基于共面波導的NVNA相位參考設計及應用

徐清華，林茂六

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

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

Agilent推出的基于混頻器NVNA是在傳統的多端口矢量網絡分析儀的基礎上的升級換代產品。這種結構的測試系統具有很高的無寄生動態范圍（SFDR），通常優于100 dBc。并且由于自身強大的計算能力，其甚至可以被當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絡分析儀的關鍵組成部分。其相位校準件又稱諧波相位參考標準或梳狀波發生器，對應的時域為周期性的超窄脈沖信號源，因此在頻域能產生一系列離散的諧波即梳狀譜。這種發生器目前是使用非線性器件來實現，例如階躍恢復二極管（SRD）和非線性傳輸線（NLTL）等[2-3]。

本文利用SRD在共面波導上設計了超窄脈沖發生器，其諧波相位可重復性優于±1.75°。并利用此窄脈沖發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頻率響應校準。

1 窄脈沖發生器的設計與仿真

利用階躍恢復二極管（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 脈沖序列產生過程Fig.1 Schematic of pulse sequence generated

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

選用超寬帶合成掃頻信號發生器AV148作為激勵信號源，經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生器能夠產生重復頻率為100 MHz～500 MHz的脈沖序列，幅度穩定且實驗結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生器輸出的梳狀譜線。

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

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

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

圖5 脈沖信號發生器頻域梳狀譜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 脈沖發生器的相位定標及可重復性分析

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

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

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、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，對窄脈沖發生器輸出波形進行時基失真、溫漂和噪聲的相關處理。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

在經過上述的數據處理后，可得到窄脈沖發生器接到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果的如圖7所示。

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

在獲得了窄脈沖發生器諧波相位定標結果之后，還需要考察窄脈沖發生器的相位可重復性。相位可重復性是考察窄脈沖發生器輸出穩定性的重要指標，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7天采集了窄脈沖波發生器的輸出數據。共獲得7組窄脈沖諧波相位定標數據。對采集的數據按Student t分布進行了統計分析[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性。結果表明在小于或等于30次諧波時，該脈沖發生器的相位可重復性優于±1.75°，達到NVNA對諧波相位參考標準要求。

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

3 窄脈沖發生器的應用

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結構是在線性矢量網絡分析儀的基礎上進行的改造和擴充，其關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計的這個窄脈沖發生器。具體的校準及測試流程見參考文獻[17-18]。所設計的窄脈沖發生器安裝到由哈爾濱工業大學和中電41所共同研制的具有自主知識產權的非線性矢量網絡分析儀原型樣機。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

把設計的窄脈沖發生器作為相位傳遞標準，對Tektronix公司的DPO7254實時采樣示波器復頻率特性進行校準。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。

數據處理流程與圖6相類似[10]。經校準后Tektronix公司的實時采樣示波器DPO7254的幅度和相位響應如圖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，將頻域信號變回時域積分，可以求出示波器的階躍響應如圖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非常一致。由此推導出該示波器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，而且能獲得復頻率響應。

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

4 結語

本文介紹了一種基于共面波導和SRD的超窄脈沖發生器。首先介紹了利用非線性器件SRD設計脈沖信號發生器的原理，并利用ADS軟件對設計的電路進行了仿真，驗證了電路的正確性。對設計出的超窄脈沖發生器原型電路進行了測試，測試結果顯示窄脈沖發生器可以產生半幅寬度約為80 ps，重復頻率為100 MHz～500 MHz且幅度相位特性穩定的脈沖信號。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性進行了分析后，得到該窄脈沖發生器的相位可重復性優于±1.75°。該脈沖發生器可作為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備的復頻率響應。

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