芯耀
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一、前言
群时延（Group Delay）尽管是一种更为复杂的测量参数，但在分析电子器件行为时起着关键作用。利用矢量网络分析仪可简化群时延的测量过程，该参数通常在时域中以秒为单位表示，表征信号通过特定器件时其传输时间随频率的变化关系。群时延测量的核心在于理解信号通过器件传输时的时间特性。
此外，测量群时延的主要目的是评估器件引入的相位失真。相位失真可能在无线通信中引发调制解调问题，而这种失真通常源于器件内部的非线性特性。尽管无源器件通常呈现线性特性（即群时延随频率变化的偏差极小），但测量中仍可能出现异常。频率点之间的测量差异可能表明器件存在非线性及潜在的相位失真。因此，群时延测量是确保电子元件线性行为、识别可能影响性能的相位相关异常的重要工具。
为了深入探究群时延测量的根源，我们可以考察相位与频率的关系。当对一个元件进行频率扫描时，会观察到输出端的相位随频率变化而逐渐增加。其基本原理是，随着频率变化，波长会缩短。理想情况下，在一个完美工作的系统中，这种关系应呈线性变化。然而，与线性的偏离会表现为相位响应的波动。从本质上讲，器件的平均线性相位代表了预期行为，而偏差则会导致相位失真。这些通常表现为波峰和波谷的偏差，标志着与预期线性响应的偏离，为了解器件的性能特征和潜在失真提供了有价值的参考。
二、相位测量与群时延计算
群时延的基础源于相位测量，从相位测量中推导群时延，可将其视为相位对频率的负导数。本质上，群时延表征相位曲线的斜率。然而，为了以时间单位表示，需要将相位转换为时间度量。在理想情况下，结果应为常数或平坦直线，表明相位响应平滑且呈线性。任何偏离该常数的情况均代表前文所述的相位失真——需要仔细分析和量化的起伏变化。实际上，群时延成为封装这些相位失真时间影响的可量化指标，有助于全面评估器件的性能。
三、举一个例子
让我们看看典型passive filter的group delay是什么。例如，设计一个7阶LC低通滤波器，截止频率为1MHz。如图所示，选择切比雪夫响应，以便获得一个陡峭的截断值。滤波器的计算响应在低音带中具有1dB的纹波，从3MHz开始衰减超过30dB。
滤波器的相移以蓝色显示，显然与直线相去甚远，特别是接近1MHz，这是滤波器的截止频率。相应的group delay以红色绘制。它在滤波器的通带中约为1μs，但对于接近1MHz的频率，它会跳升至4μs。事实上，这个例子显示了一个常见的现象。滤波器或多或少具有远离其截止频率的平坦群延迟，但在其过渡区域中可能会急剧恶化，尤其是当它们具有陡峭的过渡时。
1、滤波器群时延对IQ信号的影响
群时延是相位响应的导数，反映信号各频率分量的传输延迟差异。若群时延不平坦（如高阶滤波器通带边缘的峰值），不同频率成分到达时间不一致，导致IQ信号的相位关系紊乱。
会导致信号波形失真，可能引发符号间干扰（ISI），如下图所示，尤其在多径环境下更显著。并且在相位调制系统（如QPSK、QAM）中，相位失真直接影响解调结果，导致误码率增加。
2、滤波器群时延对下行信号EVM的影响
群时延波动导致信号相位非线性变化，误差向量幅度（EVM）作为衡量实际信号与理想信号差异的指标，会因相位失真而直接恶化。并且群时延不均匀性使信号频谱展宽，超出接收机匹配滤波器带宽，进一步降低EVM性能。
3、滤波器群时延对上行信号灵敏度的影响
群时延波动增加接收机对相位噪声的敏感度，导致上行信号解调所需信噪比（SNR）提高，灵敏度下降。并且相位失真可能使接收机噪声系数（NF）变差，限制最小可检测信号功率。
在基带部分采用自适应均衡器可部分抵消群时延影响，但会增加系统复杂度和功耗，下图是使用自适应均衡器前后群时延的对比，可以看到自适应均衡器对群时延的改善还是很有效果的。
四、使用矢量网络分析仪测量群时延的实用方法
在明确群时延的理论基础后，我们来探讨实际测量方法。矢量网络分析仪（VNA）的应用极大简化了这一过程，但需特别注意一个关键要点——精确的参考校准至关重要。务必确保测量直接以被测器件（DUT）为基准，或尽可能贴近目标元件。这一校准对大多数应用而言是可靠性的核心，可确保测量结果的有效性。
VNA作为多功能仪器，不仅能提供相位测量数据，在某些情况下还支持直接显示群时延。这一人性化功能将复杂的测量转化为直观操作。
1、优化群时延测量的技巧
（1）校准精度优化：
使用VNA时，确保测量参考点尽可能贴近被测端口或元件。在高精度需求场景（如射频元件研发、通信系统调试）中，这一操作对结果的准确性和适用性至关重要。
（2）全频段特性分析：
群时延可能随频率变化而波动。若VNA支持直接显示群时延，建议在全频段范围内扫描分析。例如，观察低、中、高频段的群时延曲线是否平坦，可识别器件在特定频率下的相位失真风险（如滤波器通带边缘的群时延波动）。
（3）环境因素影响评估：
- 温度：电子元件的介电常数和阻抗可能随温度变化，导致群时延漂移（如射频放大器在高温下的群时延增加）。
- 信号功率：高功率信号可能引发器件非线性效应（如放大器饱和），改变群时延特性。建议在不同输入功率电平下重复测量（如-20dBm至+10dBm区间）。
- 外部干扰：确保测量环境远离电磁干扰源，避免杂散信号对相位测量造成误差。
（4）技术迭代与设备更新：
关注VNA厂商的功能升级（如新型VNA可能支持实时群时延跟踪、自动化温度补偿算法）。例如，部分高端VNA已集成人工智能算法，可自动拟合相位曲线并计算群时延的统计分布（如均方根误差），提升测量效率与精度。
总结
群时延作为衡量电子器件相位失真的关键参数，通过矢量网络分析仪可实现高效测量，其波动直接反映信号传输的时间特性差异。本文从理论推导、滤波器实例到VNA测量方法，系统揭示了群时延对通信性能的影响机制，包括IQ信号失真、EVM恶化及接收灵敏度下降。通过优化校准精度、全频段分析及环境因素控制，可显著提升测量可靠性。未来随着VNA技术迭代，实时跟踪与自动化补偿功能将进一步简化群时延评估，为高频电路与通信系统设计提供更精准的时域特性分析手段。
