衛星頻率轉換器特性分析

解決高增益下的校準難題—嵌入式本地振盪器 (LO) 的相位雜訊與增益壓縮測試

在衛星通訊酬載（Payload）的架構中，頻率轉換器（Frequency Converter）扮演著將地面上傳訊號（Uplink）轉換至下行頻率（Downlink）的關鍵角色，隨著衛星通訊走向高頻段（Ka, Q/V Band）與高通量（HTS），轉換器的設計已從單純的混頻模組演變為包含放大器、濾波器與 嵌入式本地振盪器（Embedded Local Oscillator, LO） 的複雜次系統。

依據 ECSS-E-ST-50-12C 等太空工程標準，對於主動式微波元件的驗證，除了基本的 S 參數外，還必須嚴格檢視 相位雜訊（Phase Noise）、增益壓縮（Gain Compression） 以及 群延遲（Group Delay），然而當 LO 被封裝在模組內部且無法外部存取時，工程師在實務上將面臨傳統向量網路分析儀（VNA）無法解決的三大計量災難。

難題一：嵌入式 LO 的頻率漂移與相位失鎖

傳統的 S 參數測量依賴於 VNA 的源端與接收端嚴格同步，但在測試衛星變頻器時，輸入訊號是 RF 頻率，輸出是 IF 頻率，兩者之間的頻率差由內部的 LO 決定。

• 物理現象：衛星內部的 LO 通常是自由運行（Free-running）的，並未與測試儀器的參考時脈同步，這意味著 LO 的頻率會隨溫度與時間產生 頻率漂移（Frequency Drift）。
• 測試盲點：當 VNA 試圖測量輸入與輸出訊號的「相位差」時，LO 的頻率漂移會直接疊加在測量結果上，導致相位數據呈現隨機跳動，使 群延遲（Group Delay） 的計算完全失效，傳統的「參考混頻器法」需要一個與待測物完全一致且穩定的黃金樣品來抵消漂移，但在研發階段，這樣的黃金樣品往往不存在。

難題二：高增益下的校準與功率壓縮測量

現代衛星轉發器為了補償路徑損耗，通常具備極高的增益（可能超過 100 dB）。

• 工程挑戰：在進行 增益壓縮（P1dB） 或 AM/AM 轉換特性測試時，極小的輸入功率變化都會導致輸出端巨大的功率波動，甚至使後端測量儀器飽和或損壞。
• 校準困境：傳統的 VNA 校準將參考面設定在電纜末端。然而，為了測量增益壓縮，必須精確控制輸入到轉換器「內部」混頻級的功率，而非僅是模組介面的功率。當模組包含前級放大器（LNA）時，輸入功率必須控制在極低的範圍（如 -60 dBm），這已接近許多功率計的底噪極限，使得絕對功率校準變得異常困難。

難題三：相位雜訊的傳遞效應

相位雜訊是決定數位調變訊號（如 256APSK）解調品質的關鍵，在變頻過程中，LO 的相位雜訊會直接「轉印」到訊號上。

• 觀念解析：想像 LO 是一個不穩定的轉盤，訊號是放在轉盤上的球，轉盤的抖動（相位雜訊）會導致球的軌跡偏差，在寬頻通訊中，這種近載波的雜訊會導致符號間干擾（ISI），嚴重惡化誤差向量幅度（EVM）。
• 測試痛點：若使用頻譜分析儀測量，很難區分量測到的雜訊是來自輸入訊號源、頻譜儀本身，還是待測物的 LO。對於低相位雜訊的高階轉換器，儀器本身的雜訊基底往往會淹沒待測物的真實表現。

面對上述嵌入式 LO 帶來的不確定性與高增益校準難題，單一儀器往往難以竟全功，您需要的不是在誤差中猜測，而是一套能 「主動消除 LO 漂移」 且具備 「高動態範圍功率控制」 的整合測試方案，我們提供 Rohde & Schwarz (R&S) 儀器，為衛星頻率轉換器提供從晶片級到模組級的精準驗證。

方案一：雙音技術解決 LO 漂移 (R&S ZNA)

針對嵌入式 LO 不穩定的群延遲測量，我們推薦使用 R&S ZNA 向量網路分析儀 及其 雙音群延遲（Two-Tone Group Delay） 測量技術。

R&S ZNA 向量網路分析儀專為航太、衛星測試應用而生，具備四個相位同調訊號源、170 dB 高動態範圍與 0.002 dB 超低追蹤雜訊，提供高效能、DUT 為中心的操作體驗，輕鬆應對複雜的射頻量測與生產任務。

• 技術原理：系統不依賴絕對相位測量，而是同時發送兩個頻率極為接近的測試訊號，由於這兩個訊號同時通過轉換器，LO 的頻率漂移對兩者的影響是「共模」的（即影響相同），透過計算這兩個訊號通過待測物後的 相位差變化率，LO 的漂移項會被數學相減而抵消。
• 無需參考混頻器：這是此方案的最大優勢，您無需尋找昂貴的黃金樣品或外部混頻器，R&S ZNA 內建四個獨立訊號源，單機即可產生雙音訊號，即使在 LO 頻率偏差高達數 MHz 的情況下，仍能精準測得奈秒級的群延遲數據。

方案二：絕對功率校準與增益壓縮 (R&S ZNA + NRP)

針對高增益轉換器的線性度測試，我們的方案整合了高精度的 R&S NRP 功率感測器 進行來源與接收端的絕對功率校準。

• 精準的功率掃描：
  R&S ZNA 具備領先業界的輸出功率動態範圍，能精確生成從極低功率（測試線性區）到高功率（測試飽和區）的掃描訊號，配合 SMARTer Cal 校準技術，系統能自動補償測試電纜與夾具的損耗，確保輸入到轉換器混頻核心的功率精準無誤，從而繪製出準確的 AM/AM 與 AM/PM 轉換曲線。

方案三：極致靈敏度的相位雜訊分析 (R&S FSWP)

針對 LO 相位雜訊的驗證，我們採用 R&S FSWP 相位雜訊分析儀。

結合互相關技術與極低雜訊內部源，提供業界頂尖的相位雜訊靈敏度，單機整合脈衝訊號量測、VCO 自動特性分析及高階頻譜分析功能，大幅加速雷達與合成器開發流程！

• 互相關運算 (Cross-Correlation)：
  為了突破儀器本身的雜訊極限，R&S FSWP 內部擁有兩組獨立的參考振盪器與接收路徑，透過對兩路訊號進行互相關運算，儀器自身的雜訊（不相關項）會被平均掉，而待測物的雜訊（相關項）則被保留。這使得系統能測量出低於儀器底噪的極低相位雜訊，真實還原衛星轉換器的高純度頻譜特性。
• 一鍵式測量：
  系統能自動識別 LO 頻率並鎖定，無需繁瑣的手動調諧，即可獲得單邊帶（SSB）相位雜訊曲線與雜散（Spurious）列表。

立即聯繫奧創系統，讓我們協助您解開嵌入式 LO 的黑盒之謎，確保您的頻率轉換器在太空中展現最完美的訊號轉換效能。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同，如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。