RF 儀器有許多規格代表了儀器效能。 隨著無線技術不斷變化，設計RF 組件與設備可能會成為工程師的例行工作，然而工程師在這方面的經驗可能并不完整。本文共分為三部分，有助于掌握基礎與進階的RF 儀器規格， 其中包含一般的發生器與分析儀規格。 第一部說明了頻率范圍、瞬間帶寬、微調速度、相位噪聲、電壓駐波比；第二部與第三部則是說明1 dB 壓縮點、三階交調截取、動態范圍與分辨率帶寬。

1. 簡介

本文說明下列規格，同時適用于RF 產生與分析作業。
· 頻率范圍
· 瞬間(實時) 帶寬
· 微調速度
· 相位噪聲
· 電壓駐波比(VSWR)

注意： 所有的RF 設備與RF 儀器一樣，均受限于相同的設計規則。

2. 頻率范圍

頻率范圍 (Frequency Range) 是RF 儀器的重要特性之一。 比如說，WiFi 測試解決方案所需的運作頻率高達2.5 GHz。 一樣的道理，如要分析運作頻率為900 MHz 的組件，采用此組件的儀器必須在相同的頻率范圍內運作才行?；旌掀鳌⑤斎霝V波器、局部震蕩器(LO) 等組件都會影響RF 儀器的最大頻率范圍。不過主要是通過調整LO，才能將儀器設定為在特定的頻率內運作。 有些儀器會采用多種系列的LO，但是簡化過的儀器方塊圖卻只使用一個LO (如圖2 所示)。

LO 搭配了RF 輸入，后者可以將RF 信號降轉換為中頻(Intermediate Frequency，IF) 信號。 相同的頻率合成技術也適用于RF 信號發生器。使用電壓控制震蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCO) 或釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG) 即可完成頻率合成作業。傳統的作法是RF 儀器會采用YIG 架構以產生LO。YIG 是一種電流控制震蕩器(Current Controlled Oscillator)，其特色是密集的相位噪聲與大頻率范圍(高達20 GHz 或以上)。 不過YIG 架構的儀器不但耗電量高，也可能相當昂貴。 此外，相較于其他方法，調整YIG 的頻率或許得花更多時間。因此，近期采用VCO 的LO 架構變得更普遍。VCO 的頻率范圍比YIG 更小，但微調速度卻快很多。

3. 瞬間(實時) 帶寬

瞬間帶寬 (Instantaneous Frequency) 也稱為實時帶寬 (Real-Time Frequency)，代表了某儀器產生或擷取的最高連續RF 帶寬。比如說，向量信號發生器產生信號的中央頻率可能是2.45 GHz，但是該儀器的瞬間帶寬(也稱為信號帶寬) 可能只有20 MHz。 信號帶寬代表此設備可連續擷取20 MHz 的RF 頻譜，不必重新調整LO。

瞬間帶寬主要取決于該儀器的RF 模擬前端設備。如要深入了解瞬間帶寬，可以先掌握RF 儀器的基本架構。 目前的技術無法數字化Gigahertz 范圍內的每個信號。 所以RF 儀器會采用一系列的LO、混合器、濾波器等，才能將RF 信號導入IF 或基頻頻率范圍。 圖2 為向量信號分析儀的簡要方塊圖。

圖2. 濾波器與模擬數字轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC) 決定了瞬間帶寬

如圖2 所示，向量信號分析儀將一部分的RF 頻譜降轉換至ADC 可辨識的IF。RF 儀器的瞬間帶寬主要取決于下列兩個要素：
· 該儀器采用的濾波器
· ADC 的取樣率與帶寬

儀器的瞬間帶寬是否重要，主要取決于應用本身。比如說，如要產生窄頻的FM 信號，只需要200 KHz 的瞬間帶寬即可。但如果要產生并分析寬帶信號，例如IEEE Standard 802.11g (WiFi)，那就至少需要20 MHz 的瞬間帶寬。 如果瞬間帶寬比重點信號本身大很多，就可以大幅提高頻譜屏蔽測試等應用的速度。 如果儀器的瞬間帶寬不夠頻譜屏蔽測試作業使用，就必須重新調整儀器，才能擷取區段內的頻率信息。

4. 微調速度

微調速度 (Tuning Speed) 是指LO 在特定的準確度范圍內變更中央頻率所需的時間。 將震蕩器調整至不同頻率的時候，LO 的趨穩時間即代表了微調速度。就一般系統而言，如要調整頻率，LO 通常會稍微超過所需的頻率，并且在特定時間內趨穩至所需的頻率。 基本上，微調速度是一種頻率間隔(Frequency Step) 大小功能。 頻率間隔越大，LO 調整至特定范圍所需的時間就越長。表1 為YIG 架構LO 的趨穩時間。

表1. YIG 架構LO 的微調速度

對于802.11g 收發器自動化生產測試等應用來說，微調速度可說是非常重要的規格。 由于802.11g 標準明訂了設備必須在2.4 GHz ~ 2.48 GHz 之間于14 個通道之一運作，所以RF 儀器必須用來測試多種頻率內的設備運作狀況。測試信號的掃頻速度越快，測試接收器的速度也就越快。

5. 相位噪聲

相位噪聲 (Phase Noise) 是指RF 儀器的短期頻率穩定性。 相位噪聲是由小型的瞬間LO 相位抖動而造成的，會在鄰近載波的頻率內產生信號功率。

有個簡單的方式可以說明相位噪聲的影響，那就是分析頻域內的單一音調。圖3 為兩個模擬載波：一個是理想載波，一個具有相位噪聲。

圖3. 理想載波vs. 非理想載波

圖3 左側為單一音調產生，理論上會造成單一功率峰值，集中在非常精確的頻率范圍內。 右側卻很不一樣，其中的相位噪聲(主要是時域抖動) 會使信號以漸歇性的方式分布在頻域內。

只要量測偏離所需載波的多項信號振幅，即可取得相位噪聲。如圖3 右側所示，我們量測了誤差值為1 KHz 的–95 dBc 相位噪聲，以及誤差值為10 KHz 的–146 dBc 相位噪聲。

RF 儀器相位噪聲的重要性取決于應用本身。 如要偵測接近特定重要信號的低階遮蔽信號，就會需要密集的相位噪聲。 使用具有大量相位噪聲的LO 時，相位噪聲就會在之后的IF 信號中變大。 圖4 為LO 相位噪聲轉換至后續IF 信號的相位噪聲。

圖4. LO 相位噪聲產生了IF 相位噪聲

就此應用而言，這兩個信號的相位噪聲會彼此干擾，讓工程師難以辨識特定的遮蔽信號特性。

此外，也可通過星座圖來呈現信號解調變，以便了解相位噪聲的影響。 具有大量相位噪聲的信號會在星座圖中呈現出規律旋轉的狀況。圖5 比較了理想的4 相位偏移調變(4-Phase-Shift Keying，4-PSK) 信號與四個符號(以黑點表示)，并且從左圖傳輸至右圖中具有大量相位噪聲的信號。

圖5. 出現相位噪聲時，星座圖呈現旋轉狀況

相位噪聲會降低RF 儀器的錯誤向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM) 效能，進而影響實際的量測作業。 就位錯誤率(Bit Error Rate，BER) 測試而言，相位噪聲會增加錯誤率。

6. 電壓駐波比(VSWR)

電壓駐波比 (Voltage Standing Wave Ratio，VSWR) 與傳輸線(Transmission Line) 理論有密切的關聯，而且隨著儀器頻率范圍擴大，也變得越來越重要。 大致上來說，VSWR 是指沿著傳輸線出現的阻抗失配(Impedance Mismatch) 而造成的信號反射狀況。

就理想狀況而言，RF 儀器的阻抗(通常是50 Ω) 會符合每個接線的阻抗與待測設備的輸入阻抗。然而，不對稱信號軌跡與零件/組件差異等減損狀況，都會改變儀器阻抗的特性。 因此，信號反射會在RF 傳輸時出現，并且影響信號的振幅與相位準確度。

信號反射振幅取決于所使用的材質屬性與頻率范圍。傳輸線的阻抗失配會直接造成VSWR，而且在高頻率范圍內還會變得更嚴重。 舉例來說，如果VSWR 是1:1，代表系統完全相符。 相反的，如果VSWR 是1.1:1，代表高達10% 的信號振幅在傳輸線內出現了反射狀況。

因為VSWR 也取決于材質屬性，可以根據反射系數 Γ 計算而得，方程式如下：

VSWR 對測試信號的影響非常大，因為會需要調整信號的相位或振幅。 此外，所產生的信號振幅可能會增加也可能會減少，視VSWR 反射相位而定。 圖6 說明了VSWR 反射影響信號振幅的方式。

圖6. VSWR 反射會影響信號振幅

原始信號的反相(Out-of-Phase) 反射會引發些微的抵銷效應。 如圖6 所示，隨之而來的復合信號振幅已稍微減少。就大多數情況下，使用內接或外接衰減器后可降低VSWR。 因此，通過內部衰減來增加儀器參考準位，即可減少VSWR。

VSWR 規格非常重要，因為這會大幅影響儀器的振幅準確度。RF 濾波器特性測試等應用所需的振幅準確度越高越好。RF 濾波器的特性是根據激發信號頻率而量測到的振幅減損，所以激發信號與分析儀器的振幅準確度都很重要。

7. 結論

了解RF 儀器規格：第一部提供了RF 相關規格的基本信息。 請記得，其中許多規格也適用于所有的RF 設備，不只是儀器而已。所以設計流程中可能會接觸到相同的規格。 本系列第二篇文章說明了用來測試RF 發生器特性的規格，包含頻率容錯、線性度、功率輸出、1 dB 壓縮點、三階交調截取等項目。