一種時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 韜， 徐文靖， 劉永勝， 王百泉， 王 力， 陳思宇， 師振盛， 陳 娟， 張安學(xué)

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 511458； 2. 西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著微波、 毫米波及太赫茲波的快速發(fā)展， 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)成為測(cè)量領(lǐng)域使用頻率最高的儀器之一. 而超寬帶電子設(shè)備與無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展， 對(duì)系統(tǒng)性能的測(cè)試與評(píng)估提出了更高的要求， 除頻域特性分析外， 時(shí)域分析方法也成為新型微波網(wǎng)絡(luò)特性表征的重要方法.

與頻域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用掃頻連續(xù)波不同， 時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量技術(shù)是利用快速階躍信號(hào)或沖擊脈沖信號(hào)激勵(lì)被測(cè)微波網(wǎng)絡(luò)， 直接測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)， 并通過(guò)信號(hào)分析方法獲得微波網(wǎng)絡(luò)的頻域參數(shù). 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀有頻域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩類. 頻域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基本是采用外差原理， 利用本振信號(hào)， 將被測(cè)信號(hào)變頻到中頻信號(hào)， 進(jìn)行分析處理， 得到被測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-2]. 雖然頻域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也具備時(shí)域分析， 但并不是真正的時(shí)域測(cè)試技術(shù)， 其在獲得頻域測(cè)試數(shù)據(jù)后， 通過(guò)傅里葉逆變換獲得時(shí)域信號(hào)， 在時(shí)域?qū)W(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行分析[3]. 1968年， 尼科爾森[4-5]實(shí)現(xiàn)了可使用的時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析儀， 并對(duì)時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了重要改進(jìn). 在文獻(xiàn)[6]中指出， 在時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中， 采用脈沖信號(hào)相比階躍信號(hào)， 在頻率范圍內(nèi)能獲得的能量更多， 得到的信噪比更高. 在文獻(xiàn)[7]中提出一種時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)， 由脈沖發(fā)生器、 示波器和計(jì)算機(jī)組成， 來(lái)實(shí)現(xiàn)散射特性測(cè)量.

目前， 國(guó)際上已有多個(gè)生產(chǎn)廠商開(kāi)發(fā)自己的時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器. 泰克公司(Tektronix)將采樣示波器與時(shí)域反射計(jì)(Time Domain Reflectometer, TDR)采樣模塊結(jié)合， 配備S參數(shù)分析軟件， 可測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)與阻抗； 是德科技(Keysight)將其矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C ENA通過(guò)配置TDR選件， 采用上升沿為22.3 ps的階躍信號(hào)激勵(lì)信號(hào)， 具備了時(shí)域反射與時(shí)域傳輸測(cè)試功能； 力科(Teledyne LeCroy)儀器采用上升沿為6 ps階躍脈沖激勵(lì)， 研發(fā)出商用的時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀， 測(cè)試范圍覆蓋DC-40 GHz.

大多數(shù)時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器由脈沖發(fā)生器和示波器組成， 或用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配備TDR選件， 實(shí)現(xiàn)時(shí)域特性測(cè)量. 本文設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀， 實(shí)現(xiàn)對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的散射特性和時(shí)域特性測(cè)量.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的臺(tái)式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)， 體積大、 重量重， 不適合外出攜帶. 本文所設(shè)計(jì)的時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀總體方案采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)， 采用“計(jì)算機(jī)平臺(tái)+測(cè)試模塊”的設(shè)計(jì)思想. 測(cè)試模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)， 模塊通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信， 計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)儀表的參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)處理、 存儲(chǔ)與顯示， 實(shí)現(xiàn)了在尺寸、 成本和可靠性方面的顯著改進(jìn).

測(cè)試模塊的模塊化設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示， 測(cè)試模塊系統(tǒng)主要包括脈沖源模塊1、 脈沖源模塊2、 超寬帶定向耦合器模塊、 超寬帶采樣接收模塊、 數(shù)據(jù)預(yù)處理與邏輯控制模塊、 計(jì)算機(jī)模塊、 系統(tǒng)軟件模塊等.

脈沖源模塊用于產(chǎn)生60 ps量級(jí)前沿沖擊脈沖， 脈沖源模塊1用于從1端口和2端口信號(hào)激勵(lì)被測(cè)器件， 脈沖源模塊2用于從3端口和4端口信號(hào)激勵(lì)被測(cè)器件. 脈沖源模塊1和2也可由一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)和一個(gè)脈沖源模塊代替.

超寬帶定向耦合器模塊由8個(gè)超寬帶定向耦合器構(gòu)成， 為信號(hào)分離裝置. 當(dāng)用于單端S參數(shù)測(cè)量時(shí)， 通過(guò)開(kāi)關(guān)切換， 它可分離出被測(cè)件的 4個(gè)端口的入射信號(hào)， 反射信號(hào)和傳輸信號(hào)， 分離后的信號(hào)進(jìn)入超寬帶采樣接收模塊.

超寬帶采樣接收模塊為4通道接收模塊， 用于接收超寬帶定向耦合器模塊分離出的4端口被測(cè)件的入射信號(hào)， 反射信號(hào)和傳輸信號(hào)， 并將其采樣、 保持、 放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog to Digital Conversion, ADC).

數(shù)據(jù)預(yù)處理和邏輯控制模塊為整個(gè)測(cè)試模塊的控制中心， 由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)實(shí)現(xiàn)， 負(fù)責(zé)脈沖源觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生、 超寬帶采樣接收模塊控制時(shí)序的產(chǎn)生、 以及ADC數(shù)據(jù)的緩存與預(yù)處理， 并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令交互.

計(jì)算機(jī)通過(guò)USB電纜與整個(gè)測(cè)試模塊相連， 上面安裝基于Windows操作系統(tǒng)的測(cè)控與數(shù)據(jù)處理軟件， 負(fù)責(zé)測(cè)試參數(shù)的設(shè)置、 數(shù)據(jù)的處理、 顯示與存儲(chǔ). 通過(guò)數(shù)據(jù)處理， 被測(cè)件頻域正向S參數(shù)和反向S參數(shù)可通過(guò)下式求得[8]

(1)

(2)

式中：i=1, 2, 3, 4，j=1, 2, 3, 4，Bi表示反射信號(hào),Rj表示參考信號(hào),FFT()表示時(shí)域信號(hào)的傅里葉變換.對(duì)于平衡網(wǎng)絡(luò)， 可將雙差分端口網(wǎng)絡(luò)看做4個(gè)單端端口網(wǎng)絡(luò)， 測(cè)試其單端S參數(shù)， 然后利用數(shù)字巴倫原理， 將單端S參數(shù)轉(zhuǎn)換成混合模S參數(shù).

2 脈沖源模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)前產(chǎn)生快前沿脈沖的途徑有雪崩三極管電路、 Marx電路、 隧道二極管電路等[9-11]， 本文中的脈沖源用于產(chǎn)生頻譜很寬的激勵(lì)信號(hào)， 脈沖邊沿要達(dá)到60 ps量級(jí)， 一般的脈沖產(chǎn)生電路很難實(shí)現(xiàn). 本文采取的電路框圖如圖 2 所示， 所提出的脈沖產(chǎn)生技術(shù)包括脈沖觸發(fā)激勵(lì)信號(hào)、 基于Marx電路脈沖產(chǎn)生模塊和基于階躍恢復(fù)二極管(Step Recovery Diode, SRD)脈沖產(chǎn)生電路模塊3部分. 第1部分用于正弦波或方波激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生， 第2部分用于脈沖產(chǎn)生， 第3部分對(duì)ns量級(jí)脈沖前沿進(jìn)行加速， 實(shí)現(xiàn)60 ps量級(jí)脈沖上升沿.

圖 2 超寬帶60 ps量級(jí)邊沿脈沖電路框圖

圖 3 基于Marx電路和SRD的脈沖電路原理圖

脈沖模塊的研制， 本文采用基于Marx電路和SRD的脈沖電路， 其原理圖如圖 3 所示. 觸發(fā)信號(hào)源、 儲(chǔ)能電容C1～C5、 限流電阻R1～R9、 雪崩三極管Q1和SRD構(gòu)成了脈沖產(chǎn)生電路. 在觸發(fā)信號(hào)作用下， Marx電路將發(fā)生雪崩效應(yīng)的三極管串聯(lián)， 實(shí)現(xiàn)雪崩加速效果， 獲得快速上升沿. 由于后級(jí)階躍恢復(fù)二極管的作用， 進(jìn)一步銳化脈沖信號(hào)邊沿， 產(chǎn)生60 ps量級(jí)上升沿的超寬帶窄脈沖信號(hào). 脈沖電路測(cè)試波形如圖 4 所示， 頻譜如圖 5 所示， 其30 dB頻率范圍達(dá)到9.25 GHz.

圖 5 脈沖波形頻譜圖

3 超寬帶定向耦合器模塊設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀定向耦合器工作頻率范圍從10 MHz跨度到26.5 GHz， 工作頻帶寬. 考慮到超寬帶定向耦合器在超寬帶同軸矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的作用及自身的特性， 將耦合頻響做成斜率特性， 即隨頻率升高而耦合度減小， 以補(bǔ)償其它器件隨頻率的升高導(dǎo)致衰減增大而帶來(lái)的不良影響.

根據(jù)耦合結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)方案采用空氣介質(zhì)的厚帶漸變耦合帶狀線[12-13]. 這種厚帶設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以做到插損較小以及較好地方向性和低回波損耗， 并且可以將耦合頻響設(shè)計(jì)成斜率響應(yīng)， 同時(shí)還可將測(cè)試端口同軸連接器和定向耦合器設(shè)計(jì)為一體， 用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中， 無(wú)須另外設(shè)計(jì)測(cè)試端口同軸連接器， 而一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)將優(yōu)于測(cè)試端口同軸連接器與定向耦合器分體組合設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)， 缺點(diǎn)是耦合頻響波紋比高頻介質(zhì)基片薄帶漸變耦合帶狀線大， 但仍可較好地滿足系統(tǒng)要求. 這種設(shè)計(jì)方案對(duì)加工及裝配要求較高， 調(diào)試難度較大.

由設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及系統(tǒng)要求最終確定：輸入端口、 輸出端口及耦合端口為3.5 mm陰頭連接器， 隔離端口接匹配負(fù)載. 耦合內(nèi)導(dǎo)體通過(guò) 3對(duì)頂針懸置于耦合腔體中， 與各端口及匹配負(fù)載之間通過(guò)波紋管彈性接觸， 實(shí)現(xiàn)同軸到帶狀線的連接和匹配. 并在生產(chǎn)中改進(jìn)工藝、 分析材料特性， 加工、 裝配、 調(diào)試完成后， 滿足項(xiàng)目需求的超寬帶定向耦合器如圖 6 所示， 測(cè)試曲線如圖 7 所示， 各端口在超寬頻率范圍內(nèi)回波損耗高， 端口2和3隔離度在大范圍內(nèi)大于35 dB， 耦合度為12 dB～16 dB， 方向性大于15 dB.

圖 6 超寬帶定向耦合器實(shí)物圖

圖 7 超寬帶定向耦合器測(cè)試曲線

4 超寬帶采樣接收模塊設(shè)計(jì)

近年來(lái), 基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的實(shí)時(shí)采樣技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展， 雖然有多種高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供增強(qiáng)的采樣速率， 但其中能夠提供數(shù)GHz以上輸入帶寬的則很少. 本文采用基于時(shí)域變換取樣原理的等效采樣技術(shù)[14-18]， 將高速脈沖信號(hào)變成慢信號(hào)， 并且在變換時(shí)保持信號(hào)的波形形狀不變. 在設(shè)計(jì)過(guò)程中， 如何實(shí)現(xiàn)等效采樣， 對(duì)更高寬帶的輸入信號(hào)進(jìn)行精確的波形重構(gòu)是要解決的關(guān)鍵技術(shù).

利用等效采樣技術(shù)， 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了超寬帶采樣接收方案， 如圖 8 所示. 超寬帶信號(hào)首先經(jīng)過(guò)超寬帶的跟蹤保持模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤保持， 保證接收系統(tǒng)達(dá)到較高模擬帶寬. 跟蹤保持住的信號(hào)， 由后級(jí)ADC以低速率的采樣率(1 MHz～30 MHz)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換. 本系統(tǒng)中， 步進(jìn)采樣的取樣脈沖由時(shí)鐘模塊和延遲線完成. 時(shí)鐘模塊產(chǎn)生高精度低抖動(dòng)的固定周期的時(shí)鐘信號(hào)， 延遲線由步進(jìn)可調(diào)延遲模塊實(shí)現(xiàn).

圖 8 超寬帶采樣接收模塊框圖

時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)是脈沖源產(chǎn)生重復(fù)脈沖的時(shí)鐘信號(hào)， 該時(shí)鐘信號(hào)的周期與待測(cè)脈沖的重復(fù)周期相等. 時(shí)鐘?？蛇x用LTC6957芯片設(shè)計(jì)， 其信號(hào)抖動(dòng)為3 ps左右， 滿足系統(tǒng)高精度低抖動(dòng)要求.

步進(jìn)可調(diào)延遲模塊， 它的主要功能是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)間隔為Δt的步進(jìn)延遲. 該模塊中Δt是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)， 本文可做到10 ps的步進(jìn)， 對(duì)應(yīng)100 GHz的等效采樣率. 模塊中采用兩級(jí)延遲線結(jié)構(gòu)， 如圖 9 所示， MC10EP195芯片實(shí)現(xiàn)10 ps細(xì)延遲， DS1023芯片實(shí)現(xiàn)500 ps粗延遲， 既提高了采樣精度， 也增加了采樣點(diǎn)數(shù).

圖 9 兩級(jí)延遲線結(jié)構(gòu)

跟蹤保持(Track and Hold Amplifier, THA)模塊用于拓展高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集系統(tǒng)帶寬. 在該THA中進(jìn)行采樣， 低帶寬保持的輸出波形便可由一個(gè)帶寬低很多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理. 另外， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器在高輸入頻率時(shí)的線性度性能局限也得到解決. 多數(shù)高速ADC在內(nèi)部已經(jīng)集成了THA， 但其帶寬通常很小. 因此， 在ADC之前增加一個(gè)寬帶的THA可以構(gòu)成一個(gè)復(fù)合雙級(jí)組件. 目前已有成熟的跟蹤保持集成器件可應(yīng)用于本文系統(tǒng)， 如亞德諾半導(dǎo)體(ADI)的THA系列產(chǎn)品， 能夠提供寬帶精密信號(hào)采樣保持， 具有高線性度， 低噪聲， 低隨機(jī)孔徑抖動(dòng)性能和極小動(dòng)態(tài)范圍損失特點(diǎn).

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本文根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 制作原理樣機(jī)， 具體組成有脈沖電路、 時(shí)序控制電路、 采樣模塊、 超寬帶定向耦合器、 開(kāi)關(guān)模塊、 電源模塊和采集卡， 如圖 10 所示.

圖 10 系統(tǒng)原理樣機(jī)

超寬帶采樣接收模塊由時(shí)序控制電路和采樣模塊構(gòu)成. 時(shí)序控制電路包含F(xiàn)PGA模塊、 時(shí)鐘模塊和步進(jìn)可調(diào)延遲模塊. 采樣模塊包含跟蹤保持模塊、 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊， 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)輸出部分一方面利于采樣的信號(hào)能夠在示波器上顯示觀察， 另一方面利于采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集用于上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理和顯示.

測(cè)試設(shè)備主要有低通濾波器、 超寬帶天線、 射頻同軸線和中電科AV3692A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀， 用于對(duì)比和測(cè)試系統(tǒng)功能， 如S參數(shù)測(cè)量、 時(shí)域瞬態(tài)特性測(cè)量和故障診斷與定位功能.

5.1 S參數(shù)測(cè)量

為驗(yàn)證S參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性， 以400 MHz低通濾波器作為被測(cè)件， 對(duì)比AV3692A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量濾波器的回波損耗和插入損耗， 如圖 11 所示.

(a) 回波損耗

從圖 11 可知， 3 GHz頻帶范圍內(nèi)， 樣機(jī)系統(tǒng)與頻域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果在20 dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)， 最大誤差約1.5 dB， 整體曲線吻合基本一致. 在測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍上， AV3692A頻域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀比樣機(jī)系統(tǒng)大， 主要原因， 一是超寬帶窄脈沖信號(hào)相比單頻點(diǎn)信號(hào)有較寬的底噪， 二是樣機(jī)系統(tǒng)未做相關(guān)的降噪處理.

5.2 時(shí)域瞬態(tài)特性測(cè)量

時(shí)域瞬態(tài)特性測(cè)量， 以400 MHz低通濾波器和900 MHz 超寬帶天線為例， 分別測(cè)試在超寬帶窄脈沖激勵(lì)下， 它們得到的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)域波形. 其中， 超寬帶天線的S11頻率范圍為700 MHz～1.65 GHz， 用兩個(gè)天線分別一收一發(fā)， 兩個(gè)測(cè)試天線間隔約為20 cm， 觀察接收的時(shí)域波形， 如圖 12 所示.

(a) 原始信號(hào)

由圖 12 可知， 低通濾波器響應(yīng)信號(hào)仍然是單極性高斯脈沖信號(hào)， 而超寬帶天線響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠A的高斯脈沖信號(hào)， 低通濾波器和超寬帶天線響應(yīng)信號(hào)的脈沖寬度都展寬， 分別約為7 ns和4 ns， 脈沖峰峰值幅度都降低， 分別約為0.04 V和0.06 V. 同時(shí)， 信號(hào)分別有6 ns和8 ns的延遲.

圖 13 脈沖信號(hào)位置

對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的波形寬度， 由于頻率帶寬的不同， 超寬帶天線比低通濾波器帶寬大， 反映至?xí)r域， 超寬帶天線的時(shí)域波形會(huì)更窄. 對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的幅值， 受到多個(gè)因素影響， 如插入損耗、 回波損耗、 天線傳播損耗、 天線增益等. 對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的延遲， 主要由系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和連接線長(zhǎng)度決定， 天線響應(yīng)信號(hào)與兩個(gè)天線間距也有關(guān)系.

測(cè)試結(jié)果能夠直觀觀察到響應(yīng)信號(hào)的脈沖寬度、 幅度和延遲等時(shí)域特征變化， 對(duì)超寬帶系統(tǒng)測(cè)試， 例如時(shí)域探地雷達(dá)系統(tǒng)， 有重要的應(yīng)用價(jià)值.

5.3 故障診斷與定位

故障診斷與定位是本文系統(tǒng)時(shí)域分析方法的運(yùn)用， 原理類似于時(shí)域反射計(jì)， 通過(guò)時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行故障定位， 識(shí)別待測(cè)件中的阻抗變換類型. 在對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量時(shí)， 輸入信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)阻抗不連續(xù)位置發(fā)生反射， 響應(yīng)信號(hào)可以反映網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的細(xì)節(jié)性結(jié)構(gòu)以及它們的空間相對(duì)位置.

以0.25 m長(zhǎng)的同軸線作為測(cè)試對(duì)象， 一端連接測(cè)試系統(tǒng)， 另一端連接開(kāi)路或短路校準(zhǔn)件， 模擬開(kāi)路和短路故障. 如圖 13 所示， 當(dāng)同軸線開(kāi)路時(shí)， 初始信號(hào)與反射信號(hào)同相； 當(dāng)同軸線短路時(shí)， 初始信號(hào)與反射信號(hào)反相， 信號(hào)翻轉(zhuǎn). 反射信號(hào)相比初始信號(hào)延遲了2.5 ns， 利用微波原理， 式(3) 可計(jì)算故障點(diǎn)位置.

(3)

式中：s為故障點(diǎn)位置； Δt為延遲時(shí)間；c為光速；ε為同軸線介質(zhì)介電常數(shù). 測(cè)試用的同軸線介電常數(shù)為2.18， 延遲時(shí)間為2.5 ns， 由公式(3)計(jì)算可得，s約為0.254 m， 與同軸線長(zhǎng)度基本一致， 可判斷在同軸線另一端口存在故障點(diǎn). 本文通過(guò)信號(hào)的相位和延遲時(shí)間判斷故障點(diǎn)類型和位置， 實(shí)現(xiàn)了故障診斷和定位功能.

6 結(jié) 論

本文的主要研究是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng). 系統(tǒng)組成主要包含脈沖源模塊、 超寬帶定向耦合器模塊和超寬帶采樣接收模塊. 其中， 脈沖源模塊設(shè)計(jì)是基于Marx電路和階躍恢復(fù)二極管的60 ps量級(jí)邊沿的超寬帶窄脈沖電路； 超寬帶定向耦合器模塊是采用空氣介質(zhì)的厚帶漸變耦合帶狀線方案設(shè)計(jì)， 26.5 GHz頻率范圍內(nèi)， 隔離度大于35 dB， 耦合度為12 dB～16 dB， 方向性大于15 dB； 超寬帶采樣接收模塊是利用等效采樣技術(shù)， 結(jié)合跟蹤保持模塊和兩級(jí)延遲線結(jié)構(gòu)， 完成10 ps步進(jìn)間隔的模塊設(shè)計(jì). 系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了3項(xiàng)功能測(cè)試， ① 準(zhǔn)確測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)， ② 完整測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域瞬態(tài)特性， ③ 實(shí)現(xiàn)對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)故障診斷與定位. 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)， 不僅在雷達(dá)目標(biāo)超寬帶瞬態(tài)散射特性測(cè)量領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值， 同時(shí)在雷達(dá)與通信系統(tǒng)故障等軍事裝備測(cè)試領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用前景.