原创 脉冲S参数测量技术的最新进展

借助某些数学分析可形象化观察脉冲信号谱。方程1描述了一种时域脉冲信号。对脉冲宽度为PW的信号，脉冲信号的视觉表现首先构成矩形窗口[rect(t)]。

然后构成一个Shah函数，此函数由一周期脉冲串组成，间隔为1/PRF，这里PRF为脉冲重复频率。这也可以看作间隔等于脉冲周期的脉冲。窗口形式的信号随后与shah函数卷积分，产生一个与此脉冲信号时间相关的周期脉冲串。

方程2给出了时域脉冲信号的傅立叶变换，它说明脉冲信号的频谱是一正弦函数的采样，采样点数(得到的信号)等于PRF。

图1a为一个信号脉冲谱的例子，信号的PRF为1.69kHz，脉冲宽度为7μs。图1b为相同的脉冲谱在基本频率处受到脉冲激发(曲线的中心)处的放大图。注意：该谱有多个离基频为nPRF的成分。此基频包含有测量信息。PRF频是基频受到激发的伪成分。另外还值得注意的是，靠近基频的谱分量的幅度相对要大。

安捷伦公司的Agilent PNA-X系列VNA能够提供脉冲激励，并可精确测量脉冲响应。此高度集成的S参数测量系统(见图2a)的内部信号布线复杂(见图2b)，能产生并分析CW和脉冲激励响应。内部测试信号发生器由内部源调制，产生10MHz～26.5GHz频率的激励脉冲。

VNA的内部源可产生的最小脉冲宽度为33ns(通常比此更窄)。

采用一种集成脉冲发生器产生脉冲测量时序，这种集成脉冲发生器有4个主输出通道，每个通道的延迟和宽度都是独立的。可以在PNA-X内部对输出通道进行连接，以驱动调制器和采样电路，和/或在外部连接以驱动外设。脉冲发生器的定时建立在60MHz时钟基础上，因而时间分辨率为16.7ns。因为这些脉冲发生器的测量通道相互独立，每个通道都能有独立的脉冲发生器设定。这样，就可以同时测量并在单独一个显示器上显示多种测量结果，包括脉冲成形、脉冲内取点、增益压缩。PNA-X接收器专为CW和脉冲信号设计，使其有最佳灵敏度。

PNA-X VNA能以宽带和窄带模式进行脉冲测量，两种模式各有优缺点。现代VNA(如PNA-X)两种检波模式都有，操作者可以灵活选择测量，使其适合DUT的特性。

宽带检波适合多数脉冲RF谱落在VNA的接收器带宽范围内这种情况，可用模拟电路或数字信号处理(DSP)技术实现。对于宽带检波，VNA的各接收检波器与脉冲流同步，仅在脉冲处于“开”状态时，才进行数据采集。因为这一方法包含一个同步到PRF的脉冲触发器，用以触发分析仪，所以常常称作同步采集模式(图3)。这种模式下的时间分辨率是接收器检波带宽的函数。确定近似时间分辨率的一个好方法是使用带宽的倒数，即1/BW。

宽带模式的优点是，对于低占空比脉冲，动态范围没有损失，信噪比(SNR)随占空比的变化相对固定。其缺点是可测量脉冲宽度的限值要低。随着信号脉冲宽度越来越窄，谱能量传播的带宽更宽。当落在接收器带宽之外的脉冲的功率足够大时，接收器无法继续正常检测脉冲。在时域范围来看，接收器不能再检测短于接收器上升时间的脉冲。要测量更短的脉冲，必须采用更宽的检波带宽。随着接收器带宽的增加，噪声量也随之提高，降低了测量的动态范围。

PNA-X VNA提供的宽带模式检波带宽可宽至5MHz，这样就具有约250ns的时间分辨率(能精确测量的最小脉冲宽度)。在宽带模式下配置PNA-X很简单。可将脉冲发生器配置为不仅触发内部源调制，而且也可内部触发测量，以便数据采集与进来的RF脉冲同步(不需要外部触发线缆)。于是，PNA-X可配置为脉冲内取点、脉冲成形、或者脉冲-脉冲测量都在一个显示器上显示。

在窄带检波模式中，脉冲宽度通常比数字化并获取一个分立的数据点所需要的最短时间要小得多(见图4)。有了这个技术，除中心频率成分外的所有脉冲谱都可以通过滤波除去，此中心频率成分代表RF载波频率。滤波后，脉冲RF信号表现为正弦或CW信号。采用窄带检波，分析仪取样与进来的脉冲不同步(因此不需要同步测量触发)，所以此技术也称作异步采集模式。因为与接收器IF带宽相比，这种方法的PRF要高，所以也称作“高PRF”模式。

安捷伦公司开发出了一种新颖的在IF带宽基础上实现窄带检波的方法，这种IF带宽比窄带模式下正常使用的带宽更宽。这种独特的方法称作“谱归零”(图5)。在此有效的检波模式方法中，在脉冲信号的PRF基础上产生一个“相匹配的”数字滤波器。此技术可让用户牺牲动态范围以换取速度，与用传统滤波来完成的脉冲测量相比，速度几乎总是更高。

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