芯耀
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一、前言
群時(shí)延（Group Delay）盡管是一種更為復(fù)雜的測(cè)量參數(shù)，但在分析電子器件行為時(shí)起著關(guān)鍵作用。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可簡(jiǎn)化群時(shí)延的測(cè)量過(guò)程，該參數(shù)通常在時(shí)域中以秒為單位表示，表征信號(hào)通過(guò)特定器件時(shí)其傳輸時(shí)間隨頻率的變化關(guān)系。群時(shí)延測(cè)量的核心在于理解信號(hào)通過(guò)器件傳輸時(shí)的時(shí)間特性。
此外，測(cè)量群時(shí)延的主要目的是評(píng)估器件引入的相位失真。相位失真可能在無(wú)線(xiàn)通信中引發(fā)調(diào)制解調(diào)問(wèn)題，而這種失真通常源于器件內(nèi)部的非線(xiàn)性特性。盡管無(wú)源器件通常呈現(xiàn)線(xiàn)性特性（即群時(shí)延隨頻率變化的偏差極?。珳y(cè)量中仍可能出現(xiàn)異常。頻率點(diǎn)之間的測(cè)量差異可能表明器件存在非線(xiàn)性及潛在的相位失真。因此，群時(shí)延測(cè)量是確保電子元件線(xiàn)性行為、識(shí)別可能影響性能的相位相關(guān)異常的重要工具。
為了深入探究群時(shí)延測(cè)量的根源，我們可以考察相位與頻率的關(guān)系。當(dāng)對(duì)一個(gè)元件進(jìn)行頻率掃描時(shí)，會(huì)觀(guān)察到輸出端的相位隨頻率變化而逐漸增加。其基本原理是，隨著頻率變化，波長(zhǎng)會(huì)縮短。理想情況下，在一個(gè)完美工作的系統(tǒng)中，這種關(guān)系應(yīng)呈線(xiàn)性變化。然而，與線(xiàn)性的偏離會(huì)表現(xiàn)為相位響應(yīng)的波動(dòng)。從本質(zhì)上講，器件的平均線(xiàn)性相位代表了預(yù)期行為，而偏差則會(huì)導(dǎo)致相位失真。這些通常表現(xiàn)為波峰和波谷的偏差，標(biāo)志著與預(yù)期線(xiàn)性響應(yīng)的偏離，為了解器件的性能特征和潛在失真提供了有價(jià)值的參考。
二、相位測(cè)量與群時(shí)延計(jì)算
群時(shí)延的基礎(chǔ)源于相位測(cè)量，從相位測(cè)量中推導(dǎo)群時(shí)延，可將其視為相位對(duì)頻率的負(fù)導(dǎo)數(shù)。本質(zhì)上，群時(shí)延表征相位曲線(xiàn)的斜率。然而，為了以時(shí)間單位表示，需要將相位轉(zhuǎn)換為時(shí)間度量。在理想情況下，結(jié)果應(yīng)為常數(shù)或平坦直線(xiàn)，表明相位響應(yīng)平滑且呈線(xiàn)性。任何偏離該常數(shù)的情況均代表前文所述的相位失真——需要仔細(xì)分析和量化的起伏變化。實(shí)際上，群時(shí)延成為封裝這些相位失真時(shí)間影響的可量化指標(biāo)，有助于全面評(píng)估器件的性能。
三、舉一個(gè)例子
讓我們看看典型passive filter的group delay是什么。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)7階LC低通濾波器，截止頻率為1MHz。如圖所示，選擇切比雪夫響應(yīng)，以便獲得一個(gè)陡峭的截?cái)嘀?。濾波器的計(jì)算響應(yīng)在低音帶中具有1dB的紋波，從3MHz開(kāi)始衰減超過(guò)30dB。
濾波器的相移以藍(lán)色顯示，顯然與直線(xiàn)相去甚遠(yuǎn)，特別是接近1MHz，這是濾波器的截止頻率。相應(yīng)的group delay以紅色繪制。它在濾波器的通帶中約為1μs，但對(duì)于接近1MHz的頻率，它會(huì)跳升至4μs。事實(shí)上，這個(gè)例子顯示了一個(gè)常見(jiàn)的現(xiàn)象。濾波器或多或少具有遠(yuǎn)離其截止頻率的平坦群延遲，但在其過(guò)渡區(qū)域中可能會(huì)急劇惡化，尤其是當(dāng)它們具有陡峭的過(guò)渡時(shí)。
1、濾波器群時(shí)延對(duì)IQ信號(hào)的影響
群時(shí)延是相位響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，反映信號(hào)各頻率分量的傳輸延遲差異。若群時(shí)延不平坦（如高階濾波器通帶邊緣的峰值），不同頻率成分到達(dá)時(shí)間不一致，導(dǎo)致IQ信號(hào)的相位關(guān)系紊亂。
會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形失真，可能引發(fā)符號(hào)間干擾（ISI），如下圖所示，尤其在多徑環(huán)境下更顯著。并且在相位調(diào)制系統(tǒng)（如QPSK、QAM）中，相位失真直接影響解調(diào)結(jié)果，導(dǎo)致誤碼率增加。
2、濾波器群時(shí)延對(duì)下行信號(hào)EVM的影響
群時(shí)延波動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)相位非線(xiàn)性變化，誤差向量幅度（EVM）作為衡量實(shí)際信號(hào)與理想信號(hào)差異的指標(biāo)，會(huì)因相位失真而直接惡化。并且群時(shí)延不均勻性使信號(hào)頻譜展寬，超出接收機(jī)匹配濾波器帶寬，進(jìn)一步降低EVM性能。
3、濾波器群時(shí)延對(duì)上行信號(hào)靈敏度的影響
群時(shí)延波動(dòng)增加接收機(jī)對(duì)相位噪聲的敏感度，導(dǎo)致上行信號(hào)解調(diào)所需信噪比（SNR）提高，靈敏度下降。并且相位失真可能使接收機(jī)噪聲系數(shù)（NF）變差，限制最小可檢測(cè)信號(hào)功率。
在基帶部分采用自適應(yīng)均衡器可部分抵消群時(shí)延影響，但會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度和功耗，下圖是使用自適應(yīng)均衡器前后群時(shí)延的對(duì)比，可以看到自適應(yīng)均衡器對(duì)群時(shí)延的改善還是很有效果的。
四、使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量群時(shí)延的實(shí)用方法
在明確群時(shí)延的理論基礎(chǔ)后，我們來(lái)探討實(shí)際測(cè)量方法。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的應(yīng)用極大簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，但需特別注意一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)——精確的參考校準(zhǔn)至關(guān)重要。務(wù)必確保測(cè)量直接以被測(cè)器件（DUT）為基準(zhǔn)，或盡可能貼近目標(biāo)元件。這一校準(zhǔn)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言是可靠性的核心，可確保測(cè)量結(jié)果的有效性。
VNA作為多功能儀器，不僅能提供相位測(cè)量數(shù)據(jù)，在某些情況下還支持直接顯示群時(shí)延。這一人性化功能將復(fù)雜的測(cè)量轉(zhuǎn)化為直觀(guān)操作。
1、優(yōu)化群時(shí)延測(cè)量的技巧
（1）校準(zhǔn)精度優(yōu)化：
使用VNA時(shí)，確保測(cè)量參考點(diǎn)盡可能貼近被測(cè)端口或元件。在高精度需求場(chǎng)景（如射頻元件研發(fā)、通信系統(tǒng)調(diào)試）中，這一操作對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性至關(guān)重要。
（2）全頻段特性分析：
群時(shí)延可能隨頻率變化而波動(dòng)。若VNA支持直接顯示群時(shí)延，建議在全頻段范圍內(nèi)掃描分析。例如，觀(guān)察低、中、高頻段的群時(shí)延曲線(xiàn)是否平坦，可識(shí)別器件在特定頻率下的相位失真風(fēng)險(xiǎn)（如濾波器通帶邊緣的群時(shí)延波動(dòng)）。
（3）環(huán)境因素影響評(píng)估：
- 溫度：電子元件的介電常數(shù)和阻抗可能隨溫度變化，導(dǎo)致群時(shí)延漂移（如射頻放大器在高溫下的群時(shí)延增加）。
- 信號(hào)功率：高功率信號(hào)可能引發(fā)器件非線(xiàn)性效應(yīng)（如放大器飽和），改變?nèi)簳r(shí)延特性。建議在不同輸入功率電平下重復(fù)測(cè)量（如-20dBm至+10dBm區(qū)間）。
- 外部干擾：確保測(cè)量環(huán)境遠(yuǎn)離電磁干擾源，避免雜散信號(hào)對(duì)相位測(cè)量造成誤差。
（4）技術(shù)迭代與設(shè)備更新：
關(guān)注VNA廠(chǎng)商的功能升級(jí)（如新型VNA可能支持實(shí)時(shí)群時(shí)延跟蹤、自動(dòng)化溫度補(bǔ)償算法）。例如，部分高端VNA已集成人工智能算法，可自動(dòng)擬合相位曲線(xiàn)并計(jì)算群時(shí)延的統(tǒng)計(jì)分布（如均方根誤差），提升測(cè)量效率與精度。
總結(jié)
群時(shí)延作為衡量電子器件相位失真的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可實(shí)現(xiàn)高效測(cè)量，其波動(dòng)直接反映信號(hào)傳輸的時(shí)間特性差異。本文從理論推導(dǎo)、濾波器實(shí)例到VNA測(cè)量方法，系統(tǒng)揭示了群時(shí)延對(duì)通信性能的影響機(jī)制，包括IQ信號(hào)失真、EVM惡化及接收靈敏度下降。通過(guò)優(yōu)化校準(zhǔn)精度、全頻段分析及環(huán)境因素控制，可顯著提升測(cè)量可靠性。未來(lái)隨著VNA技術(shù)迭代，實(shí)時(shí)跟蹤與自動(dòng)化補(bǔ)償功能將進(jìn)一步簡(jiǎn)化群時(shí)延評(píng)估，為高頻電路與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更精準(zhǔn)的時(shí)域特性分析手段。
