脈沖S參數(shù)測(cè)量中的跟蹤技術(shù)

圖 3

對(duì)于 VNA中的寬帶檢波，檢波器會(huì)與被測(cè)脈沖流進(jìn)行同步，只在脈沖處于“通”狀態(tài)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。由于 VNA中的脈沖觸發(fā)與 PRF同步，這種測(cè)量方法通常稱為同步采集模式。

寬帶測(cè)試模式的優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)試占空比較大的脈沖信號(hào)(具有相對(duì)穩(wěn)定的信噪比與占空比的關(guān)系)時(shí)動(dòng)態(tài)范圍幾乎沒(méi)有損失。缺點(diǎn)是能夠測(cè)量的最小脈沖寬度受到了限制。當(dāng)信號(hào)的脈沖寬度變得越來(lái)越窄時(shí)，信號(hào)頻譜能量會(huì)分布在一個(gè)更寬的帶寬內(nèi)。當(dāng)有足夠多的脈沖能量落在了接收機(jī)的中頻帶寬以外時(shí)，接收機(jī)就不能夠?qū)γ}沖進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)。從時(shí)域的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)脈沖的寬度小于接收機(jī)的上升時(shí)間時(shí)，接收機(jī)便不能對(duì)該脈沖進(jìn)行檢測(cè)。要測(cè)量更窄的脈沖，(如果繼續(xù)使用寬帶模式進(jìn)行測(cè)試)就必須使用更寬的檢波帶寬。隨著接收機(jī)帶寬的增加，就會(huì)有更多的噪聲進(jìn)入接收機(jī)，因此降低了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

PNA-X微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀寬帶測(cè)試模式的檢波(即 IFBW)帶寬可達(dá) 5 MHz，時(shí)間分辨率大約為 250 ns(可精確測(cè)量的最小脈沖寬度)。在寬帶模式下配置 PNA-X非常簡(jiǎn)單。脈沖發(fā)生器不僅可以配置為觸發(fā)內(nèi)部信號(hào)源調(diào)制器，而且還可以配置為從內(nèi)部對(duì)測(cè)量進(jìn)行觸發(fā)，因此數(shù)據(jù)采集與輸入的射頻脈沖(無(wú)需外部觸發(fā)電纜)是同步的。在這種情況下，可以把 PNA-X配置成在一個(gè)顯示界面上同時(shí)對(duì)脈沖內(nèi)的定點(diǎn)( Point-in?Pulse)、脈沖包絡(luò)(Pulse Profile)和脈沖到脈沖之間的關(guān)系(Pulse-to-Pulse)進(jìn)行測(cè)量的工作方式。

在窄帶檢波模式下，脈沖寬度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化處理和數(shù)據(jù)采集所需要的最短時(shí)間(圖 4)。使用窄帶測(cè)試技術(shù)，脈沖頻譜中除了代表 RF載波頻率的中心頻率成分之外，所有其它的頻譜分量都被濾波處理掉了。濾波之后，脈沖射頻信號(hào)變成了正弦(即連續(xù)波)信號(hào)。當(dāng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作在窄帶脈沖測(cè)量模式的時(shí)候，各個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)不與輸入脈沖同步，因此不需要同步測(cè)量觸發(fā)信號(hào)，所以窄帶檢波技術(shù)也稱為異步采集模式。一般情況下，在窄帶測(cè)試模式應(yīng)用中，因?yàn)楸粶y(cè)脈沖信號(hào)的 PRF比接收機(jī)的中頻帶寬更高，所以這種方法又稱“高 PRF”模式。

圖 4

在窄帶檢波模式中，脈沖寬度通常比對(duì)一個(gè)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理和數(shù)據(jù)采集所需的最小時(shí)間還小很多。

安捷倫在 PNA-X上開(kāi)發(fā)出了一種更出色窄帶測(cè)試技術(shù)，這種新的窄帶測(cè)試技術(shù)可以使測(cè)試接收機(jī)的 IFBW比過(guò)去窄帶測(cè)試模式中常用 IFBW更寬。這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的方法被稱為“零點(diǎn)頻譜技術(shù)”(圖 5)。這個(gè)非常高效率的檢波模式方法會(huì)根據(jù)脈沖信號(hào)的 PRF產(chǎn)成一個(gè)“匹配的”數(shù)字濾波器。這項(xiàng)技術(shù)允許用戶能夠用在動(dòng)態(tài)范圍上的一點(diǎn)損失來(lái)?yè)Q取更快的測(cè)試速度，與傳統(tǒng)濾波處理方法進(jìn)行的脈沖測(cè)量相比，這種技術(shù)總是可以達(dá)到更快的測(cè)試速度。

圖 5

在 PNA-X VNA中在較寬 IF帶寬上部分實(shí)現(xiàn)窄帶檢波需要使用基于被測(cè)脈沖信號(hào) PRF的匹配數(shù)字濾波器。

一般來(lái)說(shuō)，由于窄帶測(cè)試方式把除了中心頻譜之外的所有其它脈沖頻譜分量都濾波處理掉了，它在所能測(cè)試的最窄脈沖寬度方面受到的限制明顯地小得多。缺點(diǎn)是測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍受占空比的影響。當(dāng)占空比較小時(shí)(脈沖之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng))，脈沖平均功率的下降會(huì)造成信噪比( SNR)的降低，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍

隨占空比的降低而減小。我們把這種現(xiàn)象稱為“脈沖的減敏感作用”。在安捷倫上一代具有脈沖測(cè)試能力的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA系列產(chǎn)品)中，測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍受到占空比下降而降低的量可以用 20log(占空比)關(guān)系式計(jì)算出來(lái)。而 PNA-X則通過(guò)采用全新的先進(jìn)脈沖檢波方法，極大改善了接收機(jī)的脈沖減敏感作用。

PNA-X通過(guò)采用新的硬件和軟件技術(shù)和算法極大地改善了上述限制，顯著地降低了關(guān)系為 20log(占空比)的脈沖減敏感作用。兩大改進(jìn)主要在于采用了增強(qiáng)型硬件選通和軟件選通。為了提高 PNA-X的時(shí)間分辨率，在 PNA-X的 IF路徑上增加了一個(gè)選通開(kāi)關(guān)(圖 6)。選通開(kāi)關(guān)的定時(shí)信號(hào)來(lái)自于 PNA-X內(nèi)部脈沖發(fā)生器的幾個(gè)輸出通道中的一個(gè)(圖 2b)，這個(gè)輸出通道設(shè)置了脈沖周期、脈沖寬度和延遲。選通開(kāi)關(guān)的選通寬度給脈沖中定點(diǎn)測(cè)量和脈沖包絡(luò)測(cè)量提供時(shí)間分辨率。

圖 6

PNA-X通過(guò)多種新技術(shù)(包括在 IF路徑中使用選通開(kāi)關(guān)提高時(shí)間分辨率)將脈沖靈敏度降低程度減少到最小。

因?yàn)檎麄€(gè) IF路徑的噪聲系數(shù)經(jīng)常是由接收機(jī)上游的前幾級(jí)決定的，所以可以在來(lái)自接收機(jī)上游的信號(hào)(和噪聲)到達(dá) IF選通之前先給它們提供盡可能多的增益來(lái)改善信噪比(信號(hào)大小的選擇要恰當(dāng)，要使選通開(kāi)關(guān)不會(huì)工作在壓縮區(qū)域，這樣峰值脈沖包絡(luò)的能量可以相對(duì)不受影響地通過(guò)選通開(kāi)關(guān))，然后使用選通開(kāi)關(guān)進(jìn)行時(shí)間鑒別(時(shí)間分辨率)。由于占空比的變化是和選通開(kāi)關(guān)的重復(fù)頻率和選通寬度相關(guān)連的(因?yàn)檫x通開(kāi)關(guān)的定時(shí)信號(hào)就是來(lái)自于脈沖發(fā)生器中確定脈沖周期、脈沖寬度和脈沖延遲的一個(gè)輸出通道，如圖 2b所示)，當(dāng)噪聲功率(以 dB為單位)按照 10log(占空比)的關(guān)系降低時(shí)，脈沖頻譜中心頻率分量的功率(以 dB為單位)會(huì)按照 20log(占空比)的關(guān)系降低(圖 6)?？傮w結(jié)果就是測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍以接近于 10log(占空比)的關(guān)系降低，而不像 PNA-X的上一代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀那樣以 20log(占空比)的關(guān)系降低。