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矢量網絡分析儀(VNA)的散射參數測量常采用給待測設備(DUT)加上連續波(CW)激勵來進行。然而，在有些情況下，可能需要使用脈沖激勵S參數測量。例如，CW測量中的熱累積可能會損傷沒有熱耦合的DUT(如功率晶體管)，而用脈沖測量就可以安全地測量到其特性。適當地選擇脈沖激勵的占空比，可將這些測量的平均功率保持在低水平下，避免過熱現象的發生。另一個例子是測量可能在脈沖或突發信號下正常工作的DUT，如在雷達系統和很多數字調制通信系統中就有。脈沖S參數測量依靠能產生并能精確測量脈沖正弦信號的VNA。 借助某些數學分析可形象化觀察脈沖信號譜。方程1描述了一種時域脈沖信號。對脈沖寬度為PW的信號，脈沖信號的視覺表現首先構成矩形窗口[rect(t)]。 然后構成一個Shah函數，此函數由一周期脈沖串組成，間隔為1/PRF，這里PRF為脈沖重復頻率。這也可以看作間隔等于脈沖周期的脈沖。窗口形式的信號隨后與shah函數卷積分，產生一個與此脈沖信號時間相關的周期脈沖串。 方程2給出了時域脈沖信號的傅立葉變換，它說明脈沖信號的頻譜是一正弦函數的采樣，采樣點數(得到的信號)等于PRF。 圖1a為一個信號脈沖譜的例子，信號的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(曲線的中心)處的放大圖。注意：該譜有多個離基頻為nPRF的成分。此基頻包含有測量信息。PRF頻是基頻受到激發的偽成分。另外還值得注意的是，靠近基頻的譜分量的幅度相對要大。 安捷倫公司的Agilent PNA-X系列VNA能夠提供脈沖激勵，并可精確測量脈沖響應。此高度集成的S參數測量系統(見圖2a)的內部信號布線復雜(見圖2b)，能產生并分析CW和脈沖激勵響應。內部測試信號發生器由內部源調制，產生10MHz～26.5GHz頻率的激勵脈沖。 VNA的內部源可產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生器產生脈沖測量時序，這種集成脈沖發生器有4個主輸出通道，每個通道的延遲和寬度都是獨立的。可以在PNA-X內部對輸出通道進行連接，以驅動調制器和采樣電路，和/或在外部連接以驅動外設。脈沖發生器的定時建立在60MHz時鐘基礎上，因而時間分辨率為16.7ns。因為這些脈沖發生器的測量通道相互獨立，每個通道都能有獨立的脈沖發生器設定。這樣，就可以同時測量并在單獨一個顯示器上顯示多種測量結果，包括脈沖成形、脈沖內取點、增益壓縮。PNA-X接收器專為CW和脈沖信號設計，使其有最佳靈敏度。 PNA-X VNA能以寬帶和窄帶模式進行脈沖測量，兩種模式各有優缺點。現代VNA(如PNA-X)兩種檢波模式都有，操作者可以靈活選擇測量，使其適合DUT的特性。 寬帶檢波適合多數脈沖RF譜落在VNA的接收器帶寬范圍內這種情況，可用模擬電路或數字信號處理(DSP)技術實現。對于寬帶檢波，VNA的各接收檢波器與脈沖流同步，僅在脈沖處于“開”狀態時，才進行數據采集。因為這一方法包含一個同步到PRF的脈沖觸發器，用以觸發分析儀，所以常常稱作同步采集模式(圖3)。這種模式下的時間分辨率是接收器檢波帶寬的函數。確定近似時間分辨率的一個好方法是使用帶寬的倒數，即1/BW。 寬帶模式的優點是，對于低占空比脈沖，動態范圍沒有損失，信噪比(SNR)隨占空比的變化相對固定。其缺點是可測量脈沖寬度的限值要低。隨著信號脈沖寬度越來越窄，譜能量傳播的帶寬更寬。當落在接收器帶寬之外的脈沖的功率足夠大時，接收器無法繼續正常檢測脈沖。在時域范圍來看，接收器不能再檢測短于接收器上升時間的脈沖。要測量更短的脈沖，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，降低了測量的動態范圍。 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的時間分辨率(能精確測量的最小脈沖寬度)。在寬帶模式下配置PNA-X很簡單。可將脈沖發生器配置為不僅觸發內部源調制，而且也可內部觸發測量，以便數據采集與進來的RF脈沖同步(不需要外部觸發線纜)。于是，PNA-X可配置為脈沖內取點、脈沖成形、或者脈沖-脈沖測量都在一個顯示器上顯示。 在窄帶檢波模式中，脈沖寬度通常比數字化并獲取一個分立的數據點所需要的最短時間要小得多(見圖4)。有了這個技術，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信號表現為正弦或CW信號。采用窄帶檢波，分析儀取樣與進來的脈沖不同步(因此不需要同步測量觸發)，所以此技術也稱作異步采集模式。因為與接收器IF帶寬相比，這種方法的PRF要高，所以也稱作“高PRF”模式。 安捷倫公司開發出了一種新穎的在IF帶寬基礎上實現窄帶檢波的方法，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，在脈沖信號的PRF基礎上產生一個“相匹配的”數字濾波器。此技術可讓用戶犧牲動態范圍以換取速度，與用傳統濾波來完成的脈沖測量相比，速度幾乎總是更高。 由于濾除了譜成分，窄帶檢波的優點是沒有窄脈沖寬度限制，缺點是測量動態范圍是占空比的函數。隨著占空比的減小(即兩脈沖之間的時間更長)，平均功率減少，使信噪比(SNR)降低。這樣會導致測量動態范圍隨占空比的減小而減小。這一效應稱為“脈沖減敏現象”。在前幾代脈沖VNA中，動態范圍(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的脈沖檢波方案，PNAX大大改善了接收器脈沖減敏現象。 PNA-X采用了新的硬件和軟件技術/算法，大大改善了這種局限性，這種技術/算法可充分減小20log(占空比)的脈沖減敏。兩個主要進步是增強的硬件選通和軟件選通。為改進PNA-X的時間分辨率，在IF路徑上加入了選通開關(圖6)。選通開關接收其中一個脈沖發生器輸出通道的時序，此輸出通道設置脈沖周期、寬度和延遲。選通開關的寬度提供脈沖內取點及脈沖成形測量的時間分辨率。 IF路徑的噪聲指數常由上游接收器級決定。在IF選通之前，給來自上游接收器路徑的信號提供盡可能大的增益，可改善IF。設置的水平要使選通開關不壓縮，峰值脈沖包絡能量可相對無改變地通過。選通開關然后用于時間區分(時間分辨率)。由于占空比隨選通開關重復率和寬度而變化，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。總結果是動態范圍減小近10log(占空比)，而非以前VNA實現方案的20log(占空比)。 在不想要的脈沖譜和附加噪聲到達下游放大器和數字轉換器之前，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響應，因此可防止下游壓縮，同時降低系統噪聲。在以前的硬件選通中，選通開關后的噪聲指數并沒有比選通開關前的好多少，所以選通噪聲不會使數字化噪聲功率下降。這樣會導致無噪聲功率選通(噪聲功率不隨選通改變)，使動態范圍以函數20log(占空比)變化。譜歸零匹配濾波器隨后被用于數字數據，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量，其中數字轉換器在連續測量信號的同時，分析儀在處理所有數字化信息。這就意味著即使選通開關關閉，仍在進行數據采樣和處理(圖7)。IF選通開關在關閉狀態下的任何殘留譜隔離和噪聲都是不希望的，因為真正感興趣的是在選通開關打開時所發生的情況。在理想情況下，完美的選通開關在關閉狀態沒有信號或噪聲，以避免數字化額外噪聲，否則，這種額外噪聲會增加測量噪聲，降低測量結果的精度。 一種除去選通開關在關閉狀態下不想要的殘余譜的方法是使用軟件選通(圖8)。在VNA內部集成脈沖發生器的優點之一是“”精確的脈沖發生器時序是已知的，因而也可以準確地了解選通開關打開和關閉的時序。一旦數據被數字化，就可以有效地在數字數據上做時序標志，此數字數據對應于選通開關打開和關閉的時間。這樣就能知道哪些數字數據成分對應于選通開關的導通狀態，哪些成分對應于關閉狀態。由于選通開關在關閉狀態的殘留譜只降低測量精度，所以將此數字數據設置為零，使此數字數據成為極好的無噪聲無信號元素。由于極大地降低了SNR的噪聲成分，這樣可充分提高測量靈敏度。 與以前的窄帶檢波技術VNA模式比較，增強的硬件和軟件選通實現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情況下動態范圍提高的情況。由于占空比很低(0.001%)，脈沖寬度也非常窄，所以這種情況的測量難度很大。硬件和軟件改進恰好補充了本身的不足，因為硬件選通將噪聲減少到上游接收器鏈過度噪聲點，之后，接收器選通和軟件選通算法通過消除選通開關關閉狀態的噪聲來進一步減少噪聲。在這些方面的增強充分改善了脈沖靈敏度，因此提高了測量精度。 采用像安捷倫PNA-X系列的現代VNA，硬件集成和測量算法的進步極大地提高了靈敏度，脈沖S參數的精度也因此得以提高。寬帶和窄帶檢波模式為精確測量DUT的脈沖S參數提供了靈活的測量場景。這些進步使動態范圍比以前窄帶檢波技術的有了非常大的提高。測量脈沖S參數時，PNA-X系列網絡分析儀應該配置為選項021、022、025和H08。 |
