射频信号如何用示波器测量?

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前言
 
有些工程师朋友联系我说,除了数字工程师要用到射频仪器外,有些射频工程师也会用到示波器做射频信号测试,但是不清楚精度如何,以及和频谱仪等传统仪器的区别,希望能对这方面做些讲解,为此,我对示波器做射频信号测试的应用案例和注意事项做了一些整理,将陆续连载,希望能给大家提供一些帮助。
 
时域测量的直观性
 
要进行射频信号的时域测量的一个很大原因在于其直观性。比如在下图中的例子中分别显示了4个不同形状的雷达脉冲信号,信号的载波频率和脉冲宽度差异不大,如果只在频域进行分析,很难推断出信号的时域形状。由于这4种时域脉冲的不同形状对于最终的卷积处理算法和系统性能至关重要,所以就需要在时域对信号的脉冲参数进行精确的测量,以保证满足系统设计的要求。
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更高分析带宽的要求
 
在传统的射频微波测试中,也会使用一些带宽不太高(<1GHz)的示波器进行时域参数的测试,比如用检波器检出射频信号包络后再进行参数测试,或者对信号下变频后再进行采集等。此时由于射频信号已经过滤掉,或者信号已经变换到中频,所以对测量要使用的示波器带宽要求不高。
 
但是随着通信技术的发展,信号的调制带宽越来越宽。比如为了兼顾功率和距离分辨率,现代的雷达会在脉冲内部采用频率或者相位调制,典型的SAR成像雷达的调制带宽可能会达到2GHz以上。在卫星通信中,为了小型化和提高传输速率,也会避开拥挤的C波段和Ku波段,采用频谱效率和可用带宽更高的Ka波段,实际可用的调制带宽可达到3GHz以上甚至更高。
 
在这么高的传输带宽下,传统的检波或下变频的测量手段会遇到很大的挑战。由于很难从市面上寻找到一个带宽可达到2GHz以上同时幅频/相频特性又非常理想的检波器或下变频器,所以会造成测试结果的严重失真。
 
同时,如果需要对雷达脉冲或者卫星通信信号的内部调制信息进行解调,也需要非常高的实时带宽。传统的频谱仪测量精度和频率范围很高,但实时分析带宽目前还达不到GHz以上。因此,如果要进行GHz以上宽带信号的分析解调,目前最常用的手段就是借助于宽带示波器或者高速的数采系统。
 
现代实时示波器技术的发展
 
要实现射频信号的直接测量,首先得益于由于材料和芯片技术发展带来的实时示波器性能的提升。
 
传统的示波器由于带宽较低,无法直接捕获高频的射频信号,所以在射频微波领域的应用仅限于中频或控制信号的测试,但随着芯片、材料和封装技术的发展,现代实时示波器的的带宽、采样率、存储深度以及底噪声、抖动等性能指标都有了显著的提升。
 
材料技术革新对示波器带宽的提升
 
以材料技术为例,磷化铟(InP)材料是这些年国际和国内比较热门的材料。相对于传统的SiGe材料或GaAs材料来说,磷化铟(InP)材料有更好的电性能,可以提供更高的饱和电子速度,更低的表面复合速度以及更高的电绝缘强度。在采用新型材料的过程中,还需要解决一系列的工艺问题。比如InP材料的高频特性非常好,但如果采用传统的铝基底时会存在热膨胀系数不一致以及散热效率的问题。氮化铝(AIN)是一种新型的陶瓷基底材料,其热性能和InP更接近且散热特性更好,但是AlN材料成本高且硬度大,需要采用激光刻蚀加工。
 
借助于新材料和新技术的应用,现代实时示波器的硬件带宽已经可以达到60GHz以上,同时由于磷化铟(InP)材料的优异特性,使得示波器的频响更加平坦、底噪声更低,同时其较低的功率损耗给产品带来更高的可靠性。
 
磷化铟材料除了提供优异的高带宽性能外,其反向击穿电压更高,采用磷化铟材料设计的示波器可用输入量程可达8V,相当于20dBm以上,大大提高了实用性和可靠性。
 
ADC采样技术对示波器采样率的提升
 
要保证高的实时的带宽,根据Nyqist定律,放大器后面ADC采样的速率至少要达到带宽的2倍以上(工程实现上会保证2.5倍以上)。目前市面上根本没有这么高采样率的单芯片的ADC,因此高带宽的实时示波器通常会采用ADC的拼接技术。
 
典型的ADC拼接有两种方式,一种是片内拼接,另一种是片外拼接。片内拼接是把多个ADC的内核集成在一个芯片内部,典型的如下图所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采样率的10bit ADC芯片,在业内第一次实现8GHz带宽范围内10bit的分辨率。片内拼接的优点是各路之间的一致性和时延控制可以做地非常好,但是对于集成度和工艺的挑战非常大。
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所谓片外拼接,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采样率的ADC拼接实现了160G/s的采样率,保证了高达63GHz的硬件带宽。
 
片外拼接要求各芯片间偏置和增益的一致性非常好,同时对PCB上信号和采样时钟的时延要精确控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采样保持再进行信号分配和模数转换的技术,大大提高了对于PCB走线误差和抖动的裕量。
 
正是由于芯片、材料和工艺技术带来的示波器带宽和采样率的快速提升,使得宽带实时示波器开始在射频信号的测试中发挥关键的作用。后续我们将介绍一些用实时示波器做简单射频、雷达脉冲、调频信号、调制器时延、宽带信号解调等的一些典型应用。
 
射频信号时频域综合分析
 
实时示波器性能的提升使得其带宽可以直接覆盖到射频、微波甚至毫米波的频段,因此可以直接捕获信号载波的时域波形并进行分析。从中可以清晰看到信号的脉冲包络以及脉冲包络内部的载波信号的时域波形,这使得时域参数的测试更加简洁和直观。由于不需要对信号下变频后再进行采样,测试系统也更加简单,同时避免了由于下变频器性能不理想带来的额外信号失真。
 
更进一步地,还可以借助于示波器的时间门功能对一段射频信号的某个区域放大显示或者做FFT变换等。下图是在一段射频脉冲里分别选择了两个不同位置的时间窗口,并分别做FFT变换的结果,从中可以清晰看出不同时间窗范围内信号频谱的变化情况。
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雷达脉冲信号分析
 
对于雷达等脉冲调制信号来说,对于脉冲信号其宽度、上升时间、占空比、重复频率等都是非常关键的时域参数。按照IEEE Std 181规范的要求,一些主要的脉冲参数的定义如下图所示。
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当用宽带示波器已经把射频脉冲捕获下来以后,就可以借助于示波器里内置的数学函数编辑一个数学的检波器。如下图所示,黑色曲线是从原始信号里用数学检波器检出的包络信号。包络波形得到后,借助于示波器本身的参数测量功能,就可以进行一些基本的脉冲参数测试。
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更进一步地,我们还可以借助于示波器的FFT功能得到信号的频谱分布,借助示波器的抖动(Jitter)分析软件得到脉冲内部信号频率或相位随时间的变化波形,并把这些结果显示在一起。下图显示的是一个Chirp雷达脉冲的时域波形、频率/相位变化波形以及频谱的结果,通过这些波形的综合显示和分析,可以直观地看到雷达信号的变化特性,并进行简单的参数测量。
 
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在雷达等脉冲信号的测试中,是否能够捕获到足够多的连续脉冲以进行统计分析也是非常重要的。如果要连续捕获上千甚至上万个雷达脉冲,可能需要非常长时间的数据记录能力。比如某搜索雷达的脉冲的重复周期是5ms,如果要捕获1000个连续的脉冲需要记录5s时间的数据。如果使用的示波器的采样率是80G/s,记录5s时间需要的内存深度=80G/s*50s=400G样点,这几乎是不可能实现的。
 
为了解决这个问题,现代的高带宽示波器里都支持分段存储模式。所谓分段存储模式(Segmented Memory Mode),是指把示波器里连续的内存空间分成很多段,每次触发到来时只进行一段很短时间的采集,直到记录到足够的段数。很多雷达脉冲的宽度很窄,在做雷达的发射机性能测试时,如果感兴趣的只是有脉冲发射时很短一段时间内的信号,使用分段存储就可以更有效利用示波器的内存。
 
在下图中的例子里,被测脉冲的宽度是1us,重复周期是5ms。我们在示波器里使用分段存储模式,设置采样率为80G/s,每段分配200k点的内存,并设置做10000段的连续记录。这样每段可以记录的时间长度=200k/80G=2.5us,总共使用的示波器的内存深度=200k点*10000段=2G点,实现的记录时间=5ms*10000=50s。也就是说,通过分段存储模式实现了连续50s内共10000个雷达脉冲的连续记录。
 
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