【導讀】除了數字工程師要用到射頻儀器外，有些射頻工程師也會用到示波器做射頻信號測試，但是不清楚精度如何，以及和頻譜儀等傳統儀器的區(qū)別，希望能對這方面做些講解。為此，小編對示波器做射頻信號測試的應用案例和注意事項做了一些整理，希望能給大家提供一些幫助。
時域測量的直觀性
要進行射頻信號的時域測量的一個很大原因在于其直觀性。比如在下圖中的例子中分別顯示了4個不同形狀的雷達脈沖信號，信號的載波頻率和脈沖寬度差異不大，如果只在頻域進行分析，很難推斷出信號的時域形狀。由于這4種時域脈沖的不同形狀對于最終的卷積處理算法和系統性能至關重要，所以就需要在時域對信號的脈沖參數進行精確的測量，以保證滿足系統設計的要求。
更高分析帶寬的要求
在傳統的射頻微波測試中，也會使用一些帶寬不太高（<1GHz）的示波器進行時域參數的測試，比如用檢波器檢出射頻信號包絡后再進行參數測試，或者對信號下變頻后再進行采集等。此時由于射頻信號已經過濾掉，或者信號已經變換到中頻，所以對測量要使用的示波器帶寬要求不高。
但是隨著通信技術的發(fā)展，信號的調制帶寬越來越寬。比如為了兼顧功率和距離分辨率，現代的雷達會在脈沖內部采用頻率或者相位調制，典型的SAR成像雷達的調制帶寬可能會達到2GHz以上。在衛(wèi)星通信中，為了小型化和提高傳輸速率，也會避開擁擠的C波段和Ku波段，采用頻譜效率和可用帶寬更高的Ka波段，實際可用的調制帶寬可達到3GHz以上甚至更高。
在這么高的傳輸帶寬下，傳統的檢波或下變頻的測量手段會遇到很大的挑戰(zhàn)。由于很難從市面上尋找到一個帶寬可達到2GHz以上同時幅頻/相頻特性又非常理想的檢波器或下變頻器，所以會造成測試結果的嚴重失真。
同時，如果需要對雷達脈沖或者衛(wèi)星通信信號的內部調制信息進行解調，也需要非常高的實時帶寬。傳統的頻譜儀測量精度和頻率范圍很高，但實時分析帶寬目前還達不到GHz以上。因此，如果要進行GHz以上寬帶信號的分析解調，目前最常用的手段就是借助于寬帶示波器或者高速的數采系統。
要實現射頻信號的直接測量，首先得益于由于材料和芯片技術發(fā)展帶來的實時示波器性能的提升。
傳統的示波器由于帶寬較低，無法直接捕獲高頻的射頻信號，所以在射頻微波領域的應用僅限于中頻或控制信號的測試，但隨著芯片、材料和封裝技術的發(fā)展，現代實時示波器的的帶寬、采樣率、存儲深度以及底噪聲、抖動等性能指標都有了顯著的提升。
[page]
材料技術革新對示波器帶寬的提升
以材料技術為例，磷化銦(InP)材料是這些年國際和國內比較熱門的材料。相對于傳統的SiGe材料或GaAs材料來說，磷化銦(InP)材料有更好的電性能，可以提供更高的飽和電子速度，更低的表面復合速度以及更高的電絕緣強度。在采用新型材料的過程中，還需要解決一系列的工藝問題。比如InP材料的高頻特性非常好，但如果采用傳統的鋁基底時會存在熱膨脹系數不一致以及散熱效率的問題。氮化鋁（AIN）是一種新型的陶瓷基底材料，其熱性能和InP更接近且散熱特性更好，但是AlN材料成本高且硬度大，需要采用激光刻蝕加工。
借助于新材料和新技術的應用，現代實時示波器的硬件帶寬已經可以達到60GHz以上，同時由于磷化銦(InP)材料的優(yōu)異特性，使得示波器的頻響更加平坦、底噪聲更低，同時其較低的功率損耗給產品帶來更高的可靠性。
磷化銦材料除了提供優(yōu)異的高帶寬性能外，其反向擊穿電壓更高，采用磷化銦材料設計的示波器可用輸入量程可達8V，相當于20dBm以上，大大提高了實用性和可靠性。
ADC采樣技術對示波器采樣率的提升
要保證高的實時的帶寬，根據Nyqist定律，放大器后面ADC采樣的速率至少要達到帶寬的2倍以上（工程實現上會保證2.5倍以上）。目前市面上根本沒有這么高采樣率的單芯片的ADC，因此高帶寬的實時示波器通常會采用ADC的拼接技術。
典型的ADC拼接有兩種方式，一種是片內拼接，另一種是片外拼接。片內拼接是把多個ADC的內核集成在一個芯片內部，典型的如下圖所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采樣率的10bit ADC芯片，在業(yè)內第一次實現8GHz帶寬范圍內10bit的分辨率。片內拼接的優(yōu)點是各路之間的一致性和時延控制可以做地非常好，但是對于集成度和工藝的挑戰(zhàn)非常大。
所謂片外拼接，就是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的采用片外拼接的例子是Keysight公司的Z系列示波器，其采用8片20G/s采樣率的ADC拼接實現了160G/s的采樣率，保證了高達63GHz的硬件帶寬。
片外拼接要求各芯片間偏置和增益的一致性非常好，同時對PCB上信號和采樣時鐘的時延要精確控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采樣保持再進行信號分配和模數轉換的技術，大大提高了對于PCB走線誤差和抖動的裕量。
