基于共面波导的NVNA相位参考设计及应用

徐清华，林茂六

（1.中国计量科学研究院，北京100013；2.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，哈尔滨 150001）

在过去的30年里，人们习惯用传统S参数来表征被测器件（系统）的传输特性。而S参数的一个重要的前提假设是器件（系统）为线性时不变的。但随着电子工程应用向更大功率的推进，器件（系统）越来越多的工作在其非线性区域[1]。这样传统的S参数越来越不能满足当代电子测量技术的要求，为此Agilent推出了新一代的非线性矢量网络分析仪（NVNA）。其与传统的线性矢量网络分析仪（VNA）的不同之处在于，它可以更加全面的表征被测器件（系统）的传递函数。

Agilent推出的基于混频器NVNA是在传统的多端口矢量网络分析仪的基础上的升级换代产品。这种结构的测试系统具有很高的无寄生动态范围（SFDR），通常优于100 dBc。并且由于自身强大的计算能力，其甚至可以被当做一台本底噪声极低的超宽带示波器来使用。

其中相位参考组件是这种非线性矢量网络分析仪的关键组成部分。其相位校准件又称谐波相位参考标准或梳状波发生器，对应的时域为周期性的超窄脉冲信号源，因此在频域能产生一系列离散的谐波即梳状谱。这种发生器目前是使用非线性器件来实现，例如阶跃恢复二极管（SRD）和非线性传输线（NLTL）等[2-3]。

本文利用SRD在共面波导上设计了超窄脉冲发生器，其谐波相位可重复性优于±1.75°。并利用此窄脉冲发生器作为哈工大与中电集团41所共同研制的NVNA原型样机的相位参考以及相位校准组件对NVNA进行了相位校准。此外运用此窄脉冲发生器，作为相位传递标准对Tektronix公司的实时采样示波器进行了复频率响应校准。

1 窄脉冲发生器的设计与仿真

利用阶跃恢复二极管（SRD）的传输特性和一个短路线，使SRD生成的信号180°移相并反射后与原信号进行叠加，生成窄脉冲序列。具体原理如图1所示[4]。

图1 脉冲序列产生过程Fig.1 Schematic of pulse sequence generated

具体原理及设计仿真方案在这里不再赘述[19]。在ADS仿真的基础上设计了两种封装形式（90°及180°）的窄脉冲信号发生器的电路，分别如图2和图3所示。

选用超宽带合成扫频信号发生器AV148作为激励信号源，经功率放大器保证输入到窄脉冲放大器的信号输入功率在22 dBm。使用Agilent 86100C等效采样示波器及R&S公司的频谱仪分别从时域及频率来测试窄脉冲发生器的输出信号。图4观察到的为200 MHz、半幅宽度约为80 ps的窄脉冲信号。实验测得该脉冲信号发生器能够产生重复频率为100 MHz～500 MHz的脉冲序列，幅度稳定且实验结果基本与仿真相符合。图5为在频谱仪上观察到该脉冲信号发生器输出的梳状谱线。

图2 基于共面波导的脉冲信号发生器版图Fig.2 Layout of the pulse signal generator based on coplanar waveguide

图3 窄脉冲信号发生器原型实验电路Fig.3 Pulse signal circuit and the cavity in-kind

图4 脉冲信号发生器时域波形Fig.4 Pulse time-domain waveform signal generator

图5 脉冲信号发生器频域梳状谱Fig.5 Comb spectrum of the signal spectrum

说明：实验所使用示波器型号为Agilent等效采样示波器86100C，示波器的带宽档位为26.5GHz。频谱仪为R&S公司的FSU46，频率范围为20 Hz～46 GHz。测试时信号发生器输出端和示波器、频谱仪之间添加了10 dB衰减器来保护示波器，消除了衰减器的影响后脉冲实际峰值为0.7 V，基波的幅度约为-6 dBm，在10 GHz处幅度为-50 dBm。

2 脉冲发生器的相位定标及可重复性分析

当该宽带谐波相位参考被用于校准测量仪器相位响应的传递标准时，需要对其准确地定标[8-10]。使用Agilent等效采样示波器86100C对设计的宽带谐波相位参考进行校准。在此之前需要对86100C的复频率响应传递函数进行定标，定标采用NTN校准技术[11-13]。

窄脉冲发生器需正弦信号源激励，这里用超宽带合成扫频信号发生器AV1487来提供200 MHz的正弦波信号驱动，用自校准过的功率计监测功放输出功率使之保持在24 dBm，并在放大器和窄脉冲发生器之间添加了3 dB的衰减器以保护窄脉冲发生器同时使脉冲发生器和功放有更好的匹配。在测试窄脉冲发生器的输出信号之前，所有仪器仪表及放大器须开机预热半小时以上。

在定标过程中，定标的准确度受以下几个方面的影响：示波器相位响应、时基失真和时基抖动、温度漂移和连接器失配误差等。本文参照文献[10，14~15]的方法，对窄脉冲发生器输出波形进行时基失真、温漂和噪声的相关处理。完整的定标过程如图6所示。

图6 窄脉冲谐波相位参考定标流程图Fig.6 Characterizing procedure of comb-generator harmonic phase reference

在经过上述的数据处理后，可得到窄脉冲发生器接到50Ω理想负载时，输出信号的频谱特性。最后获得的谐波相位定标结果的如图7所示。

图7 窄脉冲谐波相位定标结果（200 MHz激励下）Fig.7 Phase characterization results of comb-generator（200 MHz excitation）

在获得了窄脉冲发生器谐波相位定标结果之后，还需要考察窄脉冲发生器的相位可重复性。相位可重复性是考察窄脉冲发生器输出稳定性的重要指标，其作为NVNA的谐波相位参考标准，会直接影响到NVNA的校准精度。

使用相同的测试仪器、使用相同的放大器、在同样的激励功率和激励频率下，连续7天采集了窄脉冲波发生器的输出数据。共获得7组窄脉冲谐波相位定标数据。对采集的数据按Student t分布进行了统计分析[16]。图8所示为在激励频率200 MHz时，脉冲信号谐波相位在95%置信概率下的相位可重复性。结果表明在小于或等于30次谐波时，该脉冲发生器的相位可重复性优于±1.75°，达到NVNA对谐波相位参考标准要求。

图8 窄脉冲发生器的谐波相位可重复性（200 MHz激励下95%置信概率）Fig.8 Phase uncertainty of comb-generator（200 MHz excitation，95%confidence interval）

3 窄脉冲发生器的应用

3.1 NVNA的谐波相位参考和谐波相位绝对校准

基于混频器的NVNA结构是在线性矢量网络分析仪的基础上进行的改造和扩充，其关键就是加入了第五个通道：相位参考通道。其重要的组件也是其进行非线性测量的必不可少的组件即为设计的这个窄脉冲发生器。具体的校准及测试流程见参考文献[17-18]。所设计的窄脉冲发生器安装到由哈尔滨工业大学和中电41所共同研制的具有自主知识产权的非线性矢量网络分析仪原型样机。样机已于2010年研制成功，并于2010年11月通过了中国电子科技集团公司组织的专家组鉴定。

3.2 相位传递标准

把设计的窄脉冲发生器作为相位传递标准，对Tektronix公司的DPO7254实时采样示波器复频率特性进行校准。这款DPO7254为4通道实时采样示波器，其硬件模拟带宽为2.5 GHz、上升时间10%～90%（典型值）为150 ps，单通道实时采样速率（最大）为 40 G s/s。

数据处理流程与图6相类似[10]。经校准后Tektronix公司的实时采样示波器DPO7254的幅度和相位响应如图9所示。

图9 Tektronix实时采样示波器DPO7254校准后的幅度相位响应Fig.9 Amplitude and phase response of the calibrated oscilloscope Tektronix DPO7254

由以上示波器的幅度、相位响应，将频域信号变回时域积分，可以求出示波器的阶跃响应如图10所示。

由图10可以看出校准后的示波器的上升时间（10%～90%）约为144 ps，这与示波器的说明书的参数非常一致。由此推导出该示波器3 dB带宽为0.35/Tr=2.43 GHz，与示波器3 dB带宽指标基本一致。这证明了此校准方法的有效性。更重要的是，用窄脉冲发生器作为相位传递标准校准示波器，比用扫频法不但方便，而且能获得复频率响应。

图10 Tektronix实时采样示波器DPO7254的阶跃响应Fig.10 Step response of the real-time sampling oscilloscope Tektronix DPO7254

4 结语

本文介绍了一种基于共面波导和SRD的超窄脉冲发生器。首先介绍了利用非线性器件SRD设计脉冲信号发生器的原理，并利用ADS软件对设计的电路进行了仿真，验证了电路的正确性。对设计出的超窄脉冲发生器原型电路进行了测试，测试结果显示窄脉冲发生器可以产生半幅宽度约为80 ps，重复频率为100 MHz～500 MHz且幅度相位特性稳定的脉冲信号。在使用安捷伦86100C等效采样示波器对其进行了相位定标并对其相位可重复性进行了分析后，得到该窄脉冲发生器的相位可重复性优于±1.75°。该脉冲发生器可作为NVNA的谐波相位参考，并且可作为相位传递标准用于校准其它带宽小于20 GHz的示波器及其它电子设备的复频率响应。

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