跟着无线通讯、雷达、卫星通讯、光通讯等范畴关于信号传输速率或许分辨率要求的进步，选用的调制制式越来越杂乱，信号带宽也越来越宽。现代的实时示波器因为芯片和资料工艺的进步，现已能够供给高达几十GHz的实时丈量带宽，一起因为其时域丈量的直观性和多通道等特色，使其开端广泛运用于超宽带信号以及射频信号的丈量。本文介绍了高带宽实时示波器在射频信号丈量范畴的典型运用，以及示波器用于射频丈量时的底噪声、无杂散动态规模、谐波失真、肯定起伏丈量精度、相位噪声等要害目标。
每一位做射频或许高速数字规划的工程师都会一起面对频域和时域测验的问题。比方从事高速数字电路规划的工程师一般从时域剖析信号的波形和眼图，也会借用频域的S 参数剖析传输通道的插入损耗，或许用相位噪声目标来剖析时钟颤动等。关于无线通讯、雷达、导航信号的剖析来说，传统上需求进行频谱、杂散、临道按捺等频域测验，但跟着信号带宽更宽以及脉冲调制、跳频等技能的运用，有时选用时域的丈量手法会愈加有用。现代实时示波器的功用比起 10 多年前现已有了大起伏的进步，能够满意高带宽、高精度的射频微波信号的测验要求。除此以外，现代实时示波器的触发和剖析功用也变得愈加丰厚、操作界面愈加友爱、数据传输速率更高、多通道的支撑才能也更好，使得高带宽实时示波器能够在宽带信号测验范畴发挥重要的效果。
一、 什么射频信号测验要用示波器 ?
时域丈量的直观性
要进行射频信号的时域丈量的一个很大原因在于其直观性。比方在右图中的比方中别离显现了 4 个不同形状的雷达脉冲信号，信号的载波频率和脉冲宽度差异不大，假如只在频域进行剖析，很难推断出信号的时域形状。因为这 4 种时域脉冲的不同形状关于终究的卷积处理算法和体系功用至关重要，所以就需求在时域对信号的脉冲参数进行准确的丈量，以确保满意体系规划的要求。
更高剖析带宽的要求
在传统的射频微波测验中，也会运用一些带宽不太高 (< 1 GHz)的示波器进行时域参数的测验，比方用检波器检出射频信号包络后再进行参数测验，或许对信号下变频后再进行收集等。此刻因为射频信号现已过滤掉，或许信号现已改换到中频，所以对丈量要运用的示波器带宽要求不高。
可是跟着通讯技能的开展，信号的调制带宽越来越宽。比方为了统筹功率和间隔分辨率，现代的雷达会在脉冲内部选用频率或许相位调制，典型的SAR成像雷达的调制带宽或许会到达2GHz以上。在卫星通讯中，为了小型化和进步传输速率，也会避开拥堵的C波段和Ku波段，选用频谱功率和可用带宽更高的Ka波段，实践可用的调制带宽可到达 3 GHz 以上乃至更高。别的示波器的幅频特性曲线并不是从直流到额定带宽都平整，而是到达必定频点后就开端显着下降，因而挑选实时示波器时，示波器的带宽应该大于需求的剖析带宽，至于大多少，要详细看示波器实践的频响曲线和被测信号的要求。
在这么高的传输带宽下，传统的检波或下变频的丈量手法会遇到很大的应战。因为很难从市面上寻找到一个带宽可到达2GHz以上一起幅频/相频特性又十分抱负的检波器或下变频器，所以会构成测验成果的严峻失真。
一起，假如需求对雷达脉冲或许卫星通讯信号的内部调制信息进行解调，也需求十分高的实时带宽。传统的频谱仪丈量精度和频率规模很高，但实时剖析带宽现在还达不到GHz以上。因而，假如要进行GHz以上宽带信号的剖析解调，现在最常用的手法便是凭借于宽带示波器或许高速的数采体系。
二、现代实时示波器技能的开展
传统的示波器因为带宽较低，无法直接捕获高频的射频信号，所以在射频微波范畴的运用仅限于中频或操控信号的测验，但跟着芯片、资料和封装技能的开展，现代实时示波器的的带宽、采样率、存储深度以及底噪声、颤动等功用目标都有了明显的进步。
资料技能革新对示波器带宽的进步
以资料技能为例，磷化铟 (InP) 资料是这些年世界和国内比较抢手的资料。相关于传统的 SiGe 资料或GaAs资料来说，磷化铟(InP)资料有更好的电功用，能够供给更高的饱满电子速度，更低的外表复合速度以及更高的电绝缘强度。在选用新式资料的过程中，还需求处理一系列的工艺问题。比方InP资料的高频
特性十分好，但假如选用传统的铝基底时会存在热膨胀系数不一致以及散热功率的问题。氮化铝(AIN)是一种新式的陶瓷基底资料，其热功用和InP更挨近且散热特性更好，可是AlN资料本钱高且硬度大，需求选用激光刻蚀加工。
凭借于新资料和新技能的运用，现代实时示波器的硬件带宽现已能够到达 60GHz以上，一起因为磷化铟(InP)资料的优异特性，使得示波器的频响愈加平整、底噪声更低，一起其较低的功率损耗给产品带来更高的可靠性。
磷化铟资料除了供给优异的高带宽功用外，其反向击穿电压更高，选用磷化铟资料规划的示波器可用输入量程可达8V，相当于20dBm以上，大大进步了实用性和可靠性。
ADC 采样技能对示波器采样率的进步
要确保高的实时的带宽，依据 Nyqist 规律，扩大器后边ADC采样的速率至少要到达带宽的2倍以上(工程完成上会确保2.5倍以上)。现在市面上底子没有这么高采样率的单芯片的ADC，因而高带宽的实时示波器一般会选用ADC的拼接技能。
典型的ADC拼接有两种方法，一种是片内拼接，另一种是片外拼接。片内拼接是把多个ADC的内核集成在一个芯片内部，典型的如下图所示的Keysight公司 S系列示波器里运用的40G/s采样率的10bit ADC芯片，在业界第一次完成8 GHz带宽规模内10bit的分辨率。片内拼接的长处是各路之间的一致性和时延操控能够做地十分好，可是关于集成度和工艺的应战十分大。
所谓片外拼接，便是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的选用片外拼接的比方是Keysight公司的Z系列示波器，其选用8片20G/s采样率的ADC拼接完成了 160G/s的采样率，确保了高达63GHz的硬件带宽。片外拼接要求各芯片间偏置和增益的一致性十分好，一起对PCB上信号和采样时钟的时延要准确操控。所以Z系列示波器的前端芯片里选用了先采样坚持再进行信号分配和模数转化的技能，大大进步了关于PCB走线差错和颤动的裕量。
三、 宽带示波器在射频信号测验中的典型运用
正是因为芯片、资料和工艺技能带来的示波器带宽和采样率的快速进步，使得宽带实时示波器开端在射频信号的测验中发挥要害的效果。以下是一些典型运用。
射频信号时频域归纳剖析
实时示波器功用的进步使得其带宽能够直接掩盖到射频、微波乃至毫米波的频段，因而能够直接捕获信号载波的时域波形并进行剖析。从中能够明晰看到信号的脉冲包络以及脉冲包络内部的载波信号的时域波形，这使得时域参数的测验愈加简练和直观。因为不需求对信号下变频后再进行采样，测验体系也愈加简略，一起避免了因为下变频器功用不抱负带来的额定信号失真。
更进一步地，还能够凭借于示波器的时间门功用对一段射频信号的某个区域扩大显现或许做FFT改换等。下图是在一段射频脉冲里别离挑选了两个不同方位的时间窗口，并别离做FFT改换的成果，从中能够明晰看出不一起间窗规模内信号频谱的改变状况。
雷达脉冲参数测验
关于雷达等脉冲调制信号来说，关于脉冲信号其宽度、上升时间、占空比、重复频率等都是十分要害的时域参数。依照IEEE Std 181标准的要求，一些首要的脉冲参数的界说如下图所示。
当用宽带示波器现已把射频脉冲捕获下来今后，就能够凭借于示波器里内置的数学函数修改一个数学的检波器。如下图所示，黑色曲线是从原始信号里用数学检波器检出的包络信号。包络波形得到后，凭借于示波器本身的参数丈量功用，就能够进行一些根本的脉冲参数测验。
更进一步地，咱们还能够凭借于示波器的 FFT 功用得到信号的频谱散布，凭借示波器的颤动(Jitter)剖析软件得到脉冲内部信号频率或相位随时间的改变波形，并把这些成果显现在一起。下图显现的是一个Chirp雷达脉冲的时域波形、频率/相位改变波形以及频谱的成果，经过这些波形的归纳显现和剖析，能够直观地看到雷达信号的改变特性，并进行简略的参数丈量。
在雷达等脉冲信号的测验中，是否能够捕获到满足多的接连脉冲以进行计算剖析也是十分重要的。假如要接连捕获上千乃至上万个雷达脉冲，或许需求十分长期的数据记载才能。比方某查找雷达的脉冲的重复周期是5ms，假如要捕获 1000个接连的脉冲需求记载5s时间的数据。假如运用的示波器的采样率是80G/s，记载5s时间需求的内存深度=80G/s*50s=400G样点，这几乎是不或许完成的。
为了处理这个问题，现代的高带宽示波器里都支撑分段存储形式。所谓分段存储形式(Segmented Memory Mode)，是指把示波器里接连的内存空间分红许多段，每次触发到来时只进行一段很短时间的收集，直到记载到满足的段数。许多雷达脉冲的宽度很窄，在做雷达的发射机功用测验时，假如感兴趣的只是有脉冲发射时很短一段时间内的信号，运用分段存储就能够更有用运用示波器的内存。
鄙人图中的比方里，被测脉冲的宽度是1us，重复周期是5ms。咱们在示波器里运用分段存储形式，设置采样率为80G/s，每段分配200k点的内存，并设置做 10000段的接连记载。这样每段能够记载的时间长度=200k/80G=2.5 us，一共运用的示波器的内存深度=200k点*10000段=2G点，完成的记载时间=5ms*10000=50 s。也便是说，经过分段存储形式完成了接连50s内共10000个雷达脉冲的接连记载。
雷达参数归纳剖析
除了在示波器里直接对雷达脉冲的根本参数进行丈量，也能够凭借功用愈加强壮的矢量信号剖析软件。下图是用Keysight公司的89601B矢量信号剖析软件结合示波器对超宽带的Chirp雷达信号做解调剖析的比方，图中显现了被测信号的频谱、时域功率包络以及频率随时间的改变曲线。被测信号由M8195A超宽带恣意波发生器发生，Chirp信号的脉冲宽度为2us，频率改变规模从1GHz~19GHz，整个信号带宽高达18GHz! 这儿充分体现了实时示波器带宽的优势。
更严厉的雷达测验不会只是只测脉冲和调制带宽等根本参数。比方因为器材的带宽不行或许频响特性不抱负，或许会构成Chirp脉冲内部各种频率成分的功率改变，然后构成脉冲功率包络上的下跌(Droop)和动摇(Ripple)现象。因而，严厉的雷达功用目标测验还需求对脉冲的峰值功率、平均功率、峰均比、Droop、Ripple、频率改变规模、线性度等参数以及多个脉冲间的频率、相位改变进行丈量，或许要剖析参数随时间的改变曲线和直方图散布等。这些更杂乱的测验能够凭借于89601B软件里的BHQ雷达脉冲丈量选件完成。这个测验软件也支撑示波器的分段存储形式，能够一次捕获到多个接连脉冲后再做计算剖析，下图是一个实践测验的比方。
跳频信号测验
除了雷达脉冲剖析以外，凭借于示波器本身的颤动剖析软件或许矢量信号剖析软件，还能够对超宽带的调频信号进行剖析。下图是对一段在7GHz的带宽规模内进行调频的信号的频谱、时域以及调频图画的剖析成果。
调制器时延测验
在卫星通讯或许导航等范畴，需求测验其射频输出 (或许是射频或许 Ku/Ka 波段信号)相关于内部守时信号 (1pps或100pps信号)的肯守时延并进行批改。这就需求运用至少2通道的宽带示波器一起捕获守时信号和射频输出，并能进行准确可重复的丈量。
下图是用示波器捕获到的1pps守时信号(蓝色波形)以及QPSK调制的射频输出信号(紫色波形)。用作触发的守时信号到来后，射频信号功率第1个过零点的时间相关于守时信号的时延便是要丈量的体系时延。假如只是经过手动光标丈量，很难卡准适宜的功率零点方位。咱们凭借于前面介绍过的数字检波功用，能够检出射频信号的功率包络并进行扩大(如灰色波形所示)，并凭借示波器的丈量功用来丈量功率包络最小点的时间(Tmin)，这就完成了卫星转发器或调制器时延的准确测验。经过屡次自动测验过零点时间，还能够进行长期的计算，以剖析时延的改变规模和颤动等。
宽带通讯信号的解调剖析
在WLAN、卫星通讯、光通讯范畴，或许需求对十分高带宽的信号(>500 MHz) 进行功用测验和解调剖析，这关于丈量仪器的带宽和通道数要求十分高。比方在光纤主干传输网上，现已完成了单波长100Gbps的信号传输，其选用的技能便是把2路25Gbps的信号经过QPSK的调制方法调制到激光器的一个偏振态，然后把另 2路25Gbps的信号经过相同的方法调制到激光器一个偏振态上，然后把两个偏振态的信号组成在一起完成100 Gbps的信号传输。而鄙人一代200Gbps或许400 Gbps 的技能研制中，或许会选用更高的波特率以及更高阶的调制如16QAM、64QAM乃至OFDM 等技能，这些都对丈量仪器的带宽和功用提出了十分高的要求。
