多端口和多站点测试优化技术 - 应用指南

概述

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。

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。

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。

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。

日益增加的多端口测试需求

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。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）。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。

多端口解决方案的类型

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。简单的开关测试座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。

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。

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。

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。

全交叉开关测试座

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。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。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。

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。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。

VNA 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。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。

扩展测试座

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。

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。

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。

真正的多端口解决方案

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。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。

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。

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