一种时域矢量网络分析仪系统设计

谢 韬， 徐文靖， 刘永胜， 王百泉， 王 力， 陈思宇， 师振盛， 陈 娟， 张安学

(1. 中铁隧道局集团有限公司 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室， 广东 广州 511458； 2. 西安交通大学 信息与通信工程学院， 陕西 西安 710049)

0 引 言

随着微波、 毫米波及太赫兹波的快速发展， 矢量网络分析仪已经成为测量领域使用频率最高的仪器之一. 而超宽带电子设备与无线通信技术快速发展， 对系统性能的测试与评估提出了更高的要求， 除频域特性分析外， 时域分析方法也成为新型微波网络特性表征的重要方法.

与频域矢量网络分析仪采用扫频连续波不同， 时域网络分析仪测量技术是利用快速阶跃信号或冲击脉冲信号激励被测微波网络， 直接测量微波网络的瞬态响应， 并通过信号分析方法获得微波网络的频域参数. 矢量网络分析仪有频域矢量网络分析仪和时域矢量网络分析仪两类. 频域矢量网络分析仪基本是采用外差原理， 利用本振信号， 将被测信号变频到中频信号， 进行分析处理， 得到被测信号的幅度和相位信息， 系统结构复杂[1-2]. 虽然频域矢量网络分析仪也具备时域分析， 但并不是真正的时域测试技术， 其在获得频域测试数据后， 通过傅里叶逆变换获得时域信号， 在时域对网络特性进行分析[3]. 1968年， 尼科尔森[4-5]实现了可使用的时域网络分析仪， 并对时域矢量网络分析仪进行了重要改进. 在文献[6]中指出， 在时域矢量网络分析仪系统中， 采用脉冲信号相比阶跃信号， 在频率范围内能获得的能量更多， 得到的信噪比更高. 在文献[7]中提出一种时域矢量网络分析仪测量系统， 由脉冲发生器、 示波器和计算机组成， 来实现散射特性测量.

目前， 国际上已有多个生产厂商开发自己的时域矢量网络测试仪器. 泰克公司(Tektronix)将采样示波器与时域反射计(Time Domain Reflectometer, TDR)采样模块结合， 配备S参数分析软件， 可测量微波网络的反射系数与阻抗； 是德科技(Keysight)将其矢量网络分析仪E5071C ENA通过配置TDR选件， 采用上升沿为22.3 ps的阶跃信号激励信号， 具备了时域反射与时域传输测试功能； 力科(Teledyne LeCroy)仪器采用上升沿为6 ps阶跃脉冲激励， 研发出商用的时域矢量网络分析仪， 测试范围覆盖DC-40 GHz.

大多数时域矢量网络测试仪器由脉冲发生器和示波器组成， 或用矢量网络分析仪配备TDR选件， 实现时域特性测量. 本文设计了一种系统结构简单的时域矢量网络分析仪， 实现对微波网络的散射特性和时域特性测量.

1 系统设计方案

传统的台式矢量网络分析仪内置一台计算机， 体积大、 重量重， 不适合外出携带. 本文所设计的时域矢量网络分析仪总体方案采用模块化思想进行设计， 采用“计算机平台+测试模块”的设计思想. 测试模块单独设计， 模块通过USB与计算机进行通信， 计算机负责仪表的参数设置、 数据处理、 存储与显示， 实现了在尺寸、 成本和可靠性方面的显著改进.

测试模块的模块化设计框图如图 1 所示， 测试模块系统主要包括脉冲源模块1、 脉冲源模块2、 超宽带定向耦合器模块、 超宽带采样接收模块、 数据预处理与逻辑控制模块、 计算机模块、 系统软件模块等.

脉冲源模块用于产生60 ps量级前沿冲击脉冲， 脉冲源模块1用于从1端口和2端口信号激励被测器件， 脉冲源模块2用于从3端口和4端口信号激励被测器件. 脉冲源模块1和2也可由一个单刀双掷开关和一个脉冲源模块代替.

超宽带定向耦合器模块由8个超宽带定向耦合器构成， 为信号分离装置. 当用于单端S参数测量时， 通过开关切换， 它可分离出被测件的 4个端口的入射信号， 反射信号和传输信号， 分离后的信号进入超宽带采样接收模块.

超宽带采样接收模块为4通道接收模块， 用于接收超宽带定向耦合器模块分离出的4端口被测件的入射信号， 反射信号和传输信号， 并将其采样、 保持、 放大和模数转换(Analog to Digital Conversion, ADC).

数据预处理和逻辑控制模块为整个测试模块的控制中心， 由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现， 负责脉冲源触发信号的产生、 超宽带采样接收模块控制时序的产生、 以及ADC数据的缓存与预处理， 并与计算机进行数据交换和命令交互.

计算机通过USB电缆与整个测试模块相连， 上面安装基于Windows操作系统的测控与数据处理软件， 负责测试参数的设置、 数据的处理、 显示与存储. 通过数据处理， 被测件频域正向S参数和反向S参数可通过下式求得[8]

(1)

(2)

式中：i=1, 2, 3, 4，j=1, 2, 3, 4，Bi表示反射信号,Rj表示参考信号,FFT()表示时域信号的傅里叶变换.对于平衡网络， 可将双差分端口网络看做4个单端端口网络， 测试其单端S参数， 然后利用数字巴伦原理， 将单端S参数转换成混合模S参数.

2 脉冲源模块设计

当前产生快前沿脉冲的途径有雪崩三极管电路、 Marx电路、 隧道二极管电路等[9-11]， 本文中的脉冲源用于产生频谱很宽的激励信号， 脉冲边沿要达到60 ps量级， 一般的脉冲产生电路很难实现. 本文采取的电路框图如图 2 所示， 所提出的脉冲产生技术包括脉冲触发激励信号、 基于Marx电路脉冲产生模块和基于阶跃恢复二极管(Step Recovery Diode, SRD)脉冲产生电路模块3部分. 第1部分用于正弦波或方波激励信号的产生， 第2部分用于脉冲产生， 第3部分对ns量级脉冲前沿进行加速， 实现60 ps量级脉冲上升沿.

图 2 超宽带60 ps量级边沿脉冲电路框图

图 3 基于Marx电路和SRD的脉冲电路原理图

脉冲模块的研制， 本文采用基于Marx电路和SRD的脉冲电路， 其原理图如图 3 所示. 触发信号源、 储能电容C1～C5、 限流电阻R1～R9、 雪崩三极管Q1和SRD构成了脉冲产生电路. 在触发信号作用下， Marx电路将发生雪崩效应的三极管串联， 实现雪崩加速效果， 获得快速上升沿. 由于后级阶跃恢复二极管的作用， 进一步锐化脉冲信号边沿， 产生60 ps量级上升沿的超宽带窄脉冲信号. 脉冲电路测试波形如图 4 所示， 频谱如图 5 所示， 其30 dB频率范围达到9.25 GHz.

图 5 脉冲波形频谱图

3 超宽带定向耦合器模块设计

本文所设计时域矢量网络分析仪定向耦合器工作频率范围从10 MHz跨度到26.5 GHz， 工作频带宽. 考虑到超宽带定向耦合器在超宽带同轴矢量网络分析仪中的作用及自身的特性， 将耦合频响做成斜率特性， 即随频率升高而耦合度减小， 以补偿其它器件随频率的升高导致衰减增大而带来的不良影响.

根据耦合结构， 设计方案采用空气介质的厚带渐变耦合带状线[12-13]. 这种厚带设计方案的优点是可以做到插损较小以及较好地方向性和低回波损耗， 并且可以将耦合频响设计成斜率响应， 同时还可将测试端口同轴连接器和定向耦合器设计为一体， 用于矢量网络分析仪系统中， 无须另外设计测试端口同轴连接器， 而一体化设计的技术指标将优于测试端口同轴连接器与定向耦合器分体组合设计的技术指标， 缺点是耦合频响波纹比高频介质基片薄带渐变耦合带状线大， 但仍可较好地满足系统要求. 这种设计方案对加工及装配要求较高， 调试难度较大.

由设计方案的优缺点及系统要求最终确定：输入端口、 输出端口及耦合端口为3.5 mm阴头连接器， 隔离端口接匹配负载. 耦合内导体通过 3对顶针悬置于耦合腔体中， 与各端口及匹配负载之间通过波纹管弹性接触， 实现同轴到带状线的连接和匹配. 并在生产中改进工艺、 分析材料特性， 加工、 装配、 调试完成后， 满足项目需求的超宽带定向耦合器如图 6 所示， 测试曲线如图 7 所示， 各端口在超宽频率范围内回波损耗高， 端口2和3隔离度在大范围内大于35 dB， 耦合度为12 dB～16 dB， 方向性大于15 dB.

图 6 超宽带定向耦合器实物图

图 7 超宽带定向耦合器测试曲线

4 超宽带采样接收模块设计

近年来, 基于高速模数转换器ADC的实时采样技术取得了长足发展， 虽然有多种高速模数转换器提供增强的采样速率， 但其中能够提供数GHz以上输入带宽的则很少. 本文采用基于时域变换取样原理的等效采样技术[14-18]， 将高速脉冲信号变成慢信号， 并且在变换时保持信号的波形形状不变. 在设计过程中， 如何实现等效采样， 对更高宽带的输入信号进行精确的波形重构是要解决的关键技术.

利用等效采样技术， 本系统设计了超宽带采样接收方案， 如图 8 所示. 超宽带信号首先经过超宽带的跟踪保持模块对信号进行跟踪保持， 保证接收系统达到较高模拟带宽. 跟踪保持住的信号， 由后级ADC以低速率的采样率(1 MHz～30 MHz)进行采样和模数转换. 本系统中， 步进采样的取样脉冲由时钟模块和延迟线完成. 时钟模块产生高精度低抖动的固定周期的时钟信号， 延迟线由步进可调延迟模块实现.

图 8 超宽带采样接收模块框图

时钟模块产生的时钟信号同时是脉冲源产生重复脉冲的时钟信号， 该时钟信号的周期与待测脉冲的重复周期相等. 时钟模可选用LTC6957芯片设计， 其信号抖动为3 ps左右， 满足系统高精度低抖动要求.

步进可调延迟模块， 它的主要功能是实现步进间隔为Δt的步进延迟. 该模块中Δt是一个关键指标， 本文可做到10 ps的步进， 对应100 GHz的等效采样率. 模块中采用两级延迟线结构， 如图 9 所示， MC10EP195芯片实现10 ps细延迟， DS1023芯片实现500 ps粗延迟， 既提高了采样精度， 也增加了采样点数.

图 9 两级延迟线结构

跟踪保持(Track and Hold Amplifier, THA)模块用于拓展高速模数转换和信号采集系统带宽. 在该THA中进行采样， 低带宽保持的输出波形便可由一个带宽低很多的模数转换器处理. 另外， 模数转换器在高输入频率时的线性度性能局限也得到解决. 多数高速ADC在内部已经集成了THA， 但其带宽通常很小. 因此， 在ADC之前增加一个宽带的THA可以构成一个复合双级组件. 目前已有成熟的跟踪保持集成器件可应用于本文系统， 如亚德诺半导体(ADI)的THA系列产品， 能够提供宽带精密信号采样保持， 具有高线性度， 低噪声， 低随机孔径抖动性能和极小动态范围损失特点.

5 系统测试与分析

本文根据上述系统设计， 制作原理样机， 具体组成有脉冲电路、 时序控制电路、 采样模块、 超宽带定向耦合器、 开关模块、 电源模块和采集卡， 如图 10 所示.

图 10 系统原理样机

超宽带采样接收模块由时序控制电路和采样模块构成. 时序控制电路包含FPGA模块、 时钟模块和步进可调延迟模块. 采样模块包含跟踪保持模块、 模数转换模块和数模转换模块， 数模转换模块信号输出部分一方面利于采样的信号能够在示波器上显示观察， 另一方面利于采集卡进行数据采集用于上位机的数据处理和显示.

测试设备主要有低通滤波器、 超宽带天线、 射频同轴线和中电科AV3692A矢量网络分析仪， 用于对比和测试系统功能， 如S参数测量、 时域瞬态特性测量和故障诊断与定位功能.

5.1 S参数测量

为验证S参数测量的准确性， 以400 MHz低通滤波器作为被测件， 对比AV3692A矢量网络分析仪测量滤波器的回波损耗和插入损耗， 如图 11 所示.

(a) 回波损耗

从图 11 可知， 3 GHz频带范围内， 样机系统与频域矢量网络分析仪测试结果在20 dB动态范围内， 最大误差约1.5 dB， 整体曲线吻合基本一致. 在测量的动态范围上， AV3692A频域矢量网络分析仪比样机系统大， 主要原因， 一是超宽带窄脉冲信号相比单频点信号有较宽的底噪， 二是样机系统未做相关的降噪处理.

5.2 时域瞬态特性测量

时域瞬态特性测量， 以400 MHz低通滤波器和900 MHz 超宽带天线为例， 分别测试在超宽带窄脉冲激励下， 它们得到的瞬态响应时域波形. 其中， 超宽带天线的S11频率范围为700 MHz～1.65 GHz， 用两个天线分别一收一发， 两个测试天线间隔约为20 cm， 观察接收的时域波形， 如图 12 所示.

(a) 原始信号

由图 12 可知， 低通滤波器响应信号仍然是单极性高斯脉冲信号， 而超宽带天线响应信号转变为高阶的高斯脉冲信号， 低通滤波器和超宽带天线响应信号的脉冲宽度都展宽， 分别约为7 ns和4 ns， 脉冲峰峰值幅度都降低， 分别约为0.04 V和0.06 V. 同时， 信号分别有6 ns和8 ns的延迟.

图 13 脉冲信号位置

对于响应信号的波形宽度， 由于频率带宽的不同， 超宽带天线比低通滤波器带宽大， 反映至时域， 超宽带天线的时域波形会更窄. 对于响应信号的幅值， 受到多个因素影响， 如插入损耗、 回波损耗、 天线传播损耗、 天线增益等. 对于响应信号的延迟， 主要由系统响应时间和连接线长度决定， 天线响应信号与两个天线间距也有关系.

测试结果能够直观观察到响应信号的脉冲宽度、 幅度和延迟等时域特征变化， 对超宽带系统测试， 例如时域探地雷达系统， 有重要的应用价值.

5.3 故障诊断与定位

故障诊断与定位是本文系统时域分析方法的运用， 原理类似于时域反射计， 通过时域响应进行故障定位， 识别待测件中的阻抗变换类型. 在对微波网络进行测量时， 输入信号在网络阻抗不连续位置发生反射， 响应信号可以反映网络内部的细节性结构以及它们的空间相对位置.

以0.25 m长的同轴线作为测试对象， 一端连接测试系统， 另一端连接开路或短路校准件， 模拟开路和短路故障. 如图 13 所示， 当同轴线开路时， 初始信号与反射信号同相； 当同轴线短路时， 初始信号与反射信号反相， 信号翻转. 反射信号相比初始信号延迟了2.5 ns， 利用微波原理， 式(3) 可计算故障点位置.

(3)

式中：s为故障点位置； Δt为延迟时间；c为光速；ε为同轴线介质介电常数. 测试用的同轴线介电常数为2.18， 延迟时间为2.5 ns， 由公式(3)计算可得，s约为0.254 m， 与同轴线长度基本一致， 可判断在同轴线另一端口存在故障点. 本文通过信号的相位和延迟时间判断故障点类型和位置， 实现了故障诊断和定位功能.

6 结 论

本文的主要研究是设计一种结构简单的时域矢量网络分析仪系统. 系统组成主要包含脉冲源模块、 超宽带定向耦合器模块和超宽带采样接收模块. 其中， 脉冲源模块设计是基于Marx电路和阶跃恢复二极管的60 ps量级边沿的超宽带窄脉冲电路； 超宽带定向耦合器模块是采用空气介质的厚带渐变耦合带状线方案设计， 26.5 GHz频率范围内， 隔离度大于35 dB， 耦合度为12 dB～16 dB， 方向性大于15 dB； 超宽带采样接收模块是利用等效采样技术， 结合跟踪保持模块和两级延迟线结构， 完成10 ps步进间隔的模块设计. 系统测试进行了3项功能测试， ① 准确测量微波网络的S参数， ② 完整测量微波网络的时域瞬态特性， ③ 实现对微波网络故障诊断与定位. 本文设计的系统， 不仅在雷达目标超宽带瞬态散射特性测量领域有重要的应用价值， 同时在雷达与通信系统故障等军事装备测试领域也具有重要的应用前景.