非线性矢量网络分析技术：原理与应用

由著名的频域黑箱理论可知，线性系统满足叠加原理（Superposition Principle），所有激励信号都可以展开为一系列正弦波之和，这使得我们可以重构系统对任意激励信号的响应，也就是说，我们只需获得线性系统的入射波、反射波和传输波的相对值（比值），就能完全表征其特性；在不同频率上分别测量器件对单一正弦波的响应，就能完整地表征一个线性系统。传统的VNA正是基于上述理论而设计制造出来的。

现代通信系统对于在非线性工作区内有效运用器件的需求正变得越来越迫切。在非线性系统中，即使激励信号是单一频率的正弦波，非线性系统输出的响应信号中仍可能包含直流、基波和各次谐波成分。因此，相对于线性系统特性分析，准确描述和表征非线性系统的非线性性能是一项复杂的测量任务。非线性矢量网络分析仪（Non-linear Vector Network An-alyzer，NVNA）把被测的射频微波网络放在真实的、大信号的工作条件下进行测试和分析，它所获得的测量值包括DUT端口的激励频率以及所有存在的其他频率成分的幅度和相位，因而能够测量DUT的全面性能。

1.非线性网络的表征方法

在大信号网络分析中，人们总可以利用某一个物理量或其他量来了解和表征DUT的非线性性能。实际应用中，器件建模工程师往往热衷于端口电压u和端口电流i的组合，而系统设计师则喜欢选用电压行波入射波a和出射波b的组合。无论怎样选择，每一对物理量均包含了有关DUT性能的相同信息，且彼此之间有确定的换算关系，即

式中，通常取Z_c=50Ω。

现在考虑适宜的物理量表示域。一般而言，谐波和寄生分量在频域中比在时域中易于观察，而反射和削顶在时域中更易处理；电压和电流与器件的集总性能相关，在时域中表示；入射波和反射波与系统的分布性能相关，在频域中表示；一旦包含了调制，则可能需要将频域、时域结合起来。而在大信号分析应用中，还涉及包络域（Envelope Domain）表示法。

作为大信号分析法的一个重要概念，包络域是指能够同时表征载波基波和载波各次谐波的包络的一种方法，它充分而形象地表征了系统的非线性特性。研究表明，调制信号包络的变化程度取决于器件的非线性特性，因此可借由研究射频已调信号的包络变化来推断非线性程度。实际上，任何已调波通过非线性系统的响应都可以表示为包络域形式，包络形状越复杂，非线性越强烈。

以下给出连续波信号和调制信号分别在时域、频域及包络域中的表示式。连续波在时域、频域中可通过下式表示，二者可相互转换，即

式（12-23）仅为描述傅里叶变换FT和傅里叶逆变换IFT的方法之一，其中f为基波频率，h为谐波次数。(www.xing528.com)

调制信号可以在时域、频域或者包络域中表示。时域和频域表示式为

调制信号的包络域表示式为

式（12-24）和式（12-25）中，f_C为载波频率；f_M为调制频率；h为谐波次数；m为调制系数。

2.NVNA的组成

从硬件角度来看，NVNA的构成与普通VNA的结构很相似，包括内置的扫频激励信号源、信号分离装置、采样变频装置、多通道幅相接收机等几部分，图12-33为NVNA的组成框图。

NVNA与VNA的主要区别在于：首先，NVNA中信号分离装置的主要功能除了分离DUT端口上的入射波和反射波之外，同时还具备偏置功能，可以通过内部偏置器向DUT端口施加直流偏置来模拟DUT的真实工作条件，从而满足大信号分析的需要。其次，NVNA中的采样变频装置不止是一个外差式接收机前端，其核心部分是4个宽带采样变频器，内部的可调步进衰减器能够保证仪器在大信号条件下仍处于线性工作区。宽带采样变频之后的4路中频信号被送至宽带四通道幅相接收机中，完成信号调理、模数转换、数据处理、误差修正、模型数据提取及数据显示等工作。最后，NVNA中通常还配置有一些特殊功能的选件，如电压电流表、直流电源等，均可用于大信号分析，同时便于硬件升级。

利用NVNA可进行实时波形测量，以确定DUT在变化条件（如偏置、加载、压缩、互调、击穿、应力等）下的特性；可在各器件端口进行可跟踪的大信号电压、电流或波形测量，用于验证模型和改进；当然，还可以方便地进行DUT的非线性特性测试，例如压缩、谐波失真等。