许多现代化的高速示波器都很适宜于微波波形，调制信号和非线性现象的精确丈量。这些示波器的带宽能够一向抵达 100GHz，而且具有 50Ω 的标称输入阻抗。就像它们的同类低频仪器相同，这些示波器很活络，易于运用，而且相对而言不太贵重：这使得它们很适宜对各式各样微波源和其它元件进行丈量。与一切微波仪器相同，要阐明示波器的不完善性，而且对此进行批改关于进行精确的丈量是很要害的。
高速采样示波器十分重要的不完善性包含示波器的时基颤动，漂移和时基失真，以及示波器采样电路的脉冲呼应和示波器阻抗匹配的不完善性。但是，经过适宜的批改这些高速采样示波器不只能够用来对电路进行调试，还能够在最高的微波频率处进行精准级的丈量。所需求的大部分设备在大多数微波试验室中都能够找到：一台矢量网络剖析仪，一台微波信号产生器，当然了，还有一台采样示波器！这儿，咱们对[1]和[2]所评论的关于精准丈量所需进行的批改进行了总结，而且对这些示波器对微波信号的表征进行了阐明（见“微波信号丈量办法的比较”和“射频功率和调制包络的丈量”）。
微波信号丈量办法的比较
采样示波器的丈量带宽能够抵达100GHz； 它们能够被用来表征微波频率下各式各样的波形，包含脉冲，调制信号[7]，[20]，以及谐波丰厚的信号。微波工程师们或许对比方微波过渡剖析仪（MTA）和LSNA[12]，[13]这样的仪器更了解，这些仪器是专门规划能在坚持不同谐波成分的幅值和相应联络的条件下获取谐波丰厚的波形的[2]。实践上，LSNA的相位参阅一般是由经过校准的采样示波器来表征的（见“NIST的波形校准服务”）。
尽管LSNA和MTA一般被用来表征由比方功率放大器等非线性电路所产生的谐波失真，它们也相同能够表征如图8所示的1GHz的方波脉冲串波形。由于这些仪器选用的是时域丈量法，所以它们既能丈量调制信号的幅值，也能丈量调制信号的相位。图9和10是用三种仪器所测得的频域幅值和相位。
用LSNA，MTA和示波器所丈量的波形的谐波符合得很好。对高阶谐波来说，示波器与LSNA丈量成果符合得比MTA更好一些。运用LSNA的优点之一是它能够主动进行丈量成果的失配校对。关于进行这个比较所触及的丈量规模，咱们进行了时基失真和脉冲呼应的校对，但没有进行失配校对。
图8 时域波形丈量的比较。
图9 幅值丈量的比较
图10 相位丈量的比较。
射频功率和调制包络的丈量
David Humphreys
采样示波器能够丈量经过调制的射频信号包络；这些信号能够用来校准宽带射频功率计。能够直接对调制信号进行丈量（见“微波信号测验办法的比较”以及参阅文献[7]和[20]），或许能够用调制包络来触发示波器，这样一来，所触及的射频信号便显现为随机采样。
用调制包络来触发简化了丈量设备。在这种办法中，被测的采样信号的差错与包络中的射频功率成正比[27]，能够经过对采样信号的核算来确认调制包络和功率。这种办法与运用在扫频正弦示波器的校准是亲近相关的[15]-[19]。图11显现了这个进程。来自微波源的信号是用9-µs长的方波脉冲进行调制的。尽管无法从信号的核算特性中确认幅值和相位的精确值， 但能够从测得的采样信号的方差中确认调制包络和功率。在英国的NPL顶用这种办法对微波峰值功率计进行校准 [27] 。
David Humphreys is with the National PhysicalLaboratory,Teddington, U.K.
图11 经过运用采样示波器来丈量射频功率包络。
数字示波器的类型
您所运用的第一台示波器或许是一台模仿类型的仪器。但是，现代的示波器一般用数字办法对信息进行处理，存储和显现[3]。现在所出售的现代化数字示波器有许多不同的特性，但微波工程师能够依据它们的内部作业办法将这些仪器分红两类：实时示波器和采样（或等效时间）示波器。
实时示波器高速地对波形重复进行采样，而且将丈量成果存储在内存中的一个循环缓冲器中。经过设置触发事情，用户能够决定要展现的那部分波形。关于低端产品来说，触发事情能够仅限于简略的边际触发，但高端 产品能够运用杂乱的数字处理来触发在杂乱的数字信号或微波信号中的反常事情。
通用的实时示波器一般都有一个高的输入阻抗，而且被规划来经过非创的办法实时地丈量作业中的电气电路内部的电压。由于输入电路的寄生效应，这些示波器的带宽都约束在大约 500MHz。
许多现代化的高速示波器都很适宜于微波波形，调制信号和非线性现象的精确丈量。
高端实时示波器经过在接有 50Ω 终端负载的 50Ω 传输线中镶嵌的采样示波电路而超出了这个带宽约束。这些高端实时示波器抵达了可与低端采样示波器相媲美的带宽；它们能够被直接连接到微波电路的输出端口，而且丈量电路在示波器的标称50Ω 输入阻抗上所产生的电压。这近似于规划了一个大多数微波元件和电路运转的匹配环境。
实时示波器选用了一种替换的模仿-到-数字的转化器技能来完结高达 50G 个采样/ 秒的采样速度和高达20GHz 的带宽。实时示波器一般能够收集千万个或许几亿个采样，而且能够对这些波形进行处理来获取不同的信号特性，包含时基颤动或微波调制。
尽管，实时示波器是极端文武双全的，但它们相同有一些会约束其运用在微波运用上的特性。例如，实时示波器选用了高速的模仿-到-数字转化器，而且有必要有很多的数据收支存储单元，所以它们的精度一般会约束在 8 个比特位。相同，很难将不同的穿插模仿-到-数字转化器之间的增益，呼应和时延进行完美的匹配，这便降低了保真度，约束了带宽。
高速采样示波器
本文的剩下部分要会集评论的高速采样示波器选用了一个等效时间采样战略来使得有用带宽可高达100GHz。大部分示波器都是 50Ω 的标称阻抗，而且被规划用来丈量重复性输入信号。选用等效时间采样使之能够抵达比实时示波器更高的保真度。
图1是一个高速采样示波器的示意图。当其被触发后，示波器选用了一个可编程的时延产生器来暂时地闭合开关。这样便对示波器的输入电压进行了采样。当开封闭合时，坚持在电容上的经过闭合开关的净电荷与示波器的输入端口电压成正比。一个活络放大器和模仿-到数字转化器随后被用来丈量这个充电电荷，然后得到当开封闭合时呈现在示波器输入端的电压。
图 1 采样示波器的作业原理。
采样示波器的开关一般是用快速采样二极管来构建的，是由快速选通脉冲来“翻开”和“封闭”的。这些选通脉冲暂时地将一般是反偏（断开）采样二极管改动到正偏导通（接通）状况。大多数现代采样示波器选用非线性传输线来使脉冲变尖，而且能够以大约2-20ps的采样速度来“翻开”或“封闭”二极管开关。这些再加上精确的时基，便使得采样示波器能够在示波器的输入端合拍地十分精确地进行电压丈量。
示波器的时基
一般要花费几毫秒或更多的时间来让采样示波器获取电压采样；这便将采样示波器约束在丈量重复性信号的规模内。用以丈量波形的典型丈量手法被称作“等效时间采样”。在这种丈量办法中，信号在不停地重复，示波器的时基被设置来在信号的每个周期完毕稍后一点才关
闭开关。信号的每一次重复都能够进行一次新的采样，向已测得的波形中添加另一个电压采样。
示波器时基的类型
有三种根本的示波器时基类型，存在各式各样的变形：惯例触发时基，同步时基，以及将前面两品种型的最好特性相结合的混合时基[4]。惯例示波器时基选用了触发电路和可编程的时延产生器来操控电压采样的收集时间[5]，[6]。这些时基是特别活络，易于运用的，尽管它们简略产生时基颤动和时基失真。
同步时基运用一个有些微差错的被确认到来自于信号源的一个参阅信号的振动器。许多微波工程师或许对在微波过渡剖析仪和采样下变频器中所施行的这种时基比较了解。这种时基造价较高，而且不太活络，这是由于它们只能对周期信号进行确认和触发。另一方面，它们对时基颤动和漂移不太灵敏，实践上消除了时基坐标的失真，而且比惯例时基的采样更快。
混合时基[4]，[7]运用具有可编程时延产生器的惯例触发器来进行采样，但一起丈量一套与要收集的信号相同步的参阅正弦信号来批改示波器的时基。这能够在许多不太贵重的惯例触发器示波器中一起批改时基颤动，漂移，和时基失真（见“NIST时基批改软件”）。
NIST 的时基校对软件
时基的不完美性，比方时基颤动和时基失真，会在微波频率上引起显着的丈量差错。NIST的时基校对软件[31]经过丈量一起生成的两个正交的而且与被表征的波形同步的正弦信号来校对随机差错和体系差错。[4] 中对这种办法进行了具体的介绍，[7] 中介绍了一品种似的施行办法。图 5 是用采样示波器对一个调制微波信号进行表征的典型的丈量装备。在规范装备中，示波器是由来自傲号源的 10MHz 参阅信号来触发的，调制信号是在通道 3 进行丈量的，见图 5。为了改进时基，咱们还用示波器在通道 1 和通道 2 对两个参阅正弦信号进行了丈量。尽管在示波器的时基上有很大的失真和颤动，但这两个正交的参阅正弦信号能够高精度地重建采样的实践时间。这是由于采样是一起完结的，而且与示波器的通道 3 所测得的调制信号相同步。
图 5 选用 NIST 时基校对软件来表征一个调制信号的典型的丈量装备[31] 。
图 6 是时基校对概念的一个简略示意图；它绘出了一个参阅正弦信号的未经校对的丈量值（圆圈），加上一个估量的失真正弦信号（实线曲线）。猜测的正弦信号是经过将采样与正弦信号之间的均匀间隔减到最小来找出的。为了便于阐明，假如咱们假定，没有附加的噪声，咱们便能够在每个丈量值（圆圈）和失真正弦信号之间画一条水平线来估测由于时基失真和颤动所引起的
总差错。每条线的长度代表了进行丈量的标称时间（示波器）和与之相符合的失真正弦信号的差。每条线与失真正弦信号的交点就是每个采样的校对了的时间。
图 6 圆圈代表的是采样信号，实线代表的是估测信号。水平线段是从曲线估测的时间与示波器标称时基之差（来历于[4]）。
图7是与两个用于核算时间坐标差错的参阅正弦信号（未显现在图上）一起进行丈量所得到的实践正弦信号的丈量成果。在校对之前所估量的时基颤动大约是3.3ps，时基失真的效应在4ns处能够很显着地看出。在校对了时间坐标的差错后，这个比如中的剩余差错只要大约0.2ps。
图 7 在通道 3 所测得的时基差错校对前（底部的信号）和校对后（顶端的信号）的五个正弦信号的一部分。为了清楚起见，加上了与校对信号之间的偏移。（来历于[4]。）
时基颤动，漂移和时基失真
示波器时基的不完美性包含时基颤动（当示波器对电压采样时所产生的差错的随机部分），漂移（在接连两次的丈量之间所扫过的时基上的一个缓慢的漂移），时基失真（示波器时基的一个体系和可重复的失真）。时基颤动和漂移量的巨细首要取决于所选用的触发形式，而且一般是与硬件紧密相关的。时基失真一般取决于示波器的内部时钟，并不取决于所选用的触发形式。Vandersteen等 [8]， Rolain 等[9]，Stennbakken 等[10]，以及Wang等[11]首要创始了先进的办法来丈量和批改时基失真。这些是根据用示波器丈量正弦波来表征示波器的时基失真，以及运用被测信号关于参阅正弦信号的差错来揣度示波器的时基失真。[4] 中所描绘的混合法是这些表征时基失真办法的产品。这种办法在实时地丈量正弦波信号的一起还在惯例的触发式示波器中批改时基颤动，漂移和时基失真。
失配批改
由于微波工程师们知道咱们都很清楚，在微波频段上很难操控阻抗，为了抵达好的精度，在进行失配批改时有必要要将微波源和负载之间的屡次反射考虑进来。咱们现已发现矢量网络剖析仪对批改示波器丈量的失配性是十分有用的。咱们用最好的办法经过运用网络剖析仪来表征咱们的微波源，适配器和示波器，而且一有或许便进行失配批改。在[1] 中对这种失配批改进行了具体的描绘。
尽管，实时示波器是极端文武双全的，但它们相同具有一些会约束其在微波运用中运用的特性。
失配一般来说会在某些时间引起反射。要有效地进行适配批改则要求示波器的时基具有很好的精度来精确地丈量这些时间的方位。因而，示波器的时基差错一般需求在失配批改之前就要进行校对。
用网络剖析仪所进行的示波器丈量的失配批改相同要求具有线性时不变特性。要害问题是矢量网络剖析仪要在示波器的采样门电路翻开时丈量其阻抗。因而示波器有必要要设置成能够满足快地封闭和翻开它的采样门电路，然后使得封闭门电路时的反射不会再次反射到示波器以外的元件上，而且在它再次翻开前进行丈量。这个问题一般能够经过规划较短长度的传输线来完结示波器前置端而得到处理。在[1]中对这个约束条件进行了更具体的评论。
在您的作业中运用高速采样示波器的最好的理由之一是其能够快速，精确，而且本钱不高地获取并显现具体的微波频段的时域波形的才能。
大信号网络剖析仪（LSNA）[12]，[13]能够被看作是一种将示波器和网络剖析仪这两者的功用相结合的示波器和网络剖析仪的混合物。与网络剖析仪相同，大信号网络剖析仪运用耦合器和多个采样电路来在每个端口对正向和反向波一起进行丈量，而且在此进行失配校对。采样器自身被设置为对大信号波形进行时域丈量，这些端口的波形或许是失真的。实践上，前期版别的LSNA就是由微波耦合器和采样示波器来构建的。
脉冲呼应的表征
即便是最快速的高速采样示波器的脉冲呼应也是具有有限的持续时间的。示波器丈量输入信号与这个脉冲呼应的卷积。有必要对示波器的脉冲呼应进行表征，而且对其进行反卷积以便施行最精确的丈量[1]，[14]。这个问题便显现出高速示波器校准的最根本和最有应战性的一面。
伦 敦 的 国 家 物 理 实 验 室 （ NPL ） ， 德 国 的Physikalisch – Technische Bundesanstalt（PTB）以及美国的国家规范和技能研究院（NIST）保存有根据光电采样来 对 快 速 电 脉 冲 源 进 行 表 征 的 复 杂 的 测 量 系 统 （ 见“NIST光电采样体系”）。尽管这些体系的构建和运用的细节不同，但要害的想象都是运用具有极高速的光电交互作用来对快速参阅脉冲进行表征。这些参阅脉冲能够 用 来 表 示 哪 怕 是 最 快 速 的 示 波 器 的 脉 冲 响 应 （ 见“NIST的波形校准服务”）。
有时分这些光电采样体系经过根据对已知的正弦波信号的丈量所抵达的 “扫频正弦”幅值校准来增强其功用。这种仅对幅值进行校准的办法是起源于极端精确的热量计功率丈量上的[15]-[19]。
NIST 光电采样体系
图 3 是 NIST 的光电采样体系的示意图[28]-[30]。确认形式的光纤激光器发射出一串短的宽度约为 100fs 的的光脉冲，这些脉冲由光束别离设备别离为一个光“激起束”和一个光“采样束”。光激起束鼓励光电二极管，它会产生一个由体系丈量的快速电脉冲。这个电脉冲由用于圆晶片上的在片探头耦合到在光电基片上制成的共面波导上（CPW）。
图 3 NIST 光电采样体系的示意图。
采样光束被用来重建由光电二极管在 CPW 的在片参阅平面所产生的重复性电波形。这是经过将采样光束来经过可变的光时延，使之产生极化，然后让它经过CPW 的空隙来完结的。由于基片是光电性质的，CPW导体之间的电场改动了经过它的采样光束的极化。极化剖析仪勘探到了这个改动，这个改动与在光脉冲抵达这儿的瞬间所产生的电压成正比。这个进程并不会搅扰在CPW 处的电信号。改动采样光束的时延能够使得咱们将CPW 参阅平面的电压作为时间的函数来进行符号。
进行校准的最终一步是用矢量网络剖析来表征光电二极管和电阻的反射系数，以及探针头部的散射参数。这些反射系数和散射参数能够用来核算光电二极管的同轴连接器处的电波形。尽管网络剖析仪的精度很高，但这些反射系数和散射系数是咱们在这些丈量中所能确认的最大不确认性的来历。
NIST的波形校准服务
用根本原理来精确地表明高速电波形是一个严重的应战。NIST现已开发了一个杂乱的光-电体系来进行这些根本的电气丈量（见“NIST光-电采样体系”）。从实质上说，这个光-电采样体系是一个根据光-电相互作用的极快速的采样示波器。在NIST，NPL和PTB中的光-电采样体系所具有的带宽有几百GHz。 （在较低的频率上，有时分运用“鼻-对-鼻”（nose-to-nose）办法来对采样示波器进行校准[16]，[23]。但是，关于采样器的踢出脉冲和脉冲呼应的假定在较高的频率下则不再建立[24]。）
图2是现在在NIST运用的可追溯链的示意图。NIST的光-电采样体系的光电二极管校准被用来校准示波器的幅值和相位呼应[14]。原则上，经过校准的功率计能够用来改进示波器的幅值呼应特性，但NIST运用它们只是是为了设置示波器校准的整体幅值的定标。经过校准的示波器被用来表征脉冲源，阶跃源，梳状波产生器[18]，[25]，微波混频器[26]，以及调制的微波源[2]，[20]，[27]。随后可用这些来对不同的仪器进行校准，包含其它示波器的矢量信号剖析仪，微波接收机，LSNA和峰值功率计[27]。
图2 NIST的波形可追溯链。
NIST的波形校准服务十分适宜微波运用。NIST供给了经过校准的光电二极管，而且收费对示波器插件和脉冲源进行校准。NIST对一切丈量进行失配批改；而且供给示波器和信号源的反射系数。这便有或许运用在NIST经过校准的示波器对丈量的失配进行彻底批改，使得这些服务的用户们对在NIST校准过的信号源开宣布一个完好的戴维南等效电路。NIST相同还供给协方差矩阵来描绘大多数丈量中的不确认性（见“用协方差矩阵来表明不确认性”）。这样便能够既可在时域又可在频域来表明不确认性。
示波器的其它不完美性
在咱们试验室里，常常对示波器的时基，脉冲呼应，和输入阻抗的不完美性进行校对。要亲近重视的不完美性并不约束于此。
非线性呼应
示波器中采样电路的非线性是很难进行表征和校对的。抵挡这个问题的最直接了当的办法是约束进入示波器的信号幅值，这样它们便不会超越150mV，可用均匀化处理来进步动态规模。在求均匀值之前对时基颤动，漂移和时基失真进行校对，能够被大大地改进求均匀值的才能，当然这一般要求在外部进行数据处理。当咱们运用了时基校对软件后，咱们在试验室至少能够抵达大约60dB的动态规模。
选通脉冲走漏
用来将采样二极管接通到正导游通状况以及封闭采样门电路的选通脉冲的一部分会被耦合到示波器的前置端。
走运的是，选通脉冲的走漏产生在进行采样的一起，这便使得走漏信号没有满足的时间在进行采样之前对被测电路产生影响。不管怎么说，选通脉冲的走漏是不希望产生的，一般是经过在平衡结构中运用两个或更多的采样二极管来将其减到最小。这便能够对采样电路中的选通脉冲走漏进行一阶抵消。
进入到采样电路的低频走漏
很难彻底阻挠高速示波器经过采样二极管产生的低频走漏，即便当它们处于反偏（封闭）状况时。这就是在工业界被称为“漏气”的现象，而且会经过采样电路走漏抵达坚持%&&&&&%器上。漏气在自身表现为减慢在微秒等级所进行的示波器的丈量安稳或振动时间。漏气有时分是经过采样电路自身所具有的补偿电路来校对的。漏气能够经过首要将选通脉冲封闭而进行的丈量来对漏气进行表征，然后在选通脉冲被激活后，将其从丈量成果中减去。
时间和频率之间的转化
咱们相同常常需求将由示波器所直接获取的时域波形与典型的微波频域的一些量相关联，例如，组成调制微波信号成分的幅值和相位[20]。在进行失配校对和进行比方谐波失真等其它信号质量的评价时会有这种要求。
高速采样示波器选用一个等效时间采样战略来完结高达 100GHz 的有用带宽。
所运用的转化取决于信号类型。具有有限功率的重复信号的傅立叶改换能够从离散数字化傅立叶改换中直接推导出来。具有有限能量的单个脉冲的接连傅立叶改换的近似能够用相似的办法从离散数字化的傅立叶改换中构建。文献[1] 对这些改换进行了更为具体的评论。咱们还开发了一个简化这种核算的软件[21]。
将时域和频域表明法中丈量的不确认性进行转化就不那么显着了。在两个不同域之间的不确认性的转化激烈地取决于在不一起刻和频率所进行的丈量有什么样的联络。例如，一个域内的白噪声能够转化为另一个域上的白噪声。差错信号的能量在频域上是经过波纹来显现的，但是，在时域上会在单个点上呈现拱起。在某些时域点上会引起大的差错。不确认性的相关性有必要要获取以便于猜测一个域的不确认性怎么能够转化到另一个域中。
为了着手处理这个问题，咱们开发了一种专门适用于微波界所感兴趣的紧密的丈量办法。这种办法是在选用协方差矩阵的根底上来表明不确认性，而且捉住它们之间的相关性[1]，[22]（见[1]及“用协方差矩阵来表明不确认性”）。
用协方差矩阵来表明不确认性
图 4 是经过对运用 NIST 的光电采样体系进行丈量时得到的杂乱的失配批改的频谱进行傅立叶改换后所得到的光电二极管的时域脉冲呼应。这些数据首要宣布在文献
[22] 中 。 光 电 采 样 系 统 的 共 面 波 导 负 载 （ CPW –Coplanar Waveguide ）所产生的主反射相当大，而且产生在大约 400ps 处，但在图 4 中却没有看到，这是由于现已在丈量中对它们进行了校对。
图 4 在 NIST 光电采样体系所测得的光电二极管的时域脉冲呼应。
该图还绘出了从协方差矩阵核算得到的脉冲呼应[22]。当将频域数据映射到时域时，这个公式参阅了频域数据的相关性。正如人们所希望的，这个不确认性的峰值呈现在光电二极管脉冲呼应的最大值处。在 400ps 处的不确认性的较小峰值不太显着。未经处理的光电二极管的脉冲呼应丈量成果在这个点处有一个大的反射，这个反射经过咱们所选用的频域失配批改简直彻底被除掉了。尽管失配批改能够很有效地将丈量体系400ps 处的这种伪差错除掉，但失配校对的不完善性仍是会显着地进步那儿的不确认性。
惯例示波器时基运用的是触发电路和一个可编程时延器来守时获取电压采样。
今日就开始运用！
在您的作业中运用高速采样示波器最好的理由之一是它能够在微波频率上快速，精确，低本钱地获取和显现具体的时域波形。这一般会加快调试而且有助于开发对电路上所产生的现象的一种直觉。
经过加上时基，脉冲呼应和失配校对，您便能够将高速采样示波器变为一台精细的微波仪器。根据差不多相同的理由，咱们能够在简直每个工程师的测验台上找到一台低频示波器，或许现在是将高速采样示波器放置在咱们的微波测验台上的时分了！
