基于共面波導(dǎo)的NVNA相位參考設(shè)計及應(yīng)用

徐清華，林茂六

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京100013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

在過去的30年里，人們習(xí)慣用傳統(tǒng)S參數(shù)來表征被測器件（系統(tǒng)）的傳輸特性。而S參數(shù)的一個重要的前提假設(shè)是器件（系統(tǒng)）為線性時不變的。但隨著電子工程應(yīng)用向更大功率的推進，器件（系統(tǒng)）越來越多的工作在其非線性區(qū)域[1]。這樣傳統(tǒng)的S參數(shù)越來越不能滿足當(dāng)代電子測量技術(shù)的要求，為此Agilent推出了新一代的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（NVNA）。其與傳統(tǒng)的線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的不同之處在于，它可以更加全面的表征被測器件（系統(tǒng)）的傳遞函數(shù)。

Agilent推出的基于混頻器NVNA是在傳統(tǒng)的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)上的升級換代產(chǎn)品。這種結(jié)構(gòu)的測試系統(tǒng)具有很高的無寄生動態(tài)范圍（SFDR），通常優(yōu)于100 dBc。并且由于自身強大的計算能力，其甚至可以被當(dāng)做一臺本底噪聲極低的超寬帶示波器來使用。

其中相位參考組件是這種非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的關(guān)鍵組成部分。其相位校準件又稱諧波相位參考標準或梳狀波發(fā)生器，對應(yīng)的時域為周期性的超窄脈沖信號源，因此在頻域能產(chǎn)生一系列離散的諧波即梳狀譜。這種發(fā)生器目前是使用非線性器件來實現(xiàn)，例如階躍恢復(fù)二極管（SRD）和非線性傳輸線（NLTL）等[2-3]。

本文利用SRD在共面波導(dǎo)上設(shè)計了超窄脈沖發(fā)生器，其諧波相位可重復(fù)性優(yōu)于±1.75°。并利用此窄脈沖發(fā)生器作為哈工大與中電集團41所共同研制的NVNA原型樣機的相位參考以及相位校準組件對NVNA進行了相位校準。此外運用此窄脈沖發(fā)生器，作為相位傳遞標準對Tektronix公司的實時采樣示波器進行了復(fù)頻率響應(yīng)校準。

1 窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計與仿真

利用階躍恢復(fù)二極管（SRD）的傳輸特性和一個短路線，使SRD生成的信號180°移相并反射后與原信號進行疊加，生成窄脈沖序列。具體原理如圖1所示[4]。

圖1 脈沖序列產(chǎn)生過程Fig.1 Schematic of pulse sequence generated

具體原理及設(shè)計仿真方案在這里不再贅述[19]。在ADS仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩種封裝形式（90°及180°）的窄脈沖信號發(fā)生器的電路，分別如圖2和圖3所示。

選用超寬帶合成掃頻信號發(fā)生器AV148作為激勵信號源，經(jīng)功率放大器保證輸入到窄脈沖放大器的信號輸入功率在22 dBm。使用Agilent 86100C等效采樣示波器及R&S公司的頻譜儀分別從時域及頻率來測試窄脈沖發(fā)生器的輸出信號。圖4觀察到的為200 MHz、半幅寬度約為80 ps的窄脈沖信號。實驗測得該脈沖信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生重復(fù)頻率為100 MHz～500 MHz的脈沖序列，幅度穩(wěn)定且實驗結(jié)果基本與仿真相符合。圖5為在頻譜儀上觀察到該脈沖信號發(fā)生器輸出的梳狀譜線。

圖2 基于共面波導(dǎo)的脈沖信號發(fā)生器版圖Fig.2 Layout of the pulse signal generator based on coplanar waveguide

圖3 窄脈沖信號發(fā)生器原型實驗電路Fig.3 Pulse signal circuit and the cavity in-kind

圖4 脈沖信號發(fā)生器時域波形Fig.4 Pulse time-domain waveform signal generator

圖5 脈沖信號發(fā)生器頻域梳狀譜Fig.5 Comb spectrum of the signal spectrum

說明：實驗所使用示波器型號為Agilent等效采樣示波器86100C，示波器的帶寬檔位為26.5GHz。頻譜儀為R&S公司的FSU46，頻率范圍為20 Hz～46 GHz。測試時信號發(fā)生器輸出端和示波器、頻譜儀之間添加了10 dB衰減器來保護示波器，消除了衰減器的影響后脈沖實際峰值為0.7 V，基波的幅度約為-6 dBm，在10 GHz處幅度為-50 dBm。

2 脈沖發(fā)生器的相位定標及可重復(fù)性分析

當(dāng)該寬帶諧波相位參考被用于校準測量儀器相位響應(yīng)的傳遞標準時，需要對其準確地定標[8-10]。使用Agilent等效采樣示波器86100C對設(shè)計的寬帶諧波相位參考進行校準。在此之前需要對86100C的復(fù)頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)進行定標，定標采用NTN校準技術(shù)[11-13]。

窄脈沖發(fā)生器需正弦信號源激勵，這里用超寬帶合成掃頻信號發(fā)生器AV1487來提供200 MHz的正弦波信號驅(qū)動，用自校準過的功率計監(jiān)測功放輸出功率使之保持在24 dBm，并在放大器和窄脈沖發(fā)生器之間添加了3 dB的衰減器以保護窄脈沖發(fā)生器同時使脈沖發(fā)生器和功放有更好的匹配。在測試窄脈沖發(fā)生器的輸出信號之前，所有儀器儀表及放大器須開機預(yù)熱半小時以上。

在定標過程中，定標的準確度受以下幾個方面的影響：示波器相位響應(yīng)、時基失真和時基抖動、溫度漂移和連接器失配誤差等。本文參照文獻[10，14~15]的方法，對窄脈沖發(fā)生器輸出波形進行時基失真、溫漂和噪聲的相關(guān)處理。完整的定標過程如圖6所示。

圖6 窄脈沖諧波相位參考定標流程圖Fig.6 Characterizing procedure of comb-generator harmonic phase reference

在經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)處理后，可得到窄脈沖發(fā)生器接到50Ω理想負載時，輸出信號的頻譜特性。最后獲得的諧波相位定標結(jié)果的如圖7所示。

圖7 窄脈沖諧波相位定標結(jié)果（200 MHz激勵下）Fig.7 Phase characterization results of comb-generator（200 MHz excitation）

在獲得了窄脈沖發(fā)生器諧波相位定標結(jié)果之后，還需要考察窄脈沖發(fā)生器的相位可重復(fù)性。相位可重復(fù)性是考察窄脈沖發(fā)生器輸出穩(wěn)定性的重要指標，其作為NVNA的諧波相位參考標準，會直接影響到NVNA的校準精度。

使用相同的測試儀器、使用相同的放大器、在同樣的激勵功率和激勵頻率下，連續(xù)7天采集了窄脈沖波發(fā)生器的輸出數(shù)據(jù)。共獲得7組窄脈沖諧波相位定標數(shù)據(jù)。對采集的數(shù)據(jù)按Student t分布進行了統(tǒng)計分析[16]。圖8所示為在激勵頻率200 MHz時，脈沖信號諧波相位在95%置信概率下的相位可重復(fù)性。結(jié)果表明在小于或等于30次諧波時，該脈沖發(fā)生器的相位可重復(fù)性優(yōu)于±1.75°，達到NVNA對諧波相位參考標準要求。

圖8 窄脈沖發(fā)生器的諧波相位可重復(fù)性（200 MHz激勵下95%置信概率）Fig.8 Phase uncertainty of comb-generator（200 MHz excitation，95%confidence interval）

3 窄脈沖發(fā)生器的應(yīng)用

3.1 NVNA的諧波相位參考和諧波相位絕對校準

基于混頻器的NVNA結(jié)構(gòu)是在線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)上進行的改造和擴充，其關(guān)鍵就是加入了第五個通道：相位參考通道。其重要的組件也是其進行非線性測量的必不可少的組件即為設(shè)計的這個窄脈沖發(fā)生器。具體的校準及測試流程見參考文獻[17-18]。所設(shè)計的窄脈沖發(fā)生器安裝到由哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中電41所共同研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原型樣機。樣機已于2010年研制成功，并于2010年11月通過了中國電子科技集團公司組織的專家組鑒定。

3.2 相位傳遞標準

把設(shè)計的窄脈沖發(fā)生器作為相位傳遞標準，對Tektronix公司的DPO7254實時采樣示波器復(fù)頻率特性進行校準。這款DPO7254為4通道實時采樣示波器，其硬件模擬帶寬為2.5 GHz、上升時間10%～90%（典型值）為150 ps，單通道實時采樣速率（最大）為 40 G s/s。

數(shù)據(jù)處理流程與圖6相類似[10]。經(jīng)校準后Tektronix公司的實時采樣示波器DPO7254的幅度和相位響應(yīng)如圖9所示。

圖9 Tektronix實時采樣示波器DPO7254校準后的幅度相位響應(yīng)Fig.9 Amplitude and phase response of the calibrated oscilloscope Tektronix DPO7254

由以上示波器的幅度、相位響應(yīng)，將頻域信號變回時域積分，可以求出示波器的階躍響應(yīng)如圖10所示。

由圖10可以看出校準后的示波器的上升時間（10%～90%）約為144 ps，這與示波器的說明書的參數(shù)非常一致。由此推導(dǎo)出該示波器3 dB帶寬為0.35/Tr=2.43 GHz，與示波器3 dB帶寬指標基本一致。這證明了此校準方法的有效性。更重要的是，用窄脈沖發(fā)生器作為相位傳遞標準校準示波器，比用掃頻法不但方便，而且能獲得復(fù)頻率響應(yīng)。

圖10 Tektronix實時采樣示波器DPO7254的階躍響應(yīng)Fig.10 Step response of the real-time sampling oscilloscope Tektronix DPO7254

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于共面波導(dǎo)和SRD的超窄脈沖發(fā)生器。首先介紹了利用非線性器件SRD設(shè)計脈沖信號發(fā)生器的原理，并利用ADS軟件對設(shè)計的電路進行了仿真，驗證了電路的正確性。對設(shè)計出的超窄脈沖發(fā)生器原型電路進行了測試，測試結(jié)果顯示窄脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生半幅寬度約為80 ps，重復(fù)頻率為100 MHz～500 MHz且幅度相位特性穩(wěn)定的脈沖信號。在使用安捷倫86100C等效采樣示波器對其進行了相位定標并對其相位可重復(fù)性進行了分析后，得到該窄脈沖發(fā)生器的相位可重復(fù)性優(yōu)于±1.75°。該脈沖發(fā)生器可作為NVNA的諧波相位參考，并且可作為相位傳遞標準用于校準其它帶寬小于20 GHz的示波器及其它電子設(shè)備的復(fù)頻率響應(yīng)。

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