【導(dǎo)讀】除了數(shù)字工程師要用到射頻儀器外，有些射頻工程師也會用到示波器做射頻信號測試，但是不清楚精度如何，以及和頻譜儀等傳統(tǒng)儀器的區(qū)別，希望能對這方面做些講解。為此，小編對示波器做射頻信號測試的應(yīng)用案例和注意事項(xiàng)做了一些整理，希望能給大家提供一些幫助。
時(shí)域測量的直觀性
要進(jìn)行射頻信號的時(shí)域測量的一個(gè)很大原因在于其直觀性。比如在下圖中的例子中分別顯示了4個(gè)不同形狀的雷達(dá)脈沖信號，信號的載波頻率和脈沖寬度差異不大，如果只在頻域進(jìn)行分析，很難推斷出信號的時(shí)域形狀。由于這4種時(shí)域脈沖的不同形狀對于最終的卷積處理算法和系統(tǒng)性能至關(guān)重要，所以就需要在時(shí)域?qū)π盘柕拿}沖參數(shù)進(jìn)行精確的測量，以保證滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
更高分析帶寬的要求
在傳統(tǒng)的射頻微波測試中，也會使用一些帶寬不太高（<1GHz）的示波器進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的測試，比如用檢波器檢出射頻信號包絡(luò)后再進(jìn)行參數(shù)測試，或者對信號下變頻后再進(jìn)行采集等。此時(shí)由于射頻信號已經(jīng)過濾掉，或者信號已經(jīng)變換到中頻，所以對測量要使用的示波器帶寬要求不高。
但是隨著通信技術(shù)的發(fā)展，信號的調(diào)制帶寬越來越寬。比如為了兼顧功率和距離分辨率，現(xiàn)代的雷達(dá)會在脈沖內(nèi)部采用頻率或者相位調(diào)制，典型的SAR成像雷達(dá)的調(diào)制帶寬可能會達(dá)到2GHz以上。在衛(wèi)星通信中，為了小型化和提高傳輸速率，也會避開擁擠的C波段和Ku波段，采用頻譜效率和可用帶寬更高的Ka波段，實(shí)際可用的調(diào)制帶寬可達(dá)到3GHz以上甚至更高。
在這么高的傳輸帶寬下，傳統(tǒng)的檢波或下變頻的測量手段會遇到很大的挑戰(zhàn)。由于很難從市面上尋找到一個(gè)帶寬可達(dá)到2GHz以上同時(shí)幅頻/相頻特性又非常理想的檢波器或下變頻器，所以會造成測試結(jié)果的嚴(yán)重失真。
同時(shí)，如果需要對雷達(dá)脈沖或者衛(wèi)星通信信號的內(nèi)部調(diào)制信息進(jìn)行解調(diào)，也需要非常高的實(shí)時(shí)帶寬。傳統(tǒng)的頻譜儀測量精度和頻率范圍很高，但實(shí)時(shí)分析帶寬目前還達(dá)不到GHz以上。因此，如果要進(jìn)行GHz以上寬帶信號的分析解調(diào)，目前最常用的手段就是借助于寬帶示波器或者高速的數(shù)采系統(tǒng)。
要實(shí)現(xiàn)射頻信號的直接測量，首先得益于由于材料和芯片技術(shù)發(fā)展帶來的實(shí)時(shí)示波器性能的提升。
傳統(tǒng)的示波器由于帶寬較低，無法直接捕獲高頻的射頻信號，所以在射頻微波領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于中頻或控制信號的測試，但隨著芯片、材料和封裝技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的的帶寬、采樣率、存儲深度以及底噪聲、抖動等性能指標(biāo)都有了顯著的提升。
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材料技術(shù)革新對示波器帶寬的提升
以材料技術(shù)為例，磷化銦(InP)材料是這些年國際和國內(nèi)比較熱門的材料。相對于傳統(tǒng)的SiGe材料或GaAs材料來說，磷化銦(InP)材料有更好的電性能，可以提供更高的飽和電子速度，更低的表面復(fù)合速度以及更高的電絕緣強(qiáng)度。在采用新型材料的過程中，還需要解決一系列的工藝問題。比如InP材料的高頻特性非常好，但如果采用傳統(tǒng)的鋁基底時(shí)會存在熱膨脹系數(shù)不一致以及散熱效率的問題。氮化鋁（AIN）是一種新型的陶瓷基底材料，其熱性能和InP更接近且散熱特性更好，但是AlN材料成本高且硬度大，需要采用激光刻蝕加工。
借助于新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的硬件帶寬已經(jīng)可以達(dá)到60GHz以上，同時(shí)由于磷化銦(InP)材料的優(yōu)異特性，使得示波器的頻響更加平坦、底噪聲更低，同時(shí)其較低的功率損耗給產(chǎn)品帶來更高的可靠性。
磷化銦材料除了提供優(yōu)異的高帶寬性能外，其反向擊穿電壓更高，采用磷化銦材料設(shè)計(jì)的示波器可用輸入量程可達(dá)8V，相當(dāng)于20dBm以上，大大提高了實(shí)用性和可靠性。
ADC采樣技術(shù)對示波器采樣率的提升
要保證高的實(shí)時(shí)的帶寬，根據(jù)Nyqist定律，放大器后面ADC采樣的速率至少要達(dá)到帶寬的2倍以上（工程實(shí)現(xiàn)上會保證2.5倍以上）。目前市面上根本沒有這么高采樣率的單芯片的ADC，因此高帶寬的實(shí)時(shí)示波器通常會采用ADC的拼接技術(shù)。
典型的ADC拼接有兩種方式，一種是片內(nèi)拼接，另一種是片外拼接。片內(nèi)拼接是把多個(gè)ADC的內(nèi)核集成在一個(gè)芯片內(nèi)部，典型的如下圖所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采樣率的10bit ADC芯片，在業(yè)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)8GHz帶寬范圍內(nèi)10bit的分辨率。片內(nèi)拼接的優(yōu)點(diǎn)是各路之間的一致性和時(shí)延控制可以做地非常好，但是對于集成度和工藝的挑戰(zhàn)非常大。
所謂片外拼接，就是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的采用片外拼接的例子是Keysight公司的Z系列示波器，其采用8片20G/s采樣率的ADC拼接實(shí)現(xiàn)了160G/s的采樣率，保證了高達(dá)63GHz的硬件帶寬。
片外拼接要求各芯片間偏置和增益的一致性非常好，同時(shí)對PCB上信號和采樣時(shí)鐘的時(shí)延要精確控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采樣保持再進(jìn)行信號分配和模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)，大大提高了對于PCB走線誤差和抖動的裕量。
