脈沖S參數(shù)測(cè)量技術(shù)的最新進(jìn)展

 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)的散射參數(shù)測(cè)量常采用給待測(cè)設(shè)備(DUT)加上連續(xù)波(CW)激勵(lì)來進(jìn)行。然而，在有些情況下，可能需要使用脈沖激勵(lì)S參數(shù)測(cè)量。例如，CW測(cè)量中的熱累積可能會(huì)損傷沒有熱耦合的DUT(如功率晶體管)，而用脈沖測(cè)量就可以安全地測(cè)量到其特性。適當(dāng)?shù)剡x擇脈沖激勵(lì)的占空比，可將這些測(cè)量的平均功率保持在低水平下，避免過熱現(xiàn)象的發(fā)生。另一個(gè)例子是測(cè)量可能在脈沖或突發(fā)信號(hào)下正常工作的DUT，如在雷達(dá)系統(tǒng)和很多數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)中就有。脈沖S參數(shù)測(cè)量依靠能產(chǎn)生并能精確測(cè)量脈沖正弦信號(hào)的VNA。
        借助某些數(shù)學(xué)分析可形象化觀察脈沖信號(hào)譜。方程1描述了一種時(shí)域脈沖信號(hào)。對(duì)脈沖寬度為PW的信號(hào)，脈沖信號(hào)的視覺表現(xiàn)首先構(gòu)成矩形窗口[rect(t)]。

        然后構(gòu)成一個(gè)Shah函數(shù)，此函數(shù)由一周期脈沖串組成，間隔為1/PRF，這里PRF為脈沖重復(fù)頻率。這也可以看作間隔等于脈沖周期的脈沖。窗口形式的信號(hào)隨后與shah函數(shù)卷積分，產(chǎn)生一個(gè)與此脈沖信號(hào)時(shí)間相關(guān)的周期脈沖串。

        方程2給出了時(shí)域脈沖信號(hào)的傅立葉變換，它說明脈沖信號(hào)的頻譜是一正弦函數(shù)的采樣，采樣點(diǎn)數(shù)(得到的信號(hào))等于PRF。

        圖1a為一個(gè)信號(hào)脈沖譜的例子，信號(hào)的PRF為1.69kHz，脈沖寬度為7μs。圖1b為相同的脈沖譜在基本頻率處受到脈沖激發(fā)(曲線的中心)處的放大圖。注意：該譜有多個(gè)離基頻為nPRF的成分。此基頻包含有測(cè)量信息。PRF頻是基頻受到激發(fā)的偽成分。另外還值得注意的是，靠近基頻的譜分量的幅度相對(duì)要大。

        安捷倫公司的Agilent PNA-X系列VNA能夠提供脈沖激勵(lì)，并可精確測(cè)量脈沖響應(yīng)。此高度集成的S參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(見圖2a)的內(nèi)部信號(hào)布線復(fù)雜(見圖2b)，能產(chǎn)生并分析CW和脈沖激勵(lì)響應(yīng)。內(nèi)部測(cè)試信號(hào)發(fā)生器由內(nèi)部源調(diào)制，產(chǎn)生10MHz～26.5GHz頻率的激勵(lì)脈沖。

        VNA的內(nèi)部源可產(chǎn)生的最小脈沖寬度為33ns(通常比此更窄)。

        采用一種集成脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖測(cè)量時(shí)序，這種集成脈沖發(fā)生器有4個(gè)主輸出通道，每個(gè)通道的延遲和寬度都是獨(dú)立的?？梢栽赑NA-X內(nèi)部對(duì)輸出通道進(jìn)行連接，以驅(qū)動(dòng)調(diào)制器和采樣電路，和/或在外部連接以驅(qū)動(dòng)外設(shè)。脈沖發(fā)生器的定時(shí)建立在60MHz時(shí)鐘基礎(chǔ)上，因而時(shí)間分辨率為16.7ns。因?yàn)檫@些脈沖發(fā)生器的測(cè)量通道相互獨(dú)立，每個(gè)通道都能有獨(dú)立的脈沖發(fā)生器設(shè)定。這樣，就可以同時(shí)測(cè)量并在單獨(dú)一個(gè)顯示器上顯示多種測(cè)量結(jié)果，包括脈沖成形、脈沖內(nèi)取點(diǎn)、增益壓縮。PNA-X接收器專為CW和脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)，使其有最佳靈敏度。

        PNA-X VNA能以寬帶和窄帶模式進(jìn)行脈沖測(cè)量，兩種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)代VNA(如PNA-X)兩種檢波模式都有，操作者可以靈活選擇測(cè)量，使其適合DUT的特性。

        寬帶檢波適合多數(shù)脈沖RF譜落在VNA的接收器帶寬范圍內(nèi)這種情況，可用模擬電路或數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于寬帶檢波，VNA的各接收檢波器與脈沖流同步，僅在脈沖處于“開”狀態(tài)時(shí)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因?yàn)檫@一方法包含一個(gè)同步到PRF的脈沖觸發(fā)器，用以觸發(fā)分析儀，所以常常稱作同步采集模式(圖3)。這種模式下的時(shí)間分辨率是接收器檢波帶寬的函數(shù)。確定近似時(shí)間分辨率的一個(gè)好方法是使用帶寬的倒數(shù)，即1/BW。

        寬帶模式的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于低占空比脈沖，動(dòng)態(tài)范圍沒有損失，信噪比(SNR)隨占空比的變化相對(duì)固定。其缺點(diǎn)是可測(cè)量脈沖寬度的限值要低。隨著信號(hào)脈沖寬度越來越窄，譜能量傳播的帶寬更寬。當(dāng)落在接收器帶寬之外的脈沖的功率足夠大時(shí)，接收器無法繼續(xù)正常檢測(cè)脈沖。在時(shí)域范圍來看，接收器不能再檢測(cè)短于接收器上升時(shí)間的脈沖。要測(cè)量更短的脈沖，必須采用更寬的檢波帶寬。隨著接收器帶寬的增加，噪聲量也隨之提高，降低了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

        PNA-X VNA提供的寬帶模式檢波帶寬可寬至5MHz，這樣就具有約250ns的時(shí)間分辨率(能精確測(cè)量的最小脈沖寬度)。在寬帶模式下配置PNA-X很簡(jiǎn)單。可將脈沖發(fā)生器配置為不僅觸發(fā)內(nèi)部源調(diào)制，而且也可內(nèi)部觸發(fā)測(cè)量，以便數(shù)據(jù)采集與進(jìn)來的RF脈沖同步(不需要外部觸發(fā)線纜)。于是，PNA-X可配置為脈沖內(nèi)取點(diǎn)、脈沖成形、或者脈沖-脈沖測(cè)量都在一個(gè)顯示器上顯示。

        在窄帶檢波模式中，脈沖寬度通常比數(shù)字化并獲取一個(gè)分立的數(shù)據(jù)點(diǎn)所需要的最短時(shí)間要小得多(見圖4)。有了這個(gè)技術(shù)，除中心頻率成分外的所有脈沖譜都可以通過濾波除去，此中心頻率成分代表RF載波頻率。濾波后，脈沖RF信號(hào)表現(xiàn)為正弦或CW信號(hào)。采用窄帶檢波，分析儀取樣與進(jìn)來的脈沖不同步(因此不需要同步測(cè)量觸發(fā))，所以此技術(shù)也稱作異步采集模式。因?yàn)榕c接收器IF帶寬相比，這種方法的PRF要高，所以也稱作“高PRF”模式。

        安捷倫公司開發(fā)出了一種新穎的在IF帶寬基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)窄帶檢波的方法，這種IF帶寬比窄帶模式下正常使用的帶寬更寬。這種獨(dú)特的方法稱作“譜歸零”(圖5)。在此有效的檢波模式方法中，在脈沖信號(hào)的PRF基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)“相匹配的”數(shù)字濾波器。此技術(shù)可讓用戶犧牲動(dòng)態(tài)范圍以換取速度，與用傳統(tǒng)濾波來完成的脈沖測(cè)量相比，速度幾乎總是更高。

        由于濾除了譜成分，窄帶檢波的優(yōu)點(diǎn)是沒有窄脈沖寬度限制，缺點(diǎn)是測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍是占空比的函數(shù)。隨著占空比的減小(即兩脈沖之間的時(shí)間更長(zhǎng))，平均功率減少，使信噪比(SNR)降低。這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍隨占空比的減小而減小。這一效應(yīng)稱為“脈沖減敏現(xiàn)象”。在前幾代脈沖VNA中，動(dòng)態(tài)范圍(單位為dB)的降低量可表示為20log(占空比)。通過增加新型的先進(jìn)的脈沖檢波方案，PNAX大大改善了接收器脈沖減敏現(xiàn)象。

        PNA-X采用了新的硬件和軟件技術(shù)/算法，大大改善了這種局限性，這種技術(shù)/算法可充分減小20log(占空比)的脈沖減敏。兩個(gè)主要進(jìn)步是增強(qiáng)的硬件選通和軟件選通。為改進(jìn)PNA-X的時(shí)間分辨率，在IF路徑上加入了選通開關(guān)(圖6)。選通開關(guān)接收其中一個(gè)脈沖發(fā)生器輸出通道的時(shí)序，此輸出通道設(shè)置脈沖周期、寬度和延遲。選通開關(guān)的寬度提供脈沖內(nèi)取點(diǎn)及脈沖成形測(cè)量的時(shí)間分辨率。

        IF路徑的噪聲指數(shù)常由上游接收器級(jí)決定。在IF選通之前，給來自上游接收器路徑的信號(hào)提供盡可能大的增益，可改善IF。設(shè)置的水平要使選通開關(guān)不壓縮，峰值脈沖包絡(luò)能量可相對(duì)無改變地通過。選通開關(guān)然后用于時(shí)間區(qū)分(時(shí)間分辨率)。由于占空比隨選通開關(guān)重復(fù)率和寬度而變化，所以噪聲功率(單位為dB)以10log(占空比)降低，脈沖譜的中心頻率成分以20log(占空比)降低?？偨Y(jié)果是動(dòng)態(tài)范圍減小近10log(占空比)，而非以前VNA實(shí)現(xiàn)方案的20log(占空比)。

        在不想要的脈沖譜和附加噪聲到達(dá)下游放大器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前，使用晶體濾波器將其去除。注意：除去這些脈沖譜成分可減小峰值包絡(luò)響應(yīng)，因此可防止下游壓縮，同時(shí)降低系統(tǒng)噪聲。在以前的硬件選通中，選通開關(guān)后的噪聲指數(shù)并沒有比選通開關(guān)前的好多少，所以選通噪聲不會(huì)使數(shù)字化噪聲功率下降。這樣會(huì)導(dǎo)致無噪聲功率選通(噪聲功率不隨選通改變)，使動(dòng)態(tài)范圍以函數(shù)20log(占空比)變化。譜歸零匹配濾波器隨后被用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以除去感興趣的RF載波以外的所有殘留的脈沖譜。

        窄帶檢波模式是一種異步脈沖測(cè)量，其中數(shù)字轉(zhuǎn)換器在連續(xù)測(cè)量信號(hào)的同時(shí)，分析儀在處理所有數(shù)字化信息。這就意味著即使選通開關(guān)關(guān)閉，仍在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和處理(圖7)。IF選通開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下的任何殘留譜隔離和噪聲都是不希望的，因?yàn)檎嬲信d趣的是在選通開關(guān)打開時(shí)所發(fā)生的情況。在理想情況下，完美的選通開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)沒有信號(hào)或噪聲，以避免數(shù)字化額外噪聲，否則，這種額外噪聲會(huì)增加測(cè)量噪聲，降低測(cè)量結(jié)果的精度。

        一種除去選通開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下不想要的殘余譜的方法是使用軟件選通(圖8)。在VNA內(nèi)部集成脈沖發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)之一是“”精確的脈沖發(fā)生器時(shí)序是已知的，因而也可以準(zhǔn)確地了解選通開關(guān)打開和關(guān)閉的時(shí)序。一旦數(shù)據(jù)被數(shù)字化，就可以有效地在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)上做時(shí)序標(biāo)志，此數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于選通開關(guān)打開和關(guān)閉的時(shí)間。這樣就能知道哪些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)成分對(duì)應(yīng)于選通開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，哪些成分對(duì)應(yīng)于關(guān)閉狀態(tài)。由于選通開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)的殘留譜只降低測(cè)量精度，所以將此數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置為零，使此數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)成為極好的無噪聲無信號(hào)元素。由于極大地降低了SNR的噪聲成分，這樣可充分提高測(cè)量靈敏度。

        與以前的窄帶檢波技術(shù)VNA模式比較，增強(qiáng)的硬件和軟件選通實(shí)現(xiàn)極大地提高了靈敏度。圖9說明了在使用不同的脈沖檢波技術(shù)情況下動(dòng)態(tài)范圍提高的情況。由于占空比很低(0.001%)，脈沖寬度也非常窄，所以這種情況的測(cè)量難度很大。硬件和軟件改進(jìn)恰好補(bǔ)充了本身的不足，因?yàn)橛布x通將噪聲減少到上游接收器鏈過度噪聲點(diǎn)，之后，接收器選通和軟件選通算法通過消除選通開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)的噪聲來進(jìn)一步減少噪聲。在這些方面的增強(qiáng)充分改善了脈沖靈敏度，因此提高了測(cè)量精度。

        采用像安捷倫PNA-X系列的現(xiàn)代VNA，硬件集成和測(cè)量算法的進(jìn)步極大地提高了靈敏度，脈沖S參數(shù)的精度也因此得以提高。寬帶和窄帶檢波模式為精確測(cè)量DUT的脈沖S參數(shù)提供了靈活的測(cè)量場(chǎng)景。這些進(jìn)步使動(dòng)態(tài)范圍比以前窄帶檢波技術(shù)的有了非常大的提高。測(cè)量脈沖S參數(shù)時(shí)，PNA-X系列網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)該配置為選項(xiàng)021、022、025和H08。