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脉冲S参数测量中的跟踪技术
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脉冲S参数测量中的跟踪技术
使用矢量网络分析仪测试 S参数通常是对被测器件施加连续波激励来完成的，然而在某些情况下， S参数的测量必须使用脉冲激励。例如，在测试诸如功率晶体管之类的非热耦合被测器件的 S参数时，连续波激励所积累的热量可能会损坏被测器件，而使用脉冲激励进行测量则可以安全地对这类器件的特性进行表征。通过正确选择脉冲激励的占空比，可以保证测量的平均功率保持在较低的水平，避免产生过热现象。另一个需要进行脉冲 S参数测量的例子是对通常工作在脉冲或猝发信号状态下——例如雷达系统和许多数字调制通信系统中的器件进行测量。今天，脉冲 S参数的测量已经可以使用自身就能够产生脉冲激励并对脉冲正弦信号进行精确测量的矢量网络分析仪来完成。
脉冲信号的频谱可以借助一些数学分析工具表示出来。方程 1描述了时域中的脉冲信号。脉冲信号的产生过程可以直观地表示为：首先为将要生成的脉冲宽度为 PW脉冲信号建立一个矩形窗口信号[rect(t)];
y(t) = (rect pw (t)×x(t))×shah 1(t) (1)
图1
接着再产生一个 shah函数，这个函数由彼此间隔为 1/PRF的周期性冲击串组成，其中 PRF是需要产生的脉冲信号的重复频率， Shah函数也可以被视为间隔等于脉冲信号周期的许多个冲击。最后，把窗口信号与 shah函数进行卷积之后就可以产生一个在时间关系上与所需脉冲信号相一致的周期性脉冲串。
方程 2表示的是时域脉冲信号的傅立叶变换。它表示脉冲信号的频域谱是一个取样点(信号)出现的频率等于脉冲重复频率(PRF)取样的 Sinc函数，。
Y (s) = ( pw·sinc( pw·s)·X (s))·( prf·shah( prf·s))
Y (s) = ( pw ·sinc( pw ·s))·( prf·shah( prf·s))
Y (s) = DutyCycle·sinc( pw·s)·shah( prf·s) (2)
图 1a显示的是 PRF等于 1.69 kHz、脉冲宽度为 7 ?s的脉冲信号的频谱。图 1b放大显示了同一脉冲频谱在基波频率——被脉冲化处理的信号频率上的部分(图 1a的中心部分)。注意，该频谱包含诺干与基频相距 nPRF的分量。基频中包含了测量所需要的信息;彼此间隔为 PRF的各个分量是在对基频进行脉冲化处理的过程中产生的，值得注意的是，靠近基音的频谱分量的幅度相对较大一些。
图1a
图1b
这些图形显示了 PRF为 1.69 kHz、脉冲宽度为 7 ?s(a)的信号的脉冲频谱，以及同一脉冲频谱放大到基频(图中心)(b)的图像。
Agilent PNA-X系列矢量网络分析仪自身即可提供脉冲激励并对脉冲响应进行精确测试。这个高度集成的 S参数测量系统(图 2a)内部包含了复杂的信号产生和分配部件(图 2b)，使其既可以进行连续波的激励响应测试也可以进行脉冲信号的激励响应测试。内部信号源可对内部测试信号发生器进行调制，生成 10 MHz到26.5 GHz的脉冲激励。这种矢量网络分析仪内部信号源可产生最小脉冲宽度仅为 33 ns(典型值甚至更窄)的脉冲信号。
脉冲测量的定时信号是由 PNA-X内部的一个脉冲发生器产生的，这个脉冲发生器有四个主输出信道，每个信道都有独立的脉冲延迟和宽度控制。这些输出通道可以经过 PNA-X内部的路径直接驱动 PNA-X内部的调制器、数据采集电路，也可以从 PNA-X的后面板输出到 PNA-X的外部以驱动其它的外围测试设备。脉冲发生器的定时基于一个 60 MHz的时钟信号，产生分辨率为 16.7 ns定时信号。由于这些脉冲发生器是独立于
各个测量通道的，所以每个测量通道都可以独立地对脉冲发生器进行设置，这样就可以同时对各种不同的测试项目进行测量和显示，例如可以在一个显示屏幕上同时显示脉冲包络、脉冲内定点和增益压缩等的测量结果。无论是进行连续波测量还是进行脉冲信号测量，PNA-X的接收机都是专为获得最佳灵敏度而设计的。
图 2a
图 2b
Agilent PNA-X矢量网络分析仪(VNA)可在内部复杂信号路由(b)的帮助下，使用宽带和窄带测量模式(b)进行脉冲 S参数测量。
PNA-X微波矢量网络分析仪可在宽带和窄带两种模式下进行脉冲测量，这两种模式各有其先进和有所折衷之处。Agilent PNA-X这一系列的现代化矢量网络分析仪都具备这两种检波模式，因此仪表使用人员在测试测器件特性的时候可以非常灵活地定制测量计划。
宽带检波方法适用于脉冲频谱的绝大部分都能落在矢量网络分析仪接收机中频带宽之内的情况。宽带检波技术既可以用模拟电路技术实现也可以用数字信号处理技术实现。使用宽带检波技术，网络分析仪的接收机检波器与脉冲流保持同步，只有在脉冲出现的时候(脉冲处于“ ON”的状态)才会进行数据采集。因为这种方法用一个同步到 PRF的脉冲触发信号来对矢量网络分析仪进行触发，所以通常称这种模式为同步采集模式(图 3)。这种模式的时间分辨率是接收机检波带宽(即中频带宽 IFBW)的函数，确定适当的时间分辨率的一个好的参考标准是用接收机中频带宽的倒数，即 1/IFBW作为时间分辨率的值。
图 3
对于 VNA中的宽带检波，检波器会与被测脉冲流进行同步，只在脉冲处于“通”状态时获取数据。由于 VNA中的脉冲触发与 PRF同步，这种测量方法通常称为同步采集模式。
宽带测试模式的优点是在测试占空比较大的脉冲信号(具有相对稳定的信噪比与占空比的关系)时动态范围几乎没有损失。缺点是能够测量的最小脉冲宽度受到了限制。当信号的脉冲宽度变得越来越窄时，信号频谱能量会分布在一个更宽的带宽内。当有足够多的脉冲能量落在了接收机的中频带宽以外时，接收机就不能够对脉冲进行适当的检测。从时域的观点来看，当脉冲的宽度小于接收机的上升时间时，接收机便不能对该脉冲进行检测。要测量更窄的脉冲，(如果继续使用宽带模式进行测试)就必须使用更宽的检波带宽。随着接收机带宽的增加，就会有更多的噪声进入接收机，因此降低了测量的动态范围。
PNA-X微波矢量网络分析仪宽带测试模式的检波(即 IFBW)带宽可达 5 MHz，时间分辨率大约为 250 ns(可精确测量的最小脉冲宽度)。在宽带模式下配置 PNA-X非常简单。脉冲发生器不仅可以配置为触发内部信号源调制器，而且还可以配置为从内部对测量进行触发，因此数据采集与输入的射频脉冲(无需外部触发电缆)是同步的。在这种情况下，可以把 PNA-X配置成在一个显示界面上同时对脉冲内的定点( Point-in?Pulse)、脉冲包络(Pulse Profile)和脉冲到脉冲之间的关系(Pulse-to-Pulse)进行测量的工作方式。
在窄带检波模式下，脉冲宽度通常远远小于对一个离散数据点进行数字化处理和数据采集所需要的最短时间(图 4)。使用窄带测试技术，脉冲频谱中除了代表 RF载波频率的中心频率成分之外，所有其它的频谱分量都被滤波处理掉了。滤波之后，脉冲射频信号变成了正弦(即连续波)信号。当矢量网络分析仪工作在窄带脉冲测量模式的时候，各个数据采样点不与输入脉冲同步，因此不需要同步测量触发信号，所以窄带检波技术也称为异步采集模式。一般情况下，在窄带测试模式应用中，因为被测脉冲信号的 PRF比接收机的中频带宽更高，所以这种方法又称“高 PRF”模式。
图 4
在窄带检波模式中，脉冲宽度通常比对一个离散数据进行数字化处理和数据采集所需的最小时间还小很多。
安捷伦在 PNA-X上开发出了一种更出色窄带测试技术，这种新的窄带测试技术可以使测试接收机的 IFBW比过去窄带测试模式中常用 IFBW更宽。这个独一无二的方法被称为“零点频谱技术”(图 5)。这个非常高效率的检波模式方法会根据脉冲信号的 PRF产成一个“匹配的”数字滤波器。这项技术允许用户能够用在动态范围上的一点损失来换取更快的测试速度，与传统滤波处理方法进行的脉冲测量相比，这种技术总是可以达到更快的测试速度。
图 5
在 PNA-X VNA中在较宽 IF带宽上部分实现窄带检波需要使用基于被测脉冲信号 PRF的匹配数字滤波器。
一般来说，由于窄带测试方式把除了中心频谱之外的所有其它脉冲频谱分量都滤波处理掉了，它在所能测试的最窄脉冲宽度方面受到的限制明显地小得多。缺点是测量的动态范围受占空比的影响。当占空比较小时(脉冲之间的间隔时间较长)，脉冲平均功率的下降会造成信噪比( SNR)的降低，这会导致测量动态范围
随占空比的降低而减小。我们把这种现象称为“脉冲的减敏感作用”。在安捷伦上一代具有脉冲测试能力的矢量网络分析仪(PNA系列产品)中，测试动态范围受到占空比下降而降低的量可以用 20log(占空比)关系式计算出来。而 PNA-X则通过采用全新的先进脉冲检波方法，极大改善了接收机的脉冲减敏感作用。
PNA-X通过采用新的硬件和软件技术和算法极大地改善了上述限制，显着地降低了关系为 20log(占空比)的脉冲减敏感作用。两大改进主要在于采用了增强型硬件选通和软件选通。为了提高 PNA-X的时间分辨率，在 PNA-X的 IF路径上增加了一个选通开关(图 6)。选通开关的定时信号来自于 PNA-X内部脉冲发生器的几个输出通道中的一个(图 2b)，这个输出通道设置了脉冲周期、脉冲宽度和延迟。选通开关的选通宽度给脉冲中定点测量和脉冲包络测量提供时间分辨率。
图 6
PNA-X通过多种新技术(包括在 IF路径中使用选通开关提高时间分辨率)将脉冲灵敏度降低程度减少到最小。
因为整个 IF路径的噪声系数经常是由接收机上游的前几级决定的，所以可以在来自接收机上游的信号(和噪声)到达 IF选通之前先给它们提供尽可能多的增益来改善信噪比(信号大小的选择要恰当，要使选通开关不会工作在压缩区域，这样峰值脉冲包络的能量可以相对不受影响地通过选通开关)，然后使用选通开关进行时间鉴别(时间分辨率)。由于占空比的变化是和选通开关的重复频率和选通宽度相关连的(因为选通开关的定时信号就是来自于脉冲发生器中确定脉冲周期、脉冲宽度和脉冲延迟的一个输出通道，如图 2b所示)，当噪声功率(以 dB为单位)按照 10log(占空比)的关系降低时，脉冲频谱中心频率分量的功率(以 dB为单位)会按照 20log(占空比)的关系降低(图 6)。总体结果就是测量动态范围以接近于 10log(占空比)的关系降低，而不像 PNA-X的上一代矢量网络分析仪那样以 20log(占空比)的关系降低。
图 6中的晶体滤波器是用来在脉冲到达下游放大器和数字化处理器之前去除不需要的脉冲频谱和附加的噪声。需要注意的是，去除这些脉冲频谱分量会降低峰值包络响应，因此可以防止下游部件产生压缩并减少系统噪声。在以前的硬件选通实现方法中，选通开关之后电路部件的噪声系数与选通开关之前电路部件的噪声系数相比没有好多少，因此选通之后，并不会造成数字化噪声功率的下降。这样的处理方式实际上不会对噪声功率进行选通(噪声功率不会随选通改变)，因此会使测量动态范围以 20log(占空比)的关系改变。
在 ADC之后，使用频谱归零匹配滤波器对数字化数据进行滤波，滤掉除所需射频载波之外的全部残留脉冲频谱。
窄带检波模式是一种异步脉冲测量方式，数字化处理器连续地对信号进行测量信号而分析仪处理全部数字化信息。这意味着即使断开选通开关，仍旧可以采样和处理数据(图 7)。在 IF选通开关断开状态下，任何隔离度和噪声的残留量都是不受欢迎的，因为只有在选通开关接通时所见到的信号才真正我们所关心的。在理想条件下，完美的选通开关在断开状态下应不会有任何信号或噪声，以避免把过多噪声转换成数字信号，否则将会增加测量噪声并降低测量结果的精度。
图 7
因为数字化处理器总是在窄带检波模型中进行采样，因此可以捕获来自断开状态的选通开关的信号和噪声。
去除选通开关处于断开状态时存在的这些不受欢迎的残余量的方法之一是使用软件选通(图 8)。将脉冲发生器与矢量网络分析仪集成在一起的好处是可以精确地知道脉冲发生器的定时信息，因此选通开关接通和断开的定时信息也可以精确地知道。一旦数据已经被数字化，那么可以在对应选通开关接通和断开时的数字数据上有效地放置时间戳。这样就可以知道哪部分数字数据对应选通开关的接通状态，哪部分数字数据对应选通开关的断开状态。由于只有选通开关断开状态下的残余噪声会降低测量精度，所以可将该数字数据特意地设置为零，使其成为既无噪声又无信号的理想成分。这样，由于 SNR的噪声分量已经显着减少了，测量灵敏度就大大地得到了提高。
图 8
可使用软件选通移除选通开关断开状态下不需要的信号和噪声剩余。
增强型硬件和软件选通方法的实现和以前矢量网络分析仪的窄带检波技术相比测试灵敏度显着地得到了提高。图 9显示的是使用不同脉冲检波技术所带来的动态范围的改善。这是一个难度极高的测量实例，占空比非常低(0.001%)且脉冲宽度十分窄。PNA-X的硬件改进和软件改进实现了完美的优点互补，因为硬件选通可以减少在接收机选通之前接收机上游链路中噪声过多的电路上的噪声，而软件选通算法则可以消除选通开关断开状态下的噪声，从而进一步降低噪声。这些技术的进步导致了脉冲测试灵敏度的极大提高，从而也大大地改善了测试结果的精度。
图 9
在此例中，对于低(0.001%)占空比脉冲信号，不同的脉冲检波技术具有不同水平的动态范围性能。
硬件的集成和测量算法的改进极大地提高了使用现代化矢量网络分析仪—Agilent PNA-X系列进行脉冲S参数测量的灵敏度和精度。宽带和窄带检波模式为精确测量被测件的脉冲S参数提供了灵活的测量方案。与以前的窄带检波技术相比，这些先进特性可以极大增加动态范围。PNA-X系列网络分析仪需配置选件 021、 022、025和H08，以执行脉冲S参数测量。
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