中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

PXI 網路分析儀設計與測試 PXI Vector Network Analyzer

Design and Verification

系 所 別 : 電機工程學系碩士班

學號姓名 : M09801001 周佳龍 指導教授 : 田慶誠 博士

中華民國 100 年 8 月

I

摘要

本論文目標為設計 PXI 網路分析儀。其中包含 RF 多工模組與 RF 訊號處理模組 電路板，再配合 NI(National Instruments)的 PXI 儀器卡片與 LabVIEW 軟體達到自動 化量測。

第二章為 PXI 網路分析儀系統規劃。第三章與第四章討論 PXI 網路分析儀所使 用到的 RF 多工模組電路板與 RF 訊號處理模組電路板設計理念與驗證。第五章為 PXI 網路分析儀的設計理念與驗證。

PXI 網路分析儀主要為降低測試機台的成本取代傳統昂貴機台，以及 RF 多工模 組與 RF 訊號處理模組除了利用在 PXI 網路分析儀外，還可利用在其他測試用途上，

達到一卡多用的功能。

關鍵字: PXI、網路分析儀、RF 多工模組

II

Abstract

In this thesis is to device PXI Vector Network Analyzer Which including RF ports multiplexer module and RF signal processing module circuit board, then add NI (National Instruments) PXI instrument module and LABVIEW software enabled to reach automatic measurement.

Chapter 2 is the system planning of PXI Vector Network Analyzer. Chapter 3 & 4 to discuss the device idea and approbation of RF ports multiplexer module and RF signal management mold circuit board which are used on PXI Vector Network Analyzer. Chapter 5 is the design idea and approbation of the device of PXI Vector Network Analyzer.

The main purpose of PXI Vector Network Analyzer is to cost down the testing platform and to replace the traditional expensive machine. Except to be used on PXI Vector Network Analyzer for both RF ports multiplexer module and RF signal

management mold, they are also applicable to be used on other testing purposes to achieve one card for multiple functions.

Keywords: PXI、Vector Network Analyzer、RF ports multiplexer module

III

誌 謝

經過兩年的時間終於完成了此篇論文，最先要感謝指導教授田慶誠博士，從大學 時期就不厭其煩教導我正確的做事態度，勇於面對問題，耐心的分析問題，讓我自己 有能力來解決面臨到的困難。還要謝謝也是從大學時期就教導我的王志湖老師，王老 師平時教導我們待人處事的道理。在此感謝兩位老師這五年來的指導，讓學生成長不 少。

再來感謝研究所期間從旁協開導我的大哥們：江俊杰、莊青龍、鍾仁峯、陳金正、

王平孙、王振芳、戴仁倉，與畢業的學長們：鄭權佑、鄭名偉、顏子揚，還有兩年來 一起打拼的同學們：吳孟勤、古一喬、劉華智、林建州、張佳偉，以及大力幫忙的學 弟妹們：洪文正、李佩蓉、劉佳婷、許靜宜、林建安，因為有你們的幫忙才能讓我順 利畢業，因為有你們讓兩年碩班生活充滿了歡樂的回憶。

最後感謝我的家人與女友，一路走來有你們支持與鼓勵才有今天的我，謝謝你們，

你們是我前進最大的動力。

佳龍 謹識 中華民國一百年八月 於新竹

IV

目錄

摘要 ... I Abstract ... II 誌 謝 ... III 目錄 ... IV 表目錄 ... VI 圖目錄 ... VII

第一章 緒論 ...1

1.1. 研究動機...1

1.2. 研究目標...1

1.3. 研究流程及方法 ...1

第二章 PXI 網路分析儀系統規劃 ...3

2.1. 系統架構...3

2.2. PXI 網路分析儀操作原理 ...3

2.3. PXI 網路分析儀系統規格 ...4

第三章 RF 多工模組設計與驗證 ...6

3.1. RF 多工模組電路架構圖 ...6

3.1.1. 無衰減器 RF 多工模組 ...6

3.1.2. 有衰減器 RF 多工模組 ...7

3.2. RF 多工模組操作原理 ...8

3.3. RF 多工模組實作與驗證 ...9

3.3.1. 無衰減器 RF 處理模組量測結果 ... 10

3.3.2. 有衰減器 RF 處理模組量測結果 ... 16

第四章 RF 訊號處理模組設計與驗證 ... 23

4.1 RF 訊號處理模組電路架構圖 ... 23

4.2 RF 訊號處理模組操作原理 ... 23

V

4.3 RF 訊號處理模組實作與驗證 ... 25

第五章 網路分析儀系統設計與驗證 ... 27

5.1. S 參數量測定義 ... 27

5.2. SOLT 校正原理[1][2] ... 28

3.1.1. Directivity Error(方向性誤差) ... 29

3.1.2. Source Match Error(訊號源匹配誤差) ... 30

3.1.3. Load Match Error(負載端匹配誤差) ... 31

3.1.4. Crosstalk Error(串音誤差) ... 31

3.1.5. Transmission Tracking Error(穿透路徑誤差)、Reflection Tracking Error(反射路徑誤差) ... 32

3.1.6. Calibration Kits 校正原理 ... 32

5.3. 含 SOLT 校正之 S 參數量測流程圖 ... 36

5.4. SOLT 校正結果分析與驗證 ... 38

第六章 結論 ... 47

參考文獻 ... 48

VI

表目錄

表 5.3-1 訊號流程圖縮寫代號 ... 29

表 5.4-1 dB 最大變化量比較表 ... 43

表 5.4-2 phase 最大變化量比較表 ... 43

表 5.4-3 PXI 網路分析儀與 Agilent ENA E5071B 量測誤差 ... 46

VII

圖目錄

圖 1.1-1 PXI 網路分析儀 ...1

圖 2.1-1 PXI 網路分析儀架構圖 ...3

圖 2.2-1 PXI 網路分析儀 One Port 操作原理 ...4

圖 2.2-2 PXI 網路分析儀 Two Port 操作原理 ...4

圖 3.1.1-1 無衰減器 RF 多工模組架構圖 ...7

圖 3.1.2-1 有衰減器 RF 多工模組架構圖 ...8

圖 3.2-1 RF 多工模組方塊圖 ...9

圖 3.3-1 無衰減器 RF 多工模組實體照片 ... 10

圖 3.3-2 有衰減器 RF 多工模組實體照片 ... 10

圖 3.3.1-1 量測 Insertion Loss 示意圖 ... 11

圖 3.3.1-2 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Insertion Loss 量測結果... 11

圖 3.3.1-3 量測 Isolation 示意圖 ... 12

圖 3.3.1-4 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port1 Isolation 量測結果 ... 13

圖 3.3.1-5 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port2 Isolation 量測結果 ... 13

圖 3.3.1-6 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port3 Isolation 量測結果 ... 14

圖 3.3.1-7 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port4 Isolation 量測結果 ... 14

圖 3.3.1-8 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port5 Isolation 量測結果 ... 15

圖 3.3.1-9 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port6 Isolation 量測結果 ... 15

圖 3.3.1-10 量測 Return Loss 示意圖 ... 16

圖 3.3.1-11 量測 Return Loss 示意圖 ... 16

圖 3.3.2-1 量測 Insertion Loss 示意圖 ... 17

圖 3.3.2-2 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Insertion Loss 量測結果... 17

圖 3.3.2-3 量測 Isolation 示意圖 ... 18

圖 3.3.2-4 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port1 Isolation 量測結果 ... 18

VIII

圖 3.3.2-5 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port2 Isolation 量測結果 ... 19

圖 3.3.2-6 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port3 Isolation 量測結果 ... 19

圖 3.3.2-7 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port4 Isolation 量測結果 ... 20

圖 3.3.2-8 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port5 Isolation 量測結果 ... 20

圖 3.3.2-9 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port6 Isolation 量測結果 ... 21

圖 3.3.2-10 量測 Return Loss 示意圖 ... 21

圖 3.3.1-11 量測 Return Loss 示意圖 ... 22

圖 4.1-1 RF 訊號處理模組架構圖 ... 23

圖 4.2-2 RF 訊號處理模組操作原理 1 ... 24

圖 4.2-2 RF 訊號處理模組操作原理 2 ... 25

圖 4.3-1 RF 訊號處理模組 schematic ... 26

圖 5.1-1 S 參數定義圖 ... 27

圖 5.1-2 S 參數定義圖 1 ... 28

圖 5.1-3 S 參數定義圖 2 ... 28

圖 5.2-1 訊號流程圖之誤差模型 ... 29

圖 5.2.1-1 理想的方向耦合器 ... 30

圖 5.2.1-2 實際的方向耦合器 ... 30

圖 5.2.2-1 Source Match Error ... 31

圖 5.2.3-1 Source Match Error ... 31

圖 5.2.6-1 理想 one port 網路分析儀 ... 32

圖 5.2.6-3 FORWARD 量測 Isolation ... 34

圖 5.2.6-4 REBERSE 量測 Isolation ... 34

圖 5.2.6-5 量測 Thru 的 SFG ... 35

圖 5.3-1 RF 訊號測試模組架構圖 ... 36

圖 5.3-2 含 SOLT 校正之 S 參數量測流程圖 1 ... 37

圖 5.3-3 含 SOLT 校正之 S 參數量測流程圖 2 ... 38

圖 5.4-1 S11dB_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 ... 39

IX

圖 5.4-2 S22dB_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 ... 39

圖 5.4-3 S21dB_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 ... 40

圖 5.4-4 S12dB_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 ... 40

圖 5.4-5 S11 phase_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 41 圖 5.4-6 S22 phase_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 41 圖 5.4-7 S21 phase_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 42 圖 5.4-8 S12 phase_PXI 網路分析儀量測的重複性 V.S. ENA E5071B 量測的重複性 42 圖 5.4-9 S11 & S22 dB 誤差比較 ... 44

圖 5.4-10 S12 & S21 dB 誤差比較 ... 44

圖 5.4-11 S11 & S22 phase 誤差比較 ... 45

圖 5.4-12 S11 & S22 phase 誤差比較 ... 45

1

第一章 緒論 1.1. 研究動機

由於市面上的網路分析儀價格昂貴、測試功能有限，一般測試場所使用的測試機 台必頇將網路分析儀搭配其他儀器才能量測一顆 IC 所有的測試項目，然而一台含有 網路分析儀的測試機台至少要上千萬，讓許多測試場必頇提高成本在購買測試機台 上。

在國內，IC 測試場的競爭激烈，提高量測的準確度、縮短 IC 測試時間與減少測試機 台的成本費用，都成了各家測試廠優先考量的條件。而 PXI 網路分析儀就是為了達到 各種條件而開發的測試機台。

本論文目的為設計一台具有多功能量測、高準確度與低成本的 PXI 網路分析儀來 取代市面上昂貴的測試機台。

圖 1.1-1 PXI 網路分析儀

1.2. 研究目標

PXI 網路分析儀與市面上的網路分析儀目的相同，都是為了量測 S-parameter。而 PXI 網路分析儀要如何經由 VSG(Vector Signal Generator)與 VSA(Vector Signal Analyzer)量測計算出 S 參數將是首先遇到的課題。

另外 PXI 網路分析儀在量測的精確度上也是一大考驗，然而只有在量測前校正才 能提高精確度。不管多昂貴的網路分析儀都必頇先經過校正後才能量測出精確值。校 正的方法有很多種，其中包含了 SOLT、TRL、LRM…等校正方式，本論文將會介紹 SOLT 的校正原理。

1.3. 研究流程及方法

2

要開發 PXI 網路分析儀，首先要對網路分析儀有足夠的認識。本篇論文第二章將 訂出系統架構以及介紹 PXI 網路分析儀的量測方法。第三章介紹 RF 多工模組，此模 組為 PXI 網路分析儀的重要模組之一。主要功能有兩個：(1)當接收時，為切換不同 路徑來分辨訊號的來源；(2)當發射時，為送訊號給不同路徑進行量測。針對

S-parameter 的量測方法，第四章將會介紹如何利用 VSG 與 VSA 量測 S-parameter。

瞭解 S-parameter 的量測方法後，第五章將介紹網路分析儀的 SOLT 校正原理，以及 將 S-parameter 的量測方法與 SOLT 的校正原理做整合，來實現測試用的 PXI 網路分 析儀。

3

第二章 PXI 網路分析儀系統規劃 2.1. 系統架構

PXI 網路分析儀系統是由 VSG 與 VSA 兩台儀器在加上 RF 訊號處理模組與 RF 多工模組組合而成，如圖 2.1-1。此架構若量測 One Port 的 DUT 可達到四個 Site 同時 量測；若為 Two Port 的 DUT 可達到兩個 Site 同時量測。

圖 2.1-1 PXI 網路分析儀架構圖

2.2. PXI 網路分析儀操作原理

PXI 網路分析儀與一般市面上的網路分析儀一樣可量測 One Port 或 Two Port 的 DUT。量測 One Port 的操作原理為 VSG 送訊號 RF 處理模組，RF 處理模組把入射訊 號分成兩部份，一部分送由 VSA 作分析，一部分送到 RF 多工模組。RF 多工模組將 接收到的入射訊號送給 DUT，而 DUT 產生的反射訊號經由 RF 多工模組再傳回 RF 訊號處理模組與 VSA 做分析，如圖 2.2-1。Two Port 與 One Port 操作原理差別在於 RF 多工模組將入射訊號送給 DUT 後，反射訊號由 RF 多工模組 1A 接收，透射訊號 由 RF 多工模組 1B 接收，之後都傳回 RF 訊號處理模組與 VSA 做分析，如圖 2.2-2。

所以此架構在量測 One Port 的 DUT 時，可達到四個 Site 同時量測；若為 Two Port 的 DUT 可達到兩個 Site 同時量測。

4

圖 2.2-1 PXI 網路分析儀 One Port 操作原理

圖 2.2-2 PXI 網路分析儀 Two Port 操作原理

2.3. PXI 網路分析儀系統規格

關於 PXI 網路分析儀系統規格自訂方面，是與 Agilent 在市面上販售的網路分析 儀 ENA E5071B 做比較。

5

比較的測試條件為：

Frequency 為 1GHz ~ 6GHz。

Test Input Power 為 0dBm。

測試用 DUT 為 VSWR < 1.2。

最後 PXI 網路分析儀量測值與 Agilent 網路分析儀量測值做比較，dB 誤差必頇小 於 0.5dB，phase 誤差必頇小於 2 度，由此誤差來做為 PXI 網路分析儀的規格。

6

第三章 RF 多工模組設計與驗證

RF 多工模組主要是一個一對六的 Switch 板。主要用途有兩種:

(1) 使用儀器 SG(Signal Generator)送訊號進入 RF 多工模組時，利用 RF 多工模組上的 Switch 元件做路徑切換，可讓訊號任意由六個 port 作輸出。

(2) 用途二與用途一剛好相反，當六個 port 有訊號進入 RF 多工模組時，利用 Switch 切換不同的路徑，最後由 SA(Signal Analyzer)可單一量測六個 port 的訊號能量。

3.1. RF 多工模組電路架構圖

RF 多工模組有兩種版本，一種為無衰減器的 RF 多工模組，另一種為有衰減器 的 RF 多工模組。

3.1.1. 無衰減器 RF 多工模組

先介紹無衰減器的 RF 多工模組，圖 3.1.1-1 為無衰減器的 RF 多工模組架構圖，

無衰減器的 RF 多工模組主要是由三種不同類型的 Switch 組合而成。第一級使用 SP4T 的 Switch IC 改變 output port 的數量。第二級使用高 Isolation 的 SPDT Switch IC，目 的是為了將全路徑的 Isolation 提高 。第三級使用 IC 內部有 50Ω Terminated 的 Switch，

為了讓沒使用到的 output port 保持在 50Ω的模式。

7

圖 3.1.1-1 無衰減器 RF 多工模組架構圖

3.1.2. 有衰減器 RF 多工模組

有衰減器的 RF 多工模組與無衰減器的 RF 多工模組架構上相似，如圖 3.1.2-1，

差別只在於 Input port 與第一級的 Switch 中間多加了衰減器，目的在於防止過大的能 量進入 RF 多工模組時燒毀 Switch IC；或能量由 Input port 輸出時，防止過大的能量 將儀器打壞，故先衰減能量在做輸出。

8

圖 3.1.2-1 有衰減器 RF 多工模組架構圖

3.2. RF 多工模組操作原理

下圖 3.2-1 為 RF 多工模組方塊圖，可由此塊圖來方便了解此 RF 多工模組的操作 原理。剛開始在設計 RF 多工模組時，只設計第一級與第三級的 Switch 就可以達到一 對六的 RF 多工模組，但此設計的並不理想。舉例來說: 如果 Input port 送能量要由 Output 1 輸出時，Output 1、Output 2 之間的隔離度(Isolation)就會直接的影響量測的 結果，所以才增加的第二級的 Switch 來提高 Output 1、Output 2 之間的隔離度。

如圖 3.2-1 所示，左邊 port 為 Input 訊號，右邊六個 port 為 Output 訊號。若訊號 要由 Output1 當作輸出時，SW1、SW2、SW5 的 Switch 必頇讓路徑導通，而第三級 尚未使用到的 Switch 必頇切到 50Ω的位子以及其他未使用到的 Output port 都需要接 上 50Ω的 Terminated，才能讓 Output1 有精確的訊號輸出。另外當網路分析儀接到 Input port，而六個 Output port 都接上要量測的 DUT 時，可利用 Switch 的切換快速量 測六個 DUT 的 S11 參數，這樣能減少許多不必要的拆裝時間。

9

圖 3.2-1 RF 多工模組方塊圖

3.3. RF 多工模組實作與驗證

圖 3.3-1 為無衰減器 RF 多工模組的實體照片，圖 3.3-2 為有衰減器 RF 多工模組 的實體照片。兩塊 RF 多工模組都量測了每條路徑的 Insertion Loss、Isolation、Return Loss 等參數作為驗證。

10

圖 3.3-1 無衰減器 RF 多工模組實體照片

圖 3.3-2 有衰減器 RF 多工模組實體照片

3.3.1. 無衰減器 RF 處理模組量測結果

圖 3.3.1-1 為量測 Insertion Loss 示意圖，SG (Signal Generator)由 Port 1~Port 6 輸 入 power=0dB，SA (Signal Analyzer)接在 com 上進行量測。

11

圖 3.3.1-1 量測 Insertion Loss 示意圖

圖 3.3.1-2 為量測 1GHz 到 6GHz 每個 port 的 Insertion Loss。在 1GHz 時每條路徑 的 Loss 都在 2.5dB，頻率越高所造成的 Loss 越大，在 6GHz 時約掉了 6~7dB，主要 都是 Switch 與傳輸線造成的 Loss 較多。

圖 3.3.1-2 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Insertion Loss 量測結果

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

1 2 3 4 5 6

dB

GHz

P1 to com P2 to com P3 to com

P4 to com P5 to com P6 to com

12

圖 3.3.1-3 為量測 Isolation 示意圖，SG (Signal Generator)由 Port 1 輸入power=0dB，

SA (Signal Analyzer)接在 com 上，port1 路徑 Switch 不導通，其餘的 port 輪流導通進 行量測。

圖 3.3.1-3 量測 Isolation 示意圖

圖 3.3.1-4 為量測 1GHz 到 6GHz port 1 的 Isolation。由於 Port 1 與 Port 2 之間少 了第一級 Switch 隔離度，由圖可見 com to Port 2 會比其他 Port 的隔離度較不好。但 以一般而言 60dB 的隔離度可以被接受的。

其他 port 的 Isolation 量測方法一樣，以此類推，故不再詳細說明。

13

圖 3.3.1-4 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port1 Isolation 量測結果

圖 3.3.1-5 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port2 Isolation 量測結果

-90 -70 -50 -30

-10 1 2 3 4 5 6

dB

GHz

com to P2 com to P3 com to P4 com to P5 com to P6

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P3 com to P4

com to P5 com to P6

14

圖 3.3.1-6 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port3 Isolation 量測結果

圖 3.3.1-7 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port4 Isolation 量測結果

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com to P4 com to P5 com to P6

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com to P3

com to P5 com to P6

15

圖 3.3.1-8 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port5 Isolation 量測結果

圖 3.3.1-9 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port6 Isolation 量測結果

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com to P3 com to P4 com to P6

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

com to P1 com to P2 Hz com to P3

com to P4 com to P5

16

圖 3.3.1-10 為量測 Return Loss 示意圖，SG (Signal Generator)由 com 輸入 power=0dB，SA (Signal Analyzer)接在 Port1 上，Port1 路徑 Switch 導通進行量測。

圖 3.3.1-10 量測 Return Loss 示意圖

量測 Return Loss 由圖 3.3.1-11 可見，低頻幾乎低於 20dB，雖然高頻反射漸漸增 加，但 6GHz 還是 15dB (VSWR<1.43:1)。

圖 3.3.1-11 量測 Return Loss 示意圖

3.3.2. 有衰減器 RF 處理模組量測結果

17

圖 3.3.2-1 為量測 Insertion Loss 示意圖，SG (Signal Generator)由 Port 1~Port 6 輸入 power=0dB，SA (Signal Analyzer)接在 com 上，進行量測.

圖 3.3.2-1 量測 Insertion Loss 示意圖

圖 3.3.2-2 為量測 1GHz 到 6GHz 的 Insertion Loss，此衰減器最大衰減 31dB，所 以每 6dB 為一個 step 進行量測，觀察衰減量是否許設定相同。

圖 3.3.2-2 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Insertion Loss 量測結果

圖 3.3.1-3 為量測 Isolation 示意圖，SG (Signal Generator)由 Port 1 輸入power=0dB，

SA (Signal Analyzer)接在 com 上，內不衰減器設定為 0dB，port1 路徑 Switch 不導通，

其餘的 port 輪流導通進行量測。

-50 -40 -30 -20 -10 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

reference IL set 6dB set 12dB

set 18dB set 24dB set 31dB

18

圖 3.3.2-3 量測 Isolation 示意圖

圖 3.3.1-4 為量測 1GHz 到 6GHz port 1 的 Isolation。由於 Port 1 與 Port 2 之間少 了第一級 Switch 隔離度，由圖可見 com to Port 2 會比其他 Port 的隔離度較不好。但 以一般而言 60dB 的隔離度可以被接受的。

其他 port 的 Isolation 量測方法一樣，以此類推，故不再詳細說明。

圖 3.3.2-4 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port1 Isolation 量測結果

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P2 com to P3 com to P4

com to P5 com to P6

19

圖 3.3.2-5 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port2 Isolation 量測結果

圖 3.3.2-6 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port3 Isolation 量測結果

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P3 com to P4 com to P5 com to P6

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com toP4

com toP5 com toP6

20

圖 3.3.2-7 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port4 Isolation 量測結果

圖 3.3.2-8 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port5 Isolation 量測結果

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com to P3 com to P5 com to P6

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com to P3

com to P4 com to P6

21

圖 3.3.2-9 無衰減器 RF 訊號處理模組的 Port6 Isolation 量測結果 圖 3.3.2-10 為量測 Return Loss 示意圖，SG (Signal Generator)由 com 輸入 power=0dB，SA (Signal Analyzer)接在 Port1 上，Port1 路徑 Switch 導通進行量測。

圖 3.3.2-10 量測 Return Loss 示意圖

-100 -80 -60 -40 -20 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

dB

Hz

com to P1 com to P2 com to P3

com to P4 com to P5

22

量測 Return Loss 由圖 3.3.1-11 可見，低頻幾乎低於 20dB，雖然高頻反射漸漸增加，

但 6GHz 還是 13.6dB (VSWR<1.52:1)。

圖 3.3.1-11 量測 Return Loss 示意圖

23

第四章 RF 訊號處理模組設計與驗證

RF 訊號處理模組是 PXI 網路分析儀重要核心之一，要量測 S 參數就必頇使用到 RF 訊號處理模組。

4.1 RF 訊號處理模組電路架構圖

RF 訊號處理模組主要是由 Switch、Combiner、PA(Power Amplifier)、以及 Directional Coupler 所組成。加入 Combiner 元件，讓 RF 訊號處理模組能使用在 Two Tone 的訊 號上，

圖 4.1-1 RF 訊號處理模組架構圖

4.2 RF 訊號處理模組操作原理

Combiner 主要功用在於 Two Tone 的量測上所使用，在 Combiner 元件前方有兩個 Switch 主要是用來控制進入 RF 訊號處理模組。當訊號為單一訊號時，開路徑的 Switch 導通，尚未到用的路徑則接換到 50Ω；若訊號為 Two Tone 訊號時，兩條路徑的 Switch 皆導通，由 Combiner 將訊號結合後輸出。當進入訊號過小則由 PA 將訊號放大後再 輸出；若訊號不需進行放大，則由 Switch 切換到另一條路徑直接輸出。Directional Coupler 的功能為將進入的訊號耦合到另一個 port 輸出，也可將反射回來的訊號經由 Directional Coupler 得到耦合的反射量，如圖 4.2-2。

24

由圖 4.2-2 所示，若有一入射訊號進入到 Directional Coupler，將有部分能量會耦合出 來，如 a1。透射通過 Coupler 的能量遇到 DUT 會產生反射訊號與透射訊號，反射訊 號回來經過 Coupler 會耦合出 b1訊號；透射訊號會經由下路的 Coupler 耦合出 b2訊號。

由 b1除上 a1就可求的 S11，b2 除上 a1 可求得 S21。S12、S22求得方法如圖 4.2-3，由下 方路徑給入射訊號，去求得 S12與 S22。

. 圖 4.2-2 RF 訊號處理模組操作原理 1

25

圖 4.2-2 RF 訊號處理模組操作原理 2

4.3 RF 訊號處理模組實作與驗證

RF 訊號處理模組主要使用在量測 S 參數上使用，利用 Coupler 的耦合功能可得到要 計算 S 參數的入射訊號、反射訊號以及透射訊號。使用已知 S 參數的 DUT 進行 RF 訊號處理模組測試，將得到的訊號進行 S 參數計算即可驗證。

26

圖 4.3-1 RF 訊號處理模組 schematic

CLTA 1

CTLB

2

RFC 3Vcc 4

RF1

5 GND

6 GND

7 RF2

8U1

Switch CLTA 1

CTLB 2

RFC 3Vcc 4

RF1

5 GND

6 GND

7 RF2

8U2

Switch RF4

1N/C 2N/C3RF34GND 5VDD 6CTLB 7CTLA 8RF29

N/C10

N/C

11RF1

12

N/C

13

GND

14

RFC

15

GND

16 U4

Switch CLTA

1 CTLB

2 RFC

3 Vcc

4 RF1 5GND 6GND 7RF2 8

U8

Switch

I N

1 OUT 3

GND2

U9PA_PHA-1+ 1 1 2 2

3

3 4 4

U17coupler

50 R5

50 ohm

GND 10mHL1

Inductor GND

5V

GND GND

CLTA

1 CTLB

2 RFC

3 Vcc

4 RF1 5GND 6

GND 7

RF2 8

U5

Switch

I N

1 OUT

3

GND2

U10 PA_PHA-1+ 1 122 3 344U18coupler

50

R1050 ohm

GND

10mHL2

Inductor GND

5V GND

GND

GND

GND

123

P1

MHDR1X3

GND

GND

Signal_Input1

123

P2

MHDR1X3

GND

GND

Signal_Input2 123

P4

MHDR1X3

GND

GND

SMA_out1 123

P5

MHDR1X3

GND

GND

SMA_out3

1Y 1A

2Y 2A

3A 3Y

4A 4Y

GND GND

GND GND

GND GND

GND GND

GND GND

GND GND

GND 5V

5V

5V

5V 5V

5V

5V

7-17-2 8-28-19-29-1

C1

C2 50 R1 50 ohmC3

50 R2

50 ohmC4 C5

C6 C11

C8

C16

C12 C19

C15 C34 C45

C22C25C21C24 C29 C47

ENR1

RF Module C52C48C49 C53

1

12

2

3

34

4 U3

Combiner

50 R3 50 ohmGND

C7

1RF2 1RF1

1RF3 1RF4

8-3

GND 50

R1350 ohm

GND

C37

GND

1

RF2

2

GND3

RF3

4

GND

5

RF4

6

GND

7

VDD

8

CTLC

9

CTLB

10

CTLA

11

GND

12 RF5

13 GND 14 RF6

15 GND16 RF7 17 GND

18 RF8 19

NC

20

GND

21

RFC 22

GND 23

RF1

24

U13Switch

GND

GND GND

GND GND

50 R9

50 ohm

GNDC33 GNDGND

1

RF2

2

GND3

RF3

4

GND

5

RF4

6

GND

7

VDD

8

CTLC

9

CTLB

10

CTLA

11

GND

12 RF5

13 GND 14 RF6

15 GND16 RF7 17 GND

18 RF8 19

NC

20

GND 21

RFC 22

GND

23

RF1 24

U15Switch

ENR2

9-3 50

R6

50 ohm

GND

C30

GND GND GND

GND GND GND

GND

GND

GND 50

R1450 ohm

GND

C38

CLTA

1 CTLB

2 RFC

3 Vcc

4 RF1 5GND 6GND 7RF2 8

U7

Switch

I N

1 OUT

3

GND2

U12 PA_PHA-1+ 1 1

2

2 3 34

4U20coupler 50

R1150 ohm

GND

10mHL4

Inductor

GND 123

P6

MHDR1X3

GND

GND

SMA_out6

6A

6Y GND

GND 5V

5V

11-211-1

C10 C17

C14 C35 C46

C20C27 C51 C55

2RF3 2RF4

GND

1

RF2

2

GND3

RF3

4

GND

5

RF4

6

GND

7

VDD

8

CTLC

9

CTLB

10

CTLA

11

GND

12 RF5

13 GND 14 RF6

15 GND16 RF7 17 GND

18 RF8 19

NC 20

GND 21

RFC

22

GND 23

RF1 24

U16Switch

ENR4

11-3 50

R7

50 ohm

GND

C31

GND GND GND

GND GND GND

GND

GND

GND 50

R1650 ohm

GND

C39

CLTA

1 CTLB

2 RFC

3 Vcc

4 RF1 5

GND 6

GND 7

RF2 8

U6

Switch

I N

1 OUT

3

GND2

U11 PA_PHA-1+ 11 2 2

3

3 4 4

U19coupler

50 R4

50 ohm

GND 10mHL3

Inductor GND

5V

GND

GND 123

P3

MHDR1X3

GND

GND

SMA_out4

5A

5Y GND

GND

GND GND

5V

5V

10-210-1

C9

C18

C13 C23C26 C28 C44

ENR3 C54C50 2RF2 2RF1

10-3

GND

50 R1250 ohm GND

C36

GND

1

RF2

2

GND3

RF34

GND

5

RF4

6

GND

7

VDD

8

CTLC

9

CTLB

10

CTLA

11

GND

12

RF5

13 GND 14 RF615 GND16 RF7

17 GND 18 RF8

19

NC 20

GND 21

RFC 22

GND

23

RF1 24

U14Switch

GND

GND GND

GND GND

50 R8

50 ohm

GNDC32

GND GND

1

RF22

GND3

RF3

4

GND

5

RF46

GND

7 VDD

8 CTLC

9 CTLB

10 CTLA

11 GND

12 RF513 GND

14 RF6 15 GND16 RF717 GND

18 RF8 19

NC 20

GND

21

RFC

22

GND 23

RF1 24

U21Switch 123

P7

MHDR1X3

GND

GND

SMA_out2

C56

GND GND

GND

GND

GND

GND GND

GND GND GND

5V

12-212-112-3 1RF41RF31RF2 1RF1

50

R2050 ohm

C58 GND

50

R2150 ohm

C59 GND

GND

1

RF22

GND3

RF3

4

GND

5

RF46

GND

7 VDD

8 CTLC

9 CTLB

10 CTLA

11 GND

12 RF513 GND

14 RF6 15 GND16 RF717 GND

18 RF8 19

NC 20

GND 21

RFC 22

GND

23

RF1 24

U22Switch 123

P8

MHDR1X3

GND

GND

SMA_out5

C57

GND GND

GND

GND

GND

GND GND

GND GND GND

5V

13-213-113-3 2RF42RF32RF2 2RF1

50

R2250 ohm

C60 GND

50

R2350 ohm

C61 GND

thru1 thru2thru1

thru2

thru3 thru3thru4

thru4 50

R1750 ohm GND

C41 50

R1850 ohm GND C42 50

R1550 ohm GND

C40 50

R1950 ohm GND

C43

C121C122

C123C124

27

第五章 網路分析儀系統設計與驗證

使用網路分析儀量測 DUT 之前都會先做校正，而校正是為了消除哪些 Error Tern，以 及如何得到正確的 S 參數，在此章節將會說明。

5.1. S 參數量測定義

這節將提到 S 參數的量測定義。假設 Two Port 的網路分析儀接上一個 DUT，如圖 5.1-1，

a1為 Port 1 的入射訊號，b1為 a1打到 DUT 後的反射訊號，a2為 Port 2 的入射訊號，

b2為 a2打到 DUT 後的反射訊號。由圖 5.1-1 可以了解如何量測正確的 S 參數。

圖 5.1-1 S 參數定義圖 圖片中的矩陣改寫為公式為:

<式 1> <式 2>

S₁₁的定義為 b₁反射訊號除上 a₁的入射訊號，S₂₁的定義為 b₂反射訊號除上 a₁的入射 訊號，則公式可改寫為

0 1 1 11 _a2

a

S b <式 3> ₀

1 2 21  _a2

a

S b <式 4>

故量測正確的 S₁₁訊號只有在 Port2 接上 50Ω的匹配情況下，才能得到正確的 S₁₁。同 理，量測正確的 S₂₁訊號只有在 Port2 接上 50Ω的匹配情況下，才能得到正確的 S₂₁。

28

圖 5.1-2 S 參數定義圖 1

量測 S22與 S12相同，將公式 2 改寫後可知只有當 Port1 為 50Ω匹配時才可量測出正 確數值。

0 2 2 22  _a1

a

S b <式 5> ₀

2

12 1

1

 _a

a

S b <式 6>

圖 5.1-3 S 參數定義圖 2

5.2. SOLT 校正原理[1][2]

這節將介紹網路分析儀校正的錯誤項與校正的方式。首先介紹網路分析儀校正時所需 校正掉的誤差項。如圖 5.2-1，利用訊號流程圖(Signal Flow Graph)來表現出網路分析 儀的誤差項。S_xxA為 DUT 實際的 S 參數，S_xxM為網路分析儀量測 DUT 得到的 S 參數，

E_xx為各種不同類型的 Error Tern，以下將介紹每個誤差來源。

29

圖 5.2-1 訊號流程圖之誤差模型 表 5.3-1 訊號流程圖縮寫代號

誤差 縮寫

Directivity Error(方向性誤差) E_DF E_DR

Source Match Error(訊號源匹配誤差) ESF E_SR

Reflection Tracking Error(反射路徑誤差) ERF ERR

Load Match Error(負載端匹配誤差) ELF ELR

Transmission Tracking Error(穿透路徑誤差) ETF ETR

Crosstalk Error(串音誤差) E_XF E_XR

3.1.1. Directivity Error(方向性誤差)

30

通常網路分析儀都有能分辨入射訊號、反射訊號的功能，而方向耦合器

(Directional Coupler)就有此功能。理想的方向耦合器入射訊號 Port1 只會耦合到 DUT 端 Port2 以及 Terminated 端 Port3，而反射訊號只會耦合到 Port4。但實際上的方向耦

圖 5.2.1-1 理想的方向耦合器

合器並非如此，入射訊號一開始就會有小部分的能量透過耦合器進入到 Port4，而反 射訊號也有部分能量會透過耦合器進入到 Terminated 端 Port3 造成量測上的誤差，此 誤差就稱為 Directivity Error(方向性誤差)。

圖 5.2.1-2 實際的方向耦合器

3.1.2. Source Match Error(訊號源匹配誤差)

Source Match Error 主要是因為訊號源與 DUT 端不匹配造成的誤差(圖 5.2.2-1)，在理 想的情況下，反射訊號除了耦合到 Port4 之外，還會有一部份會回到訊號源，由於訊 號源是 50Ω的系統，所以不會產生反射。但實際的情況下，訊號源並非是 50Ω，因 此反射訊號遇到訊號源又會反射，產生第二次的入射訊號。第二次的入射訊號遇到 DUT 會產生第二次的反射訊號，而第二次的反射訊號遇到訊號源的不匹配，又會產

31

生第三次的入射訊號，因此 Source Match Error(訊號源匹配誤差)是由多次的反射造成 的誤差。

圖 5.2.2-1 Source Match Error

3.1.3. Load Match Error(負載端匹配誤差)

在理想的情況下，入射訊號透過 DUT 到 Port2 後，DUT 與後方的負載匹配所以不會 有反射的情形發生。但大部份的情況下是不匹配的(圖 5.2.3-1)，而產生的反射有：路 徑(1)反射訊號遇到 DUT 就產生反射；路徑(2)反射訊號透過 DUT 遇到 Coupler 所產 生的反射；路徑(3)是由 Coupler 耦合到訊號源，這三種都是因為負載端不匹配造成的 誤差。

圖 5.2.3-1 Source Match Error

3.1.4. Crosstalk Error(串音誤差)

32

以網路分析儀舉例來說，當在量測 Two port 的 DUT 時，Port1 的訊號可能不經過 DUT 直接串音到 Port2，造成 Crosstalk Error(串音誤差)。但大部分的情況下會忽略串音誤 差，因為串音訊號比雜訊準位還低，就算把串音訊號較正掉，還是會被雜訊干擾。

3.1.5. Transmission Tracking Error(穿透路徑誤差)、Reflection Tracking Error(反射路徑誤差)

主要來源是穿透路徑與反射路徑所造成的頻率響應誤差。

3.1.6. Calibration Kits 校正原理

圖 5.2.6-1 為理想網路分析儀的情形，直接讀取 S11M 就可以得知 S11A。但事實並非如 此，需把儀器誤差給模型化，如圖 5.2.6-2。明顯可看出量測得到的 S11M 會是 ED、ES、 ERT、及 S11A 的函數。

圖 5.2.6-1 理想 one port 網路分析儀 圖 5.2.6-2 實際 one port 網路分析儀 利用訊號流程圖的觀念，可表示成式 7

<式 7>

量測標準校正套件“完美的負載（Perfect Load） ”，將 0∠0° = S _11A 代入式 7 變為 式 8

33

<式 8>

即可得到 S11ML = ED

量測“ Short ” 即可以得到式 9

<式 9>

量測 “ Open ”，得到式 10

<式 10>

利用式 9 及式 10 時聯立求解，可求得 ED 、ES、ERT。

得知三個錯誤項 ED、ES、ERT即可求出正確的 S11A_DUT，如式 11。

)) (

(

) (

_ 11 _ 11 _

11

D Dut

M S

RT

D Dut

M Dut

A

E E S E

E S S





 

<式 11>

Two Port 量測步驟：

(1) 如同 One port Cal ， port1(Forward) 、port2(Reverse)可各得 3 個 error term (ESF 、ERF 、EDF 、ESR 、ERR 、EDR)

在 Two Port 方面

(2)量測 isolation 可得 2 個 error term。量測時，同時接上 Load (EXF 、EXR)

34

圖 5.2.6-3 FORWARD 量測 Isolation

圖 5.2.6-4 REBERSE 量測 Isolation

Port1、Port2 都是接上 Load，所以 S11、S22 皆為 0。由於 Port1、Port2 無透射關係，

故 S12、S21 皆為 0，如圖 5.2.6-3、圖 5.2.6-4。

(3)量測 Thru 可得 4 個 error term (ELF 、ETF 、ELR 、ETR)

利用圖 5.2.6-5 的 SFG 可以求得 S11、S21 與 S22、S12 的量測值

LF SF

LF RF DF

M

E E

E E E

S   

11

1

，

LF SF

TF XF

M

E E

E E

S   

21

1

<式 12> <式 13>

35 LR

SR LR RR DR

M

E E

E E E

S   

22

1

，

LR SR TR XR

M

E E

E E

S   

12

1

<式 14> <式 15>

圖 5.2.6-5 量測 Thru 的 SFG

在做完這 12 次的量測之後，從訊號流程圖中解出這 12 個誤差，即可解出 DUT S 參數的實際值



 



 



 



 



 



 



















 



 



 

 



 



 



 



 





 



 



 



 



 



 











 



 



 



 



 

 



 



 



LR LF TR

XR M TF

XF M SR

RR DR M SF

RF DF M

LF TR

XR M TF

XF M SR

RR DR M RF

DF M

A

E E E

E S E

E E S

E E E S

E E S

E E E S E

E E S

E E S E

E S S

12 21

22 11

12 21

22 11

11

1 1

1

<式 16>