原创 准确测量脉冲信号的S参数(一)

准确测量脉冲信号的S参数(一)

作者：Loren Betts

传统上，网络分析仪">矢量网络分析仪被用来测量元件的连续波形(CW)S参数性能。在这些操作环境下，分析仪常常作为窄带测量仪器工作。它向元件传输已知的CW频率并测量CW频率响应。如果我们想查看单个CW频率的响应，我们可以在频率看到单个的频谱。分析仪具有一个内置的源和接收器，它们被设计成工作在同步模式下，利用窄带检测来测量元件的频率相应。大多数的分析仪可以配置用来对许多频率进行频率扫描。

在某些情况下，加到元件上的信号必须以一定的速度和持续时间进行脉冲调制(开关)。如果我们要查看一个单音脉冲调制的频率响应，它将包含无数的频率成分从而使标准窄带VNA的使用变得很困难。本文讲述了如何使用Agilent科技公司的PNA矢量网络分析仪进行配置并获得准确测量脉冲信号的S参数。

为了查看一个脉冲调制信号的频率响应的频谱是什么样子，我们首先从数学上分析时域响应。公式1给出了一个脉冲调制信号的时域关系。它的产生步骤是首先建立一个用脉宽为PW的矩形窗加窗的信号。然后产生一个shah函数，这个函数包含一个间隔为1/PRF的周期脉冲序列，其中PRF是脉冲重复频率。这也同可以看作是间隔和脉冲周期相等的脉冲。而后加窗信号和shah函数卷积，产生一个和脉冲调制信号相应的周期脉冲串：

为了查看这个信号在频域的样子，对脉冲调制信号y(t)进行傅立叶变换：

式2表明脉冲调制信号的频谱是一个抽样的sinc函数，抽样点(信号呈现)和脉冲重复频率(PRF)相等。

图1的左面给出在PRF为1.69kHz和脉冲宽度7μs情况下脉冲调制谱的样子。图1的右面给出在放大脉冲基调条件下同样的脉冲调制谱。频谱具有距离基调nPRF的成分，其中n是谐波数。基音包含测量信息。PRF音是基音的制造物，靠近基音的频谱成分具有相对高的幅度。

PNA矢量网络分析仪通过对微波能量进行窄带检测来工作。它把接收信号下变频到中频(IF)，然后数字化(在离散间隔上抽样)并进行数字滤波，从而进行显示和分析。有两种不同的方法利用微波PNA来测量一个脉冲调制信号的S参数:“同步脉冲获取”和“频谱消零”。同步脉冲获取和在8510 矢量网络分析仪上的“全脉冲表征”工作方式类似。频谱清零和8510系列内的“高PRF”工作方式相似，例外的是，尽管内指脉冲和脉冲成型可行，但是它们不能工作在8510上的“高PRF”方式下。

同步脉冲获取方法在进来的单独脉冲和分析仪离散抽样之间提供同步定时。如果脉宽超过最小同步时间从而获取了一个或更多的数据点，那么测量就落入同步脉冲获取工作方式(图2)并且接收机工作在无脉冲减敏现象得全CW敏感度和动态范围。脉冲到脉冲特征可以用这种方式测量，每一个显示数据点和一个单独的脉冲相对应。这种测量通过利用触发点模式和应用外部触发测量每个脉冲调整输入的脉冲和分析仪的抽样间隔来进行配置。分析仪必须在获取周期之前看到100μs的脉冲调制信号(少于推荐的100μs会导致测量性能下降)。这和PNA硬件滤波器的设置有关。在应用触发器和分析仪开始数字化一个离散点之间之间有70μs的时延。因此，需要在输入脉冲和应用触发器之间需要有30μs的延迟，从而获得100μs的获取前脉冲调制RF。分析仪上的最小获取时间大约和中频带宽的倒数(1/IF)成反比。随着中频带宽的减小，每个数据点的测量获取时间增加。中频带宽为35 kH时分析仪上的最小获取时间是30μs。这和130μs的最小可测量脉冲宽度相对应。

同步操作方式需要一个脉冲发生器为外部触发和调制提供定时宽度和时延。调制可以通过调制测试设备的偏置或者调制源信号提供。一个标准的微波PNA有入触发和出触发BNC连接器，它们可以用来同步分析仪和脉冲发生器的触发时间。在点模式下，应用入触发信号会导致分析仪在第一个频率点获取数据，把源频率移动到下一个点，然后发送一个出触发信号通知脉冲发生器它已经准备好获取下一个数据点。在这一点，脉冲发生器会发送一个触发给分析仪从而获取下一个数据点。