进功能的多端口 PXI VNA）可以提高大批量生产测试的测量吞吐量。 Keysight PXI VNA 引入了许多新功能，在提高吞吐量的同时提供了比传统台式解决方案更灵活的测试配置。对于多端口应用，PXI VNA 提供了真正的多端口功能，使测试工程师可以在一个 PXI 机箱内配置多达 32 端口的 VNA。此外，它的外形可以重新配置，与许多常规 VNA 仪器相比，进行多站点或并行测试时占用的空间更小。 \n本应用指南概括介绍了多端口和多站点测试功能。多端口测试解决方案有哪些不同类型，它们有何优缺点？配置多点测试站时需要考虑什么问题，哪些因素可能会影响整体的测试吞吐量？本应用指南对 PXI VNA 以及优化测试站的技术进行了详细说明。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"日益增加的多端口测试需求"},{"insert":" \n在网络分析的早期，所有的测量重点都集中在 2 端口 S 参数上。随着用户越来越多地需要测试功分器、混频器、差分器件等器件，VNA 的功能不断扩展，最终演进到 4 端口VNA。现在，任何需要四个以上端口进行网络分析的器件都被视为多端口器件。 \n当今许多元器件都在单个元件上集成了多种功能。这些元器件的端口数量不断增加，复杂性也随之增加。例如支持智能手机多频段工作的射频前端模块（FEM），多路输入/多路输出（MIMO）天线，以及高速数字应用中的无源互连产品，如射频连接器或电缆组件（图 1）。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/6b8f91fac09750ff.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1. 广泛的应用推动对精确多端口 VNA 测量的需求与日俱增"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"某些多端口器件可以仅仅当作一系列 2 端口测量来进行测试，而许多应用需要对其器件进行更彻底的多端口测试。随着多端口器件的测量参数越来越多，大批量制造商希望能尽量缩短整体测试时间。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"多端口解决方案的类型"},{"insert":" \n根据不同的性能需求、吞吐量需求和预算，可以提供不同的多端口测量解决方案。 \n简单的开关测试座 \n早期的元器件制造商已经拥有了 2 端口或者 4 端口 VNA，因此自然会添加一系列信号路由开关来处理端口数超过 4 个的器件。这样，VNA 的本地模式测量就已足够，只需要通过射频切换将 VNA 的端口路由到被测器件的各对端口上。 \n这种类型的多端口解决方案对每个公共端口路径采用 2 端口测量，因此一台具有一个公共端口和一个开关端口的 2 端口 VNA 即可完成所有需要的测量。这种方法有时被称为开关测试座或简单开关树。 \n开关测试座仅包含射频开关，这些射频开关组成矩阵以提供所需的测量路径。图 2 为一个解决方案实例和简单开关树测试座的框图。测试座通常由 1×2 或 1×4 射频开关到1×6 射频开关组成。1×2 射频开关有时还会用于为未使用的端口提供射频负载。1x4 或1x6 开关通常为机械开关，可能不会给未使用的端口添加负载。如果多端口器件的两个端口之间产生了路径响应，且这种响应与第三个端口的负载匹配有关，那么开关矩阵必须在未使用的端口上提供负载。在 40 GHz 以上频率时，通常不适合使用有负载的大型开关配置，而应该采用 1×2 开关矩阵。1x2 电子开关可在较宽的频率范围内使用，但电子开关通常端口数较少，因此电子开关测试座通常是用 1x2 射频开关构成的。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/d4036c0bf3da4204.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. 配备 24 端口测试座的 2 端口 VNA 示意图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2 的简单开关矩阵可以视为由端口 1 开关组和端口 2 开关组构成，从端口 1 侧到端口2 侧的任意路径均可测量，但是测试座端口 1 的端口之间不能进行测量，端口 2 侧的端口之间也不能进行测量。因此，当测试座中有 24 个端口时，只能从 12 个输入端口中的任意一个测得 12 个路径。因此，这个简单开关树测试座支持 144 条路径，但是完整的24 端口器件实际上共有 276 条路径。VNA 端口 1 侧有 66 条路径无法测量，VNA 端口 2侧有 66 条路径无法测量。要获得完整的路径矩阵，必须使用“全交叉”开关矩阵。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"全交叉开关测试座 "},{"insert":"\n很多多端口器件需要测量从一个端口到其他端口的特性，而路径响应通常取决于施加到其他端口上的负载或匹配。全交叉解决方案还有进一步的要求：必须进行完整的 N×N端口校准测量以校正每个端口上的不完美匹配。这不仅需要完整的交叉矩阵，而且需要其支持 N×N 校准。 \n要完成全交叉测试，可以采用与图 3 所示类似的测试座配置。在常规的配置中，1×N开关树组与每个端口上的 1×2 开关交叉相连。这种配置可以对任何路径进行测量，但未使用的端口端接回 1×N 开关，而 1×N 开关则在负载内部端接。如果 1×N 开关没有内部端接（而是保持开路），那么 1×2 开关必须为未使用的端口提供端接。 \n图 3 所示为 1×2 端口开关与一对 1×N 开关连接所构成的全交叉开关。在这种配置中，没有连接到 VNA 的端口在开关负载内端接。然而，使用这种类型的开关矩阵很难执行完全的 N×N 校准，因为端口上负载端接的精确值会随着其他端口的开关设置而改变。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/206c041c6c7b6a0d.png"}},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/f1ae260f9d13a780.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"(a) 配有 E5092A 测试座的 4 端口 ENA        (b) 配有全交叉开关测试座的 2 端口 VNA 原理图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 3. 全交叉开关测试座示例"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"例如，如果测试座端口 1 和 6 是激励端口，端口 2 到 端口 5 端接到左侧的 1×6 开关上。如果测试座端口 5 激活，那么端口 6 可以端接到右侧的 1×6 开关上。端口的端接取决于所选择的路径，这使得除了选定的两个端口之外，其他端口的校准更加困难。自定义的开关测试座的路径数量可能较少，在某些端口上会形成全交叉组合，在其他端口上会形成简单开关树。 \n根据所需的测量性能，开关矩阵内可以安装固态开关或机电开关。固态开关通常用于要求开关切换时间短、使用寿命长的批量测试，而机电开关则用于大功率（即 > 1 W）网络分析。\n \nVNA 与开关的组合是增加 VNA 端口数量的一种低成本解决方案。但是因为定向耦合器之后存在与 VNA 测试端口有关的开关损耗，所以相比独立的 VNA，系统性能在动态范围、轨迹噪声或温度稳定性方面会有所下降。尤其是对 10 GHz 以上的高频应用，性能下降的影响非常显著。下文中会对性能方面的权衡加以讨论。 \n最后，基于开关的解决方案需要切换信号路径，以便使用 VNA 接收机（通常有两个或四个测试端口）进行测量，因此需要实施连续测量来获得多端口被测器件（DUT）的全部S 参数。 \n扩展测试座 \n扩展测试座是用于完整的 N×N 校准测量的改进设计，因为它们既包括定向耦合器也包括开关。扩展测试座通过信号源开关将 VNA 的信号源开关矩阵扩展到更多输出，同时通过接收机开关将内部接收机扩展到更多个端口。每增加一个端口，就需要提供一个额外的测试端口耦合器。由于开关切换发生在 VNA 定向耦合器后面，它们仍然可以用作测试端口。测试座的端口扩展到全部可用的端口上。图 4 为解决方案示例以及扩展测试座解决方案的框图。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/f486900660db2149.png"}},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/44d96d44d43cb74a.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"(a) 配有 U3042A E12 型扩展测试座的 16 端口 PNA 解决方案   (b) 配有 12 端口测试座的 4 端口 VNA 原理图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4. 扩展测试座示例。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"框图中的一个关键点是测试座在测试端口耦合器背后分为信号源环路和接收机环路。由于测试耦合器背后可以提供任意数量的开关路径，所以理论上而言对可使用的端口数量没有限制。此外，框图中允许添加额外的测试座，通过堆叠扩展测试座可以提供任意数量的测试端口。常规的配置是将 4 端口 VNA 扩展到 8 个端口；10 端口扩展测试座与 2端口 VNA 结合使用得到总共 12 个端口，12 端口扩展测试座结合使用 4 端口 VNA 得到总共 16 个端口。 \n开关可能是机械开关，也可能是固态开关。由于所有开关切换都发生在测试端口耦合器后面，测量的稳定性和性能都比开关测试座要好得多，而且开关损耗（虽然它降低了动态范围）对测量的稳定性没有影响。 \n真正的多端口解决方案 \n当今的最新技术已使得多端口 VNA 解决方案发展到了无需外部开关或额外的耦合器便可以进行多端口测量。例如，Keysight M937xA 系列 PXIe VNA 就是一款完全的 2 端口VNA，它可以插入到一个 PXI 插槽中，使用多个模块时可以配置为一台多端口 VNA（图 5）。单个 PXI 机箱内可配置多达 16 个 M937xA 模块，从而能够测量 32 端口的被测器件，并提供高达 26.5 GHz 的完全校正能力。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/6121cb6140f571c0.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5.Keysight M937xA PXIe VNA 提供真正的多端口测试能力"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"每个 PXI VNA 模块都有独立的信号源，每个测试端口有独立的参考接收机和测量接收机（图 5）。接收机用于同时捕获所有测量路径的 S 参数数据。由于这个多端口 VNA 解决方案中被测器件与测量接收机之间没有任何衰减，这种真正的多端口能力可以提供既精准又稳定的测量。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/92c5bd247a365f7d.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6.M937xA 多端口配置框图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"M937xA 多端口配置使用跳线来连接同一机箱内的模块进行信号同步（图 6）。第一个模块的 10 MHz 频率基准信号和触发信号分配给所有的 PXI VNA 模块。第一个模块的本振（LO）信号分配给每个额外的模块。在超过 20 GHz 频率和多于 8 个端口的解决方案中，建议在第二个模块与第五个模块之间分配第一个模块输出的本振信号。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/09fb6ee9594fec68.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 7. 多端口配置中连接 10 MHz 基准和 LO 分配的跳线"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"PXI 仪器的关键优势在于其非常灵活、可扩展和可重新配置，便于用户根据需要和使用场所来修改测试环境。此外，如果 PXI VNA 模块发生故障，用户能很容易地更换备件来确保生产的正常运行。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/d2edf9ac466228a5.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 8.PXI 仪器使客户可以根据不断变化的需求轻松修改测试环境。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"比较多端口解决方案"},{"insert":" \n针对上面介绍的各种多端口解决方案，我们从几个关键方面对它们进行比较。相比基于开关的解决方案而言，真正的多端口在提高多端口网络分析吞吐量方面具有更大的优势，可以通过消除开关的相关损耗来提升性能，通过用多个接收机同时捕获数据来获得更快的速度。 \n测量扫描的次数 \n2 端口 VNA 需要从两个测试端口进行正向和反向扫描，再经过完整的 2 端口校准，从而获得最精确的测量结果。如果使用的是 4 端口 VNA，可以从每个测试端口扫描四次来实现多端口误差修正。 \n图 9 显示了完整表征一个多端口被测器件所需要的测量扫描次数。由于真正的多端口PXI VNA 通过多个接收机（每个测试端口一个）捕获数据，相比以开关为基础的解决方案，扫描的次数更少，完成测量的速度更快。以一个 16 端口器件为例，采用全交叉开关矩阵的 2 端口 VNA 需要扫描 240 次才能获得 256 个 S 参数，而 16 端口的真正多端口 VNA 仅需扫描 16 次。扫描次数的显著减少，为基于 PXI VNA 的真正多端口解决方案缩短测试时间和提高测试吞吐量创造了明显的优势。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/4ad47a1759000488.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 9. 真正的多端口解决方案与基于开关的解决方案相比，扫描次数显著减少，测量速度极大加快。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"动态范围 \n系统动态范围是指信号源端口最大输出功率与接收机可以测量的最小输入功率之差。在基于开关的多端口解决方案中，开关衰减会导致 VNA 的动态范围缩小。图 10 对比了真正多端口 VNA 与基于开关测试座的 VNA 的动态范围。如图所示，不受测试座开关影响的真正多端口 VNA 与基于开关的 VNA 相比，频率越高，动态范围的性能差距越大。 \n采用动态范围更大的多端口测试解决方案具有很大的优势，因为它可以选择更宽的中频带宽（IFBW）来实现相同的轨迹噪声。例如，如果动态范围增加 20 dB，那么可以选择100 倍宽的 IFBW，从而在同样的轨迹噪声下测量速度可以提高 100 倍，得到相同的测量结果。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/8dcaee4caa37bab5.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 10. 由于不像基于开关测试座的 VNA 那样有开关衰减影响性能，真正的多端口 VNA 可以提供更大的动态范围。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"温度稳定性 \n如果基于开关测试座的 VNA 上安装的是固态开关，总体测量性能很容易受环境温度变化的影响。由于开关会引起漂移误差，所以必须进行频繁的校准，以确保多端口测量的校准质量。 \n图 11 所示为真正的多端口 VNA 和基于开关测试座的 VNA 解决方案的温度稳定性性能。在每个系统的测试端口上连接一个短路校准件，然后将系统放到温控舱内执行反射测量。在 25℃ 下进行基准测量，然后将舱内的环境温度调到 18℃ 和 33℃。在每一温度下测得的 S11 幅值数据均以 25℃ 下第一次测量结果为基准。温度每变化 1℃，配有开关矩阵的 VNA 会出现超过 50 mdB 的漂移，而真正的多端口 VNA 最大漂移还不到 5 mdB。真正的多端口 VNA 解决方案省去了外部开关，从而可以减少或完全避免定期重新校准，显着缩短总体测量时间。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/704e3c14aa18cd38.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 11. 通过消除测试座开关导致的温度稳定性漂移误差，真正的多端口解决方案可以减少或完全避免定期重新校准。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"多端口校准 "},{"insert":"\n校准多端口 VNA 测试系统比校准标准的 2 端口或 4 端口 VNA 更耗时、更复杂。N 端口器件有 (N-1)(N)/2 条可能的路径，每条路径都需要进行 2 端口校准。 \n校准件有两种截然不同的类型：机械校准件和电子校准件（ECal）。机械校准件在物理上表示“开路”、“短路”、“负载”以及某些情况下的“直通”。为清楚起见，“直通” \n用于描述校准套件的直通标准件，这也是以往 VNA 菜单上出现此标准件的原因。这些标准件通常捆绑出售，称为机械校准套件。电子校准套件内置可切换的标准件，提供与开路 / 短路 / 负载标准件类似的功能以及直通状态。 \n机械校准 \n对于曾经使用机械标准件完成过校准的工程师来说，执行 10 端口或 20 端口的机械校准听起来非常繁琐。QSOLT 校准是一种非常便捷的技术，它可以极大地简化多端口校准。快速开路短路负载直通（QSOLT）校准是介于 SOLR（未知－直通）校准和 SOLT 校准之间的一个不同组合。顾名思义，它需要开路 / 短路 / 负载单端口校准和已定义的直通，但它的速度很快，因为只需要在一个测试端口上实施单端口校准。事实上，您可以在一个测试端口上使用任何单端口校准方法（例如偏置短路，甚至电子校准），然后在端口1 和端口 2 之间进行已定义的直通测量。通过这种方式，您可以利用包含一套标准件的校准套件在可插入的路径上方便地执行完全双端口校准。 \n如果一个多端口被测器件上有 N 个端口，且所有的端口同性，那么您可以在匹配被测器件连接器的额外端口上采用柔性电缆创建一个 N+1 测试系统，。在这个额外的端口上进行简单的单端口校准，再逐一直通连接到其他端口，就可以组成完整的 N+1 端口校准。通过这种方式，无需移动其他任何端口，甚至无需相应的校准套件。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/564447d36d2cb6e6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 12. 机械校准套件包含单独的标准件，用于表征系统误差。很多套件都包括一个测试端口适配器和一个扭矩扳手，使您可以正确连接。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"电子校准（ECal） \n如今，新一代的电子校准采用定制的 GaAs IC 开关，以提供嵌入式的标称“开路”、“短路”、“负载”和“直通”。除了“开路”状态之外，定制的 IC 可能还包含多个“短路”状态，以确保在整个频率范围内各标准件之间保持较大的相位差。电子校准件由于包含固态电子开关，所以具有非常好的重复性和稳定性。 \n从规范或理论的角度来看，最好的 TRL 机械校准套件提供最高的校准质量。其次是采用最好的电子校准件的 ECAL 标准件，再次是配备滑动负载的 SOLT。通常，固定负载SOLT 校准的性能最差。 \n事实上，如果使用的是射频电缆，电缆曲率的误差无疑将导致 TRL 校准出现严重误差，从而使其校准质量还不如电子校准。如果考虑到可能的人为操作失误和机械校准中连接器的可重复性，无疑在实践操作中电子校准件的校准质量要比机械校准件更加优越。 \n是德科技提供了频率覆盖范围为 300 kHz 至 67 GHz 的 2 端口电子校准解决方案和高达26.5 GHz 的 4 端口电子校准解决方案。需要指出的是，在多端口校准中，无论使用 2 端口还是 4 端口电子校准，连接 / 断开的次数都不变，增加的是校准期间按 VNA 按钮的次数。图 13 以 10 端口为例，展示了如何采用 2 端口和 4 端口电子校准进行多端口校准。注意，这两种方式都需要 10 次连接 / 断开。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/42db781c34030a84.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"(a) 2 端口电子校准   (b) 4 端口电子校准"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 13. 电子校准在保持精度的同时简化了多端口校准。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"最后，可以在校准开关矩阵盒内嵌入一个电子校准件，并在每个开关矩阵端口的末端执行一次用户表征，这样用户表征就能在每个端口处提供校准。图 14 举例显示了集成有电子校准件的 N 端口定制校准测试座。在测试端口上进行电子校准表征。在这类的定制校准测试座上，可以通过单次测试端口连接来校准多端口 VNA。 \n这种类型的多端口解决方案有两个注意事项。第一：使用 2 端口或 4 端口电子校准所需的物理连接数实际上不会减少或消除，减少的是 VNA 上按下校准按钮的次数；第二：校准灵敏度或精度会有折中。如前文所述，开关矩阵测试座内开关衰减的效果也适用于基于开关的多端口电子校准解决方案。这是否意味着，相比 2 端口或 4 端口电子校准而言，需要更频繁地进行校准呢？这取决于被测器件所需的参数及其规格的困难程度。就 10GHz 以上的频率或需要高性能的产品而言，这可能是更大的问题。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/736d024ddc43c0e0.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 14. 多端口电子校准开关盒方便执行单次连接校准，但在性能上可能有折中"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"多站点技术提高吞吐量 "},{"insert":"\n多站点或并行测量是指使用一个测试站同时测试多个器件（图 15）。在同一个测试站上同时测量多个器件，可以提高吞吐量和减少资本支出，从而降低测试成本。无线技术的普遍应用推动了无源器件、手机 SAW 器件以及通用元器件（如天线、滤波器、电缆等）的大批量生产对多站点测试的需求。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/674f3f39e2270c41.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 15. 多站点解决方案通过提高吞吐量、减少资本支出来降低测试成本。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"多站点测试可能包括执行 2 端口测量的多台 VNA，以及端口与 VNA 的任意组合。以前的多站点可能意味着在一个机架上堆叠多个 ENA 或 PNA 仪器，而新方法则采用独立的PXI VNA 模块来提高吞吐量，并且比传统解决方案更具灵活性。 \n与基于开关的解决方案进行顺序测量不同，PXI VNA 提供的多站点测试能力可以同时测量被测器件的多个路径。例如，可以采用单个 PXI 控制器识别的 PXI 模块来同时测试两端口、四端口甚至更多端口的被测器件。可以利用经优化的激励设置（如频率、功率电平、IFBW 或点数等）同时测量不同的器件，或单个多端口元器件的不同测量路径，以增加生产测试的整体测量吞吐量。图 16 显示了 PXI VNA 的多站点测量能力。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/2545a59f6a61bfee.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 16.PXI VNA 多站点测量能力可以提高测试吞吐量，从而显著降低每个器件的测试成本。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"还需要注意的是，这部分的讨论与 VNA 的端口数量无关。多端口的唯一效果就是可以把所需的全部 VNA 都装入一个机箱内。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"配置多站点解决方案时的考虑 "},{"insert":"\n首先我们来探讨一下搭建多站点解决方案时的一些考虑。 \n控制器 / CPU \n在多站点配置中，VNA 软件会启动多个实例，每个软件实例与一台单独的或多端口 VNA连接。每个实例都表现为一台同时使用的独立仪器，每台 VNA 都可以针对各被测器件的特定测量条件进行优化，这样可以最好地平衡测量速度和精度。 \n嵌入式控制器与外部控制器 \n在多站点配置中有一个控制器，它可以是嵌入式控制器，也可以是外部控制器。无论使用嵌入式控制器还是外部 PC 控制器，对多站点解决方案都没有影响，测量的速度和吞吐量相差不多。 \n外部 PC 的带宽不成问题，瓶颈是 CPU。随着独立的 VNA 实例数量的增加，控制器需要完成更多的计算工作，一旦超过某一极限处理器的性能就会开始下降。在这种情况下，嵌入式控制器或外部控制器的效果都是一样的。 \n内核数量与 VNA \n那么，当多个 PXI VNA 实例同时在一个 PXI 机箱内运行时，是什么影响测量速度和吞吐量呢？ \n在对控制器处理器速度和性能的最新测试中，当独立 VNA 的数量与处理器“内核”的数量相等时，多站点操作的处理器速度没有明显降低。因此，对于 Keysight M9037A 四核嵌入式控制器而言，可以在一个 PXI 机箱内操作多达四个独立的 VNA 实例，处理速度没有明显下降。 \nVNA 的中频带宽（IFBW）设置对测量的总体吞吐量有显著影响。对于较低的分辨率带宽（如 1 kHz），VNA 实例的数量可以远远超出内核数量。但是，对于 100 kHz 或更高的IFBW，每个内核只能处理一个 VNA 实例。\n让我们来看一个例子，通过增加 16 个 2 端口 VNA 模块执行多站点测试，看看随着模块的增加系统是如何扩展的。在此例中，我们在 1 kHz 和 100 kHz 的 IFBW 上测试双核和四核控制器。在这四种情况下分别添加多达 16 个模块，然后来看每秒能够测量多少个被测器件。图 17 至 图 20 显示了此例的结果。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/2fbf3821bb9d6b0a.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 17. 双核，1 kHz IFBW 和 201 个测试点，预设 300 kHz ≥ 26.5GHz——这种情况下，因为 IFBW 较低，所以 CPU 的使用率不高"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/0a337744216df272.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 18. 双核，100 kHz IFBW 和 201 个测试点，预设 300 kHz ≥ 26.5GHz——这种情况下，因为 IFBW 较高，所以 CPU 的使用率也很高"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/bfa62a11aa1f78ef.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 19. 四核，1 kHz IFBW 和 201 个测试点，预设 300 kHz ≥ 26.5GHz——这种情况下，因为 IFBW 较低，所以 CPU 的使用率不高"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/75a410e929b004b0.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 20. 四核，100 kHz IFBW 和 201 个测试点，预设 300 kHz ≥ 26.5GHz——这种情况下，因为 IFBW 较高，所以 CPU 的使用率也较高"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"PXI VNA 的多站点性能在很大程度上取决于执行任务时 CPU 的密集程度。正如所料，结果表明四核的表现比双核好。 \n生产测试中所需的实际测量参数及其对 CPU 的影响是最关键的因素，在此例中 IFBW 设置决定了总体吞吐量的高低。1 kHz 设置可以随着模块数量的增加进行扩展。在 IFBW为 100 kHz 时，性能将通过增加 CPU 内核的数量来扩展。 \n在更高的 100 kHz IFBW 下，结果没有完全按预期扩展。例如，一台四核 PXI VNA 每秒可测量 28 个被测器件，增加一台 PXI VNA 可测量 52 个被测器件，再增加一台 PXI VNA可测量 73 个被测器件。可见效率不是最高的。从理论上讲，三台 PXI VNA 每秒应该能够测量 84 个被测器件。这可能是因为需要分配一部分处理器开销来协调多个内核。这个例子突出说明了测量结果会根据具体应用所需的实际 VNA 设置而有所不同。 \n将来的调查能够确定，当内核数量增加到超出本测试中使用的四个时会出现什么结果。如果 IFBW 值更高，那么将现在使用的 CPU 更换为性能更高的 CPU，可以显著提高可扩展性。 \n背板速度与存储器 \n对于多端口、多站点 PXI 应用，PXI 背板速度的限制最不可能影响吞吐量。以采用八个PXI VNA 模块、中频带宽为 100 kHz 的 16 端口 VNA 为例。 \n100 kHz 的中频带宽意味着每秒处理 100,000 个点或处理每个点用时 10 微秒，将其乘以接收机的数量——在本例中八个 PXI VNA 模块的接收机数量为 32。现在每秒钟有 320万单元的处理量。每个单元的大小是 32 比特或 64 比特，我们假设是 64 比特或 8 个字节，这就变成每秒 2,560 万比特（25.6 MB/s）。外部控制器的带宽为 4 GB/s，显然还有很大的空间。 \nRAM 存储器也不太可能成为限制因素。每个实例使用很少的 « 专用 » 存储器。从宽考虑，每个实例可能使用 200 MB 的专用存储器，而 8 个实例使用的存储器也不到 2 GB。 \nPXI 机箱 \n由于 PXI VNA 只需要一个 PXI 插槽，一个机箱内可以容纳多达 16 个 PXI VNA 模块。必须要确保使用 PXIe 或混合插槽以发挥 PXI VNA 的完整性能。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/ba0f0c1018e8c2fe.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 21. 单个 M9018A PXIe 18 插槽机箱能容纳多达 16 个 PXI VNA 模块。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"多显示/多用户"},{"insert":" \n多站点测试常用于高度自动化的环境，也有一些应用需要利用多站点进行多用户测试。例如低成本滤波器调谐制造。图 22 是为四位测试人员提供工作站的 4 端口 VNA 多站点配置。测试站数量的限制取决于 PXI 机箱和计算机外设上可用的硬件和端口。 \n下文中会对要注意的地方加以说明。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/a8a4c089e11d8a92.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 22. 多站点能力实现多用户测试解决方案。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"控制器硬件 \n图 22 所示为采用 Keysight M9037A 嵌入式控制器的多用户配置。该控制器有两个显示输出端口可直接连接两台显示器。通过 USB3 端口可以连接外部 USB3 集线器，集线器上的两条路径被路由到 USB3 至 DVI 视频转换器，然后再延伸到另外两台显示器。从这点来说，除了上例中所示的四台显示器之外，还可以添加额外的显示器。 \n另一种办法是使用外部控制器，可能是具有功能更强大的视频游戏板的台式计算机，这样就可以在无需 USB3/ 视频转换器的情况下进行更多的标准视频连接。在选择使用嵌入式还是外部控制器时，应当注意的是，这种配置要最适合 VNA 显示信息。在显示器之间传输视频密集的信息，如高清培训视频，可能会降低性能。对于 VNA 测试而言，这不成问题。 \n在上例中，USB3 集线器也用于传输触摸屏显示器或测试站鼠标的控制信号。\n \nMicrosoft Windows 限制 \n计算机操作系统必须进行配置，以便支持多显示器功能，并能够区别各个测试站。这是Microsoft Windows 的标准功能。 \n首先，需要设置计算机来识别各显示器（图 23）。然后，需要配置各显示器，使其能被识别为特殊的测试站（图 24）。这还应包括定位座——触摸屏或鼠标的校准。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/955527bcacab75da.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 23. 设置计算机来识别各显示器"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/8a7344e4f726f5bc.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 24. 配置并校准各测试站，以使它们能够被计算机所识别。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"最后，也是最重要的一点是：微软操作系统有一项常见的功能显然会显示多用户功能。如果有两位或更多位操作人员试图在完全相同的时间控制计算机，那么计算机就会出现错误（图 25）。对于大多数计算机而言，一台计算机不能由两个人同时操作。因此需要采取特别的措施来最大限度减少多用户环境下的操作人员控制时间。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/56e48d3bd86e4dea.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 25. 标准微软操作系统不允许用户同时输入。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"利用宏最大限度地减少操作人员控制时间 \n最大限度减少操作人员在计算机上进行操作的一种方法是简化并限制控制访问。而实现这一目标的途径之一是建立图形宏命令，把测试期间所需的更改全部包括在内（图26）。这样就可以最大限度地减少通过键盘输入数据和访问下拉菜单的需要。把所有操作都转变为简单的指向和点击，可以极大地降低操作人员同时试图控制系统的概率。 \n注意，这个敏感的时序问题仅限于计算机的实际控制时间，而不受 VNA 测试时间的影响。只有操作人员访问宏按钮的一瞬间需要关注，这段时间不超过一秒钟。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/8f73cbef40f2816c.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 26. 可以设置宏来缩短操作人员控制计算机的持续时间。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"运用多站点技术优化多端口测试 "},{"insert":"\n对于高隔离度的多端口器件，可以利用多站点测量技术同时扫描多端口被测器件（图27）来进一步提高吞吐量。 \n被测器件的实例可能包括： \n– 在单个元器件内有多个独立开关的器件 \n– 无需进行高频段和低频段隔离度测试的前端模块（FEM） \n– 互连器件，如具有屏蔽差分通道或连接器的电缆组件。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/c1fba301b92565d4.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 27. 使用多端口和多站点测量技术可在更短的时间内测试高隔离度多端口被测器件。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 27 显示了一个 12 端口器件，其端口 1-6 和端口 7-12 之间具有很高的隔离度。在这种实例中，真正的多端口测试解决方案只需 12 次扫描便可测试整个器件。然而， 利用PXI VNA 的模块化功能优势，可以根据高隔离度被测器件的特性将测试站重新配置为多站点配置的两台 6 端口 VNA。这样的话，通过同时分别测试被测器件的六个端口，测试时间减少 50%（图 28）。需要注意的是，两台 6 端口 VNA 是独立的，可以在不同的频率下同时进行测试。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/57ad4b5b7c30fe14.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 28. 将一台 12 端口 VNA 重新配置为两台 6 端口 VNA，通过同时测量高隔离度器件，将测试时间减少50%。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"总结"},{"insert":" \n降低测试成本是元器件批量生产面临的主要挑战。Keysight PXI VNA 引入了许多新功能，可以在提高吞吐量的同时实现比传统台式解决方案更灵活的测试配置。对于多端口应用，PXI VNA 提供了真正的多端口能力，使测试工程师可以在一个 PXI 机箱内配置多达 32 端口的 VNA。此外，它可以通过重新配置实现多站点测试，方便用户在单一的测试站上增加几倍的吞吐量。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"参考文献 "},{"insert":"\n1. 是德科技网站：www.keysight.com/fifind/multiport \n2. Keysight M937X PXI 矢量网络分析仪系列手册，5992-0098CHCN，2014 年 11 月。 \n3. 是德科技应用指南《了解并提高网络分析仪动态范围》，5980-2778CHCN，2014年 7 月。 \n4. 是德科技应用指南《在网络分析仪测量中应用错误校正》，5965-7709CHCN，2014 年 7 月。 \n5. 《应用先进的 VNA 技术执行微波元器件测量手册》，Joel Dunsmore 博士，2012年 10 月。\n——转自是德科技官网"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]