射頻濾波器測試新紀元：以極致動態範圍與速度應對 5G 與毫米波挑戰
- Sonya Chan
- 1月15日
- 讀畢需時 8 分鐘
隨著全球通訊技術從 5G 向 B5G 甚至 6G 邁進，射頻（RF）前端模組的複雜度呈現幾何級數的增長。在現代無線通訊系統中，濾波器（Filter）扮演著守門員的關鍵角色，負責精準地篩選訊號，剔除雜訊與干擾。
然而，隨著頻譜資源日益擁擠，濾波器的設計要求變得極為嚴苛：通帶（Passband）要更平坦、插入損失（Insertion Loss）要更低，而阻帶（Stopband）的抑制能力則必須達到前所未有的深度。
這種產業趨勢對測試儀器提出了巨大的挑戰。在生產線上，測試速度直接決定了產能；在研發實驗室中，測量的精準度與動態範圍則決定了產品的競爭力。傳統的向量網路分析儀（VNA）在面對高頻、高阻帶抑制的濾波器時，往往面臨雜訊底層（Noise Floor）過高導致看不清訊號，或是掃描速度過慢影響效率的兩難局面。
為了回應這些最新的測試需求，Rohde & Schwarz 推出了全新的 R&S®ZNB3000 向量網路分析儀，這不僅是一款硬體升級的產品，更代表了在中高階射頻元件測試領域的一次技術躍進，本文將深入探討其背後的關鍵技術，解析如何透過創新的硬體架構與軟體功能，解決濾波器特性分析中的痛點。
核心架構革新：DDS 合成器帶來的速度與相位優勢
在探討具體的測試指標之前，我們必須先理解現代 VNA 的心臟——頻率合成器，傳統的 VNA 多採用鎖相迴路（PLL）技術，雖然成熟，但在頻率切換速度與相位雜訊的控制上已逐漸逼近物理極限，R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 最顯著的技術突破，在於全面導入了直接數位頻率合成（DDS, Direct Digital Synthesis）技術。
為什麼 DDS 對濾波器測試至關重要？
濾波器測試通常需要在很寬的頻率範圍內進行掃描，從低頻的起始點一路掃描至高頻的截止點。每一次頻率點的改變，儀器的訊號源都需要重新鎖定頻率。DDS 技術利用數位方式直接產生波形，省去了傳統類比 PLL 迴路鎖定所需的時間。
R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 在 800 MHz 至 1 GHz 的頻段內，設定 500 kHz 的中頻頻寬（IFBW），掃描 201 個點僅需 1.3 毫秒（ms），在大量生產的環境下，每一毫秒的節省都代表著產能的提升與測試成本的降低，對於需要進行即時調校（Tuning）的濾波器技師而言，這種極速的回應時間意味著當他們轉動調諧螺絲時，螢幕上的波形能夠幾乎無延遲地跟隨變化，實現真正的「即時」手眼協調。
此外，DDS 技術還帶來了極高的相位重複性與極低的相位雜訊，在測量高階濾波器（如陶瓷濾波器或聲表面波濾波器 SAW/BAW）時，相位的微小抖動都可能導致群延遲（Group Delay）測量的誤差，DDS 乾淨的頻譜純度確保了測量結果的真實性，避免儀器自身的雜訊掩蓋了待測物（DUT）的真實特性。
突破物理極限的動態範圍：看見 160 dB 深處的訊號
濾波器特性分析中最具挑戰性的項目莫過於「阻帶抑制」的測量。當一個高效能的濾波器將不需要的頻率訊號衰減了 100 dB 甚至更多時，接收端所收到的訊號已經微弱到接近熱雜訊的水平。如果 VNA 本身的動態範圍不足，這些微弱的訊號就會被埋沒在儀器的背景雜訊中，導致測試人員無法判斷濾波器的抑制能力是否達標，或者看到錯誤的波形抖動。
增強動態範圍模式（Enhanced Dynamic Range Mode）
R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 在這方面樹立了新的標竿。其標準規格在 4 GHz、10 Hz IFBW 的條件下，動態範圍已達到典型的 150 dB。然而，針對更嚴苛的測試需求，該儀器提供了一個「增強動態範圍模式」。
在這個模式下，儀器透過優化接收機的前端架構與降低內部雜訊底層，將動態範圍進一步推升至 160 dB，這表示什麼？這代表即使濾波器將訊號衰減了一百億億倍（10 的 16 次方），儀器依然能夠偵測到該訊號的存在。
高動態範圍帶來的另一個優勢是「速度」，在傳統測量中，為了降低雜訊底層以看清微弱訊號，工程師往往被迫將中頻頻寬（IFBW）設得很窄（例如 10 Hz），這會導致掃描速度極慢，由於 R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 本身俱備極佳的靈敏度與高輸出功率（典型值可達 +11 dBm 甚至更高），工程師可以使用較寬的 IFBW 來進行測量，同時兼顧高動態範圍與高測試傳輸量（Throughput），這對於生產線上的高拒斥比（High-rejection）濾波器測試而言，是革命性的效率提升。
軌跡雜訊（Trace Noise）的極致控制
除了看得到微弱訊號，「看得清楚」同樣重要。軌跡雜訊是指測量波形上的毛邊或隨機跳動。如果軌跡雜訊過大，會導致通帶漣波（Passband Ripple）的測量失準，而通帶平坦度直接影響通訊系統的訊號品質。R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 在 0 dBm、10 kHz IFBW 的條件下，軌跡雜訊典型值僅為 0.0005 dB。這種極致的穩定度，讓工程師在進行精密濾波器調校時，能夠充滿信心地判斷每一個微小的波形變化是來自於元件本身，而非儀器的誤差。
智慧化測試流程：分段掃描與自動化分析
硬體的強大提供了測量的基礎，但軟體的智慧化設計才是將效能轉化為生產力的關鍵。濾波器的頻率響應特性通常由一個平坦的通帶和兩側陡峭的阻帶組成。這兩個區域對測量的需求截然不同：通帶需要高頻率解析度與低雜訊來觀察漣波；而阻帶則需要高動態範圍。
分段掃描（Segmented Sweep）的應用
如果使用單一設定對全頻段進行掃描，往往是一種妥協：為了遷就阻帶的動態範圍而調低 IFBW，會導致通帶掃描不必要的變慢；或者為了速度調高 IFBW，卻犧牲了阻帶的量測精度，R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 的「分段掃描」功能完美解決了這個問題。
使用者可以將一次掃描切割成多個頻段（Segments），並針對每個頻段獨立設定參數：
通帶區域： 設定較密的頻率點數（Points）以解析細節，並使用適中的 IFBW。
阻帶區域： 設定較低的 IFBW 以獲得最大的動態範圍，並根據需要調整點數。
轉換區域： 針對濾波器的轉折點（Knee）設定特定的掃描條件。
透過這種量身打造的掃描方式，儀器能夠在不犧牲任何精度的前提下，將整體測試週期時間壓縮到最短。這對於分秒必爭的產線測試來說，是優化產能（UPH）的必備利器。
強大的游標與極限線功能
在濾波器特性分析中，工程師需要快速讀取關鍵參數，如中心頻率、頻寬、品質因子（Q-factor）以及 3dB 頻寬等，R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 內建了專用的濾波器分析標記功能。
透過簡單的設定，儀器可以自動追蹤並顯示：
頻寬（Bandwidth）： 自動計算特定衰減值（如 -3dB）下的頻寬。
中心頻率（Center Frequency）： 基於上下邊緣頻率自動計算。
品質因子（Quality Factor）： 直接顯示濾波器的 Q 值。
損耗（Loss）： 顯示通帶內的插入損失。
此外，結合極限線（Limit Lines）功能，研發人員可以設定嚴格的 Pass/Fail 判斷標準。無論是通帶的波動範圍限制，還是阻帶的最小衰減要求，都可以透過圖形化的方式直觀呈現。一旦波形觸及紅色的極限線，系統會立即顯示失敗，這在生產線的自動化測試中至關重要。
頻率升級概念：保障未來的投資
在選購高階儀器時，「投資回報率」與「未來擴充性」是決策者最關心的議題。通訊標準演進迅速，今天可能只需要測試 4 GHz 的 Sub-6GHz 濾波器，明天可能就需要測試 20 GHz 甚至更高頻段的毫米波元件。如果每次頻段需求改變都要重新購買整台儀器，將是巨大的成本負擔。
R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 引入了靈活的頻率升級概念。其基礎單元涵蓋了從 9 kHz 開始的低頻段，並根據不同的接頭類型與型號，最高可支援至 54 GHz。
R&S ZNB3004： N 型接頭，基礎覆蓋至 4.5 GHz，可升級至 9 GHz。
R&S ZNB3020： 3.5 mm 接頭，覆蓋至 20 GHz，可升級至 26.5 GHz。
R&S ZNB3032： 2.92 mm 接頭，覆蓋至 32 GHz，可升級至 43.5 GHz。
R&S ZNB3044： 1.85 mm 接頭，覆蓋至 43.5 GHz，最高可升級至 54 GHz。
這種「隨需升級」的設計理念，讓企業可以在初期以較低的成本導入設備，待未來業務擴展至更高頻段時，再透過選件進行升級，無需更換主機，完美保護了硬體資產的價值。
多埠測試與大規模生產解決方案
對於現代多頻段、多模組的手機或基地台前端，單一濾波器模組往往整合了多個通道。傳統的 2 埠或 4 埠 VNA 在測試這類元件時，需要頻繁地插拔纜線或使用外部開關，不僅效率低下，還容易因接頭磨損引入誤差。
R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 原生支援開關矩陣（Switch Matrix），例如 R&S ZN-Z8x 系列。透過這種整合方案，測試埠數可以擴充至 48 埠甚至更多，支援全縱橫（Full-crossbar）測量。這意味著可以一次連接擁有多個輸入輸出的複雜濾波器模組，一次性完成所有路徑的 S 參數測量，或者在生產線上同時測試多個待測物（Multi-site testing），讓產能翻倍。
此外，考慮到生產環境中的線纜損耗，該儀器提供的高輸出功率能夠有效補償測試治具、開關矩陣及長電纜帶來的訊號衰減，確保到達待測物端的訊號仍具有足夠的信噪比（SNR），維持測量的準確性。
結論：定義濾波器測試的新標準
回顧射頻測試的發展歷程，我們可以看到硬體效能的提升始終是為了應對更複雜的物理訊號挑戰。在 5G 與未來通訊技術的推動下，濾波器的設計正處於一個轉折點：更高的頻率、更寬的頻寬、更陡峭的濾波邊緣。
R&S®ZNB3000 向量網路分析儀 不僅僅是一台測量儀器，它是一個針對濾波器特性分析優化的完整解決方案。從底層的 DDS 合成技術到 160 dB 的動態範圍，從智慧化的分段掃描到靈活的頻率升級路徑，每一個細節都體現了對使用者需求的深刻理解。
對於追求極致研發精度的實驗室，它提供了無可比擬的訊號清晰度與相位穩定性；對於追求產能效率的製造工廠，它提供了極速的掃描能力與多埠擴充性。在競爭激烈的無線通訊市場中，擁有精準且高效的測試工具，往往是產品能否快速上市、搶佔先機的決定性因素。R&S ZNB3000 無疑為這一領域設立了新的黃金標準，協助工程師在頻譜的海洋中，精準地捕捉每一個訊號的細節。
