芯耀
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一、前言
群時延（Group Delay）盡管是一種更為復(fù)雜的測量參數(shù)，但在分析電子器件行為時起著關(guān)鍵作用。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可簡化群時延的測量過程，該參數(shù)通常在時域中以秒為單位表示，表征信號通過特定器件時其傳輸時間隨頻率的變化關(guān)系。群時延測量的核心在于理解信號通過器件傳輸時的時間特性。
此外，測量群時延的主要目的是評估器件引入的相位失真。相位失真可能在無線通信中引發(fā)調(diào)制解調(diào)問題，而這種失真通常源于器件內(nèi)部的非線性特性。盡管無源器件通常呈現(xiàn)線性特性（即群時延隨頻率變化的偏差極?。?，但測量中仍可能出現(xiàn)異常。頻率點之間的測量差異可能表明器件存在非線性及潛在的相位失真。因此，群時延測量是確保電子元件線性行為、識別可能影響性能的相位相關(guān)異常的重要工具。
為了深入探究群時延測量的根源，我們可以考察相位與頻率的關(guān)系。當對一個元件進行頻率掃描時，會觀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，波長會縮短。理想情況下，在一個完美工作的系統(tǒng)中，這種關(guān)系應(yīng)呈線性變化。然而，與線性的偏離會表現(xiàn)為相位響應(yīng)的波動。從本質(zhì)上講，器件的平均線性相位代表了預(yù)期行為，而偏差則會導(dǎo)致相位失真。這些通常表現(xiàn)為波峰和波谷的偏差，標志著與預(yù)期線性響應(yīng)的偏離，為了解器件的性能特征和潛在失真提供了有價值的參考。
二、相位測量與群時延計算
群時延的基礎(chǔ)源于相位測量，從相位測量中推導(dǎo)群時延，可將其視為相位對頻率的負導(dǎo)數(shù)。本質(zhì)上，群時延表征相位曲線的斜率。然而，為了以時間單位表示，需要將相位轉(zhuǎn)換為時間度量。在理想情況下，結(jié)果應(yīng)為常數(shù)或平坦直線，表明相位響應(yīng)平滑且呈線性。任何偏離該常數(shù)的情況均代表前文所述的相位失真——需要仔細分析和量化的起伏變化。實際上，群時延成為封裝這些相位失真時間影響的可量化指標，有助于全面評估器件的性能。
三、舉一個例子
讓我們看看典型passive filter的group delay是什么。例如，設(shè)計一個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)，以便獲得一個陡峭的截斷值。濾波器的計算響應(yīng)在低音帶中具有1dB的紋波，從3MHz開始衰減超過30dB。
濾波器的相移以藍色顯示，顯然與直線相去甚遠，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，但對于接近1MHz的頻率，它會跳升至4μs。事實上，這個例子顯示了一個常見的現(xiàn)象。濾波器或多或少具有遠離其截止頻率的平坦群延遲，但在其過渡區(qū)域中可能會急劇惡化，尤其是當它們具有陡峭的過渡時。
1、濾波器群時延對IQ信號的影響
群時延是相位響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，反映信號各頻率分量的傳輸延遲差異。若群時延不平坦（如高階濾波器通帶邊緣的峰值），不同頻率成分到達時間不一致，導(dǎo)致IQ信號的相位關(guān)系紊亂。
會導(dǎo)致信號波形失真，可能引發(fā)符號間干擾（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、濾波器群時延對下行信號EVM的影響
群時延波動導(dǎo)致信號相位非線性變化，誤差向量幅度（EVM）作為衡量實際信號與理想信號差異的指標，會因相位失真而直接惡化。并且群時延不均勻性使信號頻譜展寬，超出接收機匹配濾波器帶寬，進一步降低EVM性能。
3、濾波器群時延對上行信號靈敏度的影響
群時延波動增加接收機對相位噪聲的敏感度，導(dǎo)致上行信號解調(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噪聲系數(shù)（NF）變差，限制最小可檢測信號功率。
在基帶部分采用自適應(yīng)均衡器可部分抵消群時延影響，但會增加系統(tǒng)復(fù)雜度和功耗，下圖是使用自適應(yīng)均衡器前后群時延的對比，可以看到自適應(yīng)均衡器對群時延的改善還是很有效果的。
四、使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量群時延的實用方法
在明確群時延的理論基礎(chǔ)后，我們來探討實際測量方法。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的應(yīng)用極大簡化了這一過程，但需特別注意一個關(guān)鍵要點——精確的參考校準至關(guān)重要。務(wù)必確保測量直接以被測器件（DUT）為基準，或盡可能貼近目標元件。這一校準對大多數(shù)應(yīng)用而言是可靠性的核心，可確保測量結(jié)果的有效性。
VNA作為多功能儀器，不僅能提供相位測量數(shù)據(jù)，在某些情況下還支持直接顯示群時延。這一人性化功能將復(fù)雜的測量轉(zhuǎn)化為直觀操作。
1、優(yōu)化群時延測量的技巧
（1）校準精度優(yōu)化：
使用VNA時，確保測量參考點盡可能貼近被測端口或元件。在高精度需求場景（如射頻元件研發(fā)、通信系統(tǒng)調(diào)試）中，這一操作對結(jié)果的準確性和適用性至關(guān)重要。
（2）全頻段特性分析：
群時延可能隨頻率變化而波動。若VNA支持直接顯示群時延，建議在全頻段范圍內(nèi)掃描分析。例如，觀察低、中、高頻段的群時延曲線是否平坦，可識別器件在特定頻率下的相位失真風(fēng)險（如濾波器通帶邊緣的群時延波動）。
（3）環(huán)境因素影響評估：
- 溫度：電子元件的介電常數(shù)和阻抗可能隨溫度變化，導(dǎo)致群時延漂移（如射頻放大器在高溫下的群時延增加）。
- 信號功率：高功率信號可能引發(fā)器件非線性效應(yīng)（如放大器飽和），改變?nèi)簳r延特性。建議在不同輸入功率電平下重復(fù)測量（如-20dBm至+10dBm區(qū)間）。
- 外部干擾：確保測量環(huán)境遠離電磁干擾源，避免雜散信號對相位測量造成誤差。
（4）技術(shù)迭代與設(shè)備更新：
關(guān)注VNA廠商的功能升級（如新型VNA可能支持實時群時延跟蹤、自動化溫度補償算法）。例如，部分高端VNA已集成人工智能算法，可自動擬合相位曲線并計算群時延的統(tǒng)計分布（如均方根誤差），提升測量效率與精度。
總結(jié)
群時延作為衡量電子器件相位失真的關(guān)鍵參數(shù)，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可實現(xiàn)高效測量，其波動直接反映信號傳輸的時間特性差異。本文從理論推導(dǎo)、濾波器實例到VNA測量方法，系統(tǒng)揭示了群時延對通信性能的影響機制，包括IQ信號失真、EVM惡化及接收靈敏度下降。通過優(yōu)化校準精度、全頻段分析及環(huán)境因素控制，可顯著提升測量可靠性。未來隨著VNA技術(shù)迭代，實時跟蹤與自動化補償功能將進一步簡化群時延評估，為高頻電路與通信系統(tǒng)設(shè)計提供更精準的時域特性分析手段。
