謝 韜， 徐文靖， 劉永勝， 王百泉， 王 力， 陳思宇， 師振盛， 陳 娟， 張安學

(1. 中鐵隧道局集團有限公司 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 511458； 2. 西安交通大學 信息與通信工程學院， 陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著微波、 毫米波及太赫茲波的快速發(fā)展， 矢量網(wǎng)絡分析儀已經(jīng)成為測量領域使用頻率最高的儀器之一. 而超寬帶電子設備與無線通信技術快速發(fā)展， 對系統(tǒng)性能的測試與評估提出了更高的要求， 除頻域特性分析外， 時域分析方法也成為新型微波網(wǎng)絡特性表征的重要方法.

與頻域矢量網(wǎng)絡分析儀采用掃頻連續(xù)波不同， 時域網(wǎng)絡分析儀測量技術是利用快速階躍信號或沖擊脈沖信號激勵被測微波網(wǎng)絡， 直接測量微波網(wǎng)絡的瞬態(tài)響應， 并通過信號分析方法獲得微波網(wǎng)絡的頻域參數(shù). 矢量網(wǎng)絡分析儀有頻域矢量網(wǎng)絡分析儀和時域矢量網(wǎng)絡分析儀兩類. 頻域矢量網(wǎng)絡分析儀基本是采用外差原理， 利用本振信號， 將被測信號變頻到中頻信號， 進行分析處理， 得到被測信號的幅度和相位信息， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜[1-2]. 雖然頻域矢量網(wǎng)絡分析儀也具備時域分析， 但并不是真正的時域測試技術， 其在獲得頻域測試數(shù)據(jù)后， 通過傅里葉逆變換獲得時域信號， 在時域?qū)W(wǎng)絡特性進行分析[3]. 1968年， 尼科爾森[4-5]實現(xiàn)了可使用的時域網(wǎng)絡分析儀， 并對時域矢量網(wǎng)絡分析儀進行了重要改進. 在文獻[6]中指出， 在時域矢量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)中， 采用脈沖信號相比階躍信號， 在頻率范圍內(nèi)能獲得的能量更多， 得到的信噪比更高. 在文獻[7]中提出一種時域矢量網(wǎng)絡分析儀測量系統(tǒng)， 由脈沖發(fā)生器、 示波器和計算機組成， 來實現(xiàn)散射特性測量.

目前， 國際上已有多個生產(chǎn)廠商開發(fā)自己的時域矢量網(wǎng)絡測試儀器. 泰克公司(Tektronix)將采樣示波器與時域反射計(Time Domain Reflectometer, TDR)采樣模塊結(jié)合， 配備S參數(shù)分析軟件， 可測量微波網(wǎng)絡的反射系數(shù)與阻抗； 是德科技(Keysight)將其矢量網(wǎng)絡分析儀E5071C ENA通過配置TDR選件， 采用上升沿為22.3 ps的階躍信號激勵信號， 具備了時域反射與時域傳輸測試功能； 力科(Teledyne LeCroy)儀器采用上升沿為6 ps階躍脈沖激勵， 研發(fā)出商用的時域矢量網(wǎng)絡分析儀， 測試范圍覆蓋DC-40 GHz.

大多數(shù)時域矢量網(wǎng)絡測試儀器由脈沖發(fā)生器和示波器組成， 或用矢量網(wǎng)絡分析儀配備TDR選件， 實現(xiàn)時域特性測量. 本文設計了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的時域矢量網(wǎng)絡分析儀， 實現(xiàn)對微波網(wǎng)絡的散射特性和時域特性測量.

1 系統(tǒng)設計方案

傳統(tǒng)的臺式矢量網(wǎng)絡分析儀內(nèi)置一臺計算機， 體積大、 重量重， 不適合外出攜帶. 本文所設計的時域矢量網(wǎng)絡分析儀總體方案采用模塊化思想進行設計， 采用“計算機平臺+測試模塊”的設計思想. 測試模塊單獨設計， 模塊通過USB與計算機進行通信， 計算機負責儀表的參數(shù)設置、 數(shù)據(jù)處理、 存儲與顯示， 實現(xiàn)了在尺寸、 成本和可靠性方面的顯著改進.

測試模塊的模塊化設計框圖如圖 1 所示， 測試模塊系統(tǒng)主要包括脈沖源模塊1、 脈沖源模塊2、 超寬帶定向耦合器模塊、 超寬帶采樣接收模塊、 數(shù)據(jù)預處理與邏輯控制模塊、 計算機模塊、 系統(tǒng)軟件模塊等.

脈沖源模塊用于產(chǎn)生60 ps量級前沿沖擊脈沖， 脈沖源模塊1用于從1端口和2端口信號激勵被測器件， 脈沖源模塊2用于從3端口和4端口信號激勵被測器件. 脈沖源模塊1和2也可由一個單刀雙擲開關和一個脈沖源模塊代替.

超寬帶定向耦合器模塊由8個超寬帶定向耦合器構(gòu)成， 為信號分離裝置. 當用于單端S參數(shù)測量時， 通過開關切換， 它可分離出被測件的 4個端口的入射信號， 反射信號和傳輸信號， 分離后的信號進入超寬帶采樣接收模塊.

超寬帶采樣接收模塊為4通道接收模塊， 用于接收超寬帶定向耦合器模塊分離出的4端口被測件的入射信號， 反射信號和傳輸信號， 并將其采樣、 保持、 放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog to Digital Conversion, ADC).

數(shù)據(jù)預處理和邏輯控制模塊為整個測試模塊的控制中心， 由現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)實現(xiàn)， 負責脈沖源觸發(fā)信號的產(chǎn)生、 超寬帶采樣接收模塊控制時序的產(chǎn)生、 以及ADC數(shù)據(jù)的緩存與預處理， 并與計算機進行數(shù)據(jù)交換和命令交互.

計算機通過USB電纜與整個測試模塊相連， 上面安裝基于Windows操作系統(tǒng)的測控與數(shù)據(jù)處理軟件， 負責測試參數(shù)的設置、 數(shù)據(jù)的處理、 顯示與存儲. 通過數(shù)據(jù)處理， 被測件頻域正向S參數(shù)和反向S參數(shù)可通過下式求得[8]

(1)

(2)

式中：i=1, 2, 3, 4，j=1, 2, 3, 4，Bi表示反射信號,Rj表示參考信號,FFT()表示時域信號的傅里葉變換.對于平衡網(wǎng)絡， 可將雙差分端口網(wǎng)絡看做4個單端端口網(wǎng)絡， 測試其單端S參數(shù)， 然后利用數(shù)字巴倫原理， 將單端S參數(shù)轉(zhuǎn)換成混合模S參數(shù).

2 脈沖源模塊設計

當前產(chǎn)生快前沿脈沖的途徑有雪崩三極管電路、 Marx電路、 隧道二極管電路等[9-11]， 本文中的脈沖源用于產(chǎn)生頻譜很寬的激勵信號， 脈沖邊沿要達到60 ps量級， 一般的脈沖產(chǎn)生電路很難實現(xiàn). 本文采取的電路框圖如圖 2 所示， 所提出的脈沖產(chǎn)生技術包括脈沖觸發(fā)激勵信號、 基于Marx電路脈沖產(chǎn)生模塊和基于階躍恢復二極管(Step Recovery Diode, SRD)脈沖產(chǎn)生電路模塊3部分. 第1部分用于正弦波或方波激勵信號的產(chǎn)生， 第2部分用于脈沖產(chǎn)生， 第3部分對ns量級脈沖前沿進行加速， 實現(xiàn)60 ps量級脈沖上升沿.

圖 2 超寬帶60 ps量級邊沿脈沖電路框圖

圖 3 基于Marx電路和SRD的脈沖電路原理圖

脈沖模塊的研制， 本文采用基于Marx電路和SRD的脈沖電路， 其原理圖如圖 3 所示. 觸發(fā)信號源、 儲能電容C1～C5、 限流電阻R1～R9、 雪崩三極管Q1和SRD構(gòu)成了脈沖產(chǎn)生電路. 在觸發(fā)信號作用下， Marx電路將發(fā)生雪崩效應的三極管串聯(lián)， 實現(xiàn)雪崩加速效果， 獲得快速上升沿. 由于后級階躍恢復二極管的作用， 進一步銳化脈沖信號邊沿， 產(chǎn)生60 ps量級上升沿的超寬帶窄脈沖信號. 脈沖電路測試波形如圖 4 所示， 頻譜如圖 5 所示， 其30 dB頻率范圍達到9.25 GHz.

圖 5 脈沖波形頻譜圖

3 超寬帶定向耦合器模塊設計

本文所設計時域矢量網(wǎng)絡分析儀定向耦合器工作頻率范圍從10 MHz跨度到26.5 GHz， 工作頻帶寬. 考慮到超寬帶定向耦合器在超寬帶同軸矢量網(wǎng)絡分析儀中的作用及自身的特性， 將耦合頻響做成斜率特性， 即隨頻率升高而耦合度減小， 以補償其它器件隨頻率的升高導致衰減增大而帶來的不良影響.

根據(jù)耦合結(jié)構(gòu)， 設計方案采用空氣介質(zhì)的厚帶漸變耦合帶狀線[12-13]. 這種厚帶設計方案的優(yōu)點是可以做到插損較小以及較好地方向性和低回波損耗， 并且可以將耦合頻響設計成斜率響應， 同時還可將測試端口同軸連接器和定向耦合器設計為一體， 用于矢量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)中， 無須另外設計測試端口同軸連接器， 而一體化設計的技術指標將優(yōu)于測試端口同軸連接器與定向耦合器分體組合設計的技術指標， 缺點是耦合頻響波紋比高頻介質(zhì)基片薄帶漸變耦合帶狀線大， 但仍可較好地滿足系統(tǒng)要求. 這種設計方案對加工及裝配要求較高， 調(diào)試難度較大.

由設計方案的優(yōu)缺點及系統(tǒng)要求最終確定：輸入端口、 輸出端口及耦合端口為3.5 mm陰頭連接器， 隔離端口接匹配負載. 耦合內(nèi)導體通過 3對頂針懸置于耦合腔體中， 與各端口及匹配負載之間通過波紋管彈性接觸， 實現(xiàn)同軸到帶狀線的連接和匹配. 并在生產(chǎn)中改進工藝、 分析材料特性， 加工、 裝配、 調(diào)試完成后， 滿足項目需求的超寬帶定向耦合器如圖 6 所示， 測試曲線如圖 7 所示， 各端口在超寬頻率范圍內(nèi)回波損耗高， 端口2和3隔離度在大范圍內(nèi)大于35 dB， 耦合度為12 dB～16 dB， 方向性大于15 dB.

圖 6 超寬帶定向耦合器實物圖

圖 7 超寬帶定向耦合器測試曲線

4 超寬帶采樣接收模塊設計

近年來, 基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的實時采樣技術取得了長足發(fā)展， 雖然有多種高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供增強的采樣速率， 但其中能夠提供數(shù)GHz以上輸入帶寬的則很少. 本文采用基于時域變換取樣原理的等效采樣技術[14-18]， 將高速脈沖信號變成慢信號， 并且在變換時保持信號的波形形狀不變. 在設計過程中， 如何實現(xiàn)等效采樣， 對更高寬帶的輸入信號進行精確的波形重構(gòu)是要解決的關鍵技術.

利用等效采樣技術， 本系統(tǒng)設計了超寬帶采樣接收方案， 如圖 8 所示. 超寬帶信號首先經(jīng)過超寬帶的跟蹤保持模塊對信號進行跟蹤保持， 保證接收系統(tǒng)達到較高模擬帶寬. 跟蹤保持住的信號， 由后級ADC以低速率的采樣率(1 MHz～30 MHz)進行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換. 本系統(tǒng)中， 步進采樣的取樣脈沖由時鐘模塊和延遲線完成. 時鐘模塊產(chǎn)生高精度低抖動的固定周期的時鐘信號， 延遲線由步進可調(diào)延遲模塊實現(xiàn).

圖 8 超寬帶采樣接收模塊框圖

時鐘模塊產(chǎn)生的時鐘信號同時是脈沖源產(chǎn)生重復脈沖的時鐘信號， 該時鐘信號的周期與待測脈沖的重復周期相等. 時鐘模可選用LTC6957芯片設計， 其信號抖動為3 ps左右， 滿足系統(tǒng)高精度低抖動要求.

步進可調(diào)延遲模塊， 它的主要功能是實現(xiàn)步進間隔為Δt的步進延遲. 該模塊中Δt是一個關鍵指標， 本文可做到10 ps的步進， 對應100 GHz的等效采樣率. 模塊中采用兩級延遲線結(jié)構(gòu)， 如圖 9 所示， MC10EP195芯片實現(xiàn)10 ps細延遲， DS1023芯片實現(xiàn)500 ps粗延遲， 既提高了采樣精度， 也增加了采樣點數(shù).

圖 9 兩級延遲線結(jié)構(gòu)

跟蹤保持(Track and Hold Amplifier, THA)模塊用于拓展高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號采集系統(tǒng)帶寬. 在該THA中進行采樣， 低帶寬保持的輸出波形便可由一個帶寬低很多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理. 另外， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器在高輸入頻率時的線性度性能局限也得到解決. 多數(shù)高速ADC在內(nèi)部已經(jīng)集成了THA， 但其帶寬通常很小. 因此， 在ADC之前增加一個寬帶的THA可以構(gòu)成一個復合雙級組件. 目前已有成熟的跟蹤保持集成器件可應用于本文系統(tǒng)， 如亞德諾半導體(ADI)的THA系列產(chǎn)品， 能夠提供寬帶精密信號采樣保持， 具有高線性度， 低噪聲， 低隨機孔徑抖動性能和極小動態(tài)范圍損失特點.

5 系統(tǒng)測試與分析

本文根據(jù)上述系統(tǒng)設計， 制作原理樣機， 具體組成有脈沖電路、 時序控制電路、 采樣模塊、 超寬帶定向耦合器、 開關模塊、 電源模塊和采集卡， 如圖 10 所示.

圖 10 系統(tǒng)原理樣機

超寬帶采樣接收模塊由時序控制電路和采樣模塊構(gòu)成. 時序控制電路包含F(xiàn)PGA模塊、 時鐘模塊和步進可調(diào)延遲模塊. 采樣模塊包含跟蹤保持模塊、 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊， 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊信號輸出部分一方面利于采樣的信號能夠在示波器上顯示觀察， 另一方面利于采集卡進行數(shù)據(jù)采集用于上位機的數(shù)據(jù)處理和顯示.

測試設備主要有低通濾波器、 超寬帶天線、 射頻同軸線和中電科AV3692A矢量網(wǎng)絡分析儀， 用于對比和測試系統(tǒng)功能， 如S參數(shù)測量、 時域瞬態(tài)特性測量和故障診斷與定位功能.

5.1 S參數(shù)測量

為驗證S參數(shù)測量的準確性， 以400 MHz低通濾波器作為被測件， 對比AV3692A矢量網(wǎng)絡分析儀測量濾波器的回波損耗和插入損耗， 如圖 11 所示.

(a) 回波損耗

從圖 11 可知， 3 GHz頻帶范圍內(nèi)， 樣機系統(tǒng)與頻域矢量網(wǎng)絡分析儀測試結(jié)果在20 dB動態(tài)范圍內(nèi)， 最大誤差約1.5 dB， 整體曲線吻合基本一致. 在測量的動態(tài)范圍上， AV3692A頻域矢量網(wǎng)絡分析儀比樣機系統(tǒng)大， 主要原因， 一是超寬帶窄脈沖信號相比單頻點信號有較寬的底噪， 二是樣機系統(tǒng)未做相關的降噪處理.

5.2 時域瞬態(tài)特性測量

時域瞬態(tài)特性測量， 以400 MHz低通濾波器和900 MHz 超寬帶天線為例， 分別測試在超寬帶窄脈沖激勵下， 它們得到的瞬態(tài)響應時域波形. 其中， 超寬帶天線的S11頻率范圍為700 MHz～1.65 GHz， 用兩個天線分別一收一發(fā)， 兩個測試天線間隔約為20 cm， 觀察接收的時域波形， 如圖 12 所示.

(a) 原始信號

由圖 12 可知， 低通濾波器響應信號仍然是單極性高斯脈沖信號， 而超寬帶天線響應信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠A的高斯脈沖信號， 低通濾波器和超寬帶天線響應信號的脈沖寬度都展寬， 分別約為7 ns和4 ns， 脈沖峰峰值幅度都降低， 分別約為0.04 V和0.06 V. 同時， 信號分別有6 ns和8 ns的延遲.

圖 13 脈沖信號位置

對于響應信號的波形寬度， 由于頻率帶寬的不同， 超寬帶天線比低通濾波器帶寬大， 反映至時域， 超寬帶天線的時域波形會更窄. 對于響應信號的幅值， 受到多個因素影響， 如插入損耗、 回波損耗、 天線傳播損耗、 天線增益等. 對于響應信號的延遲， 主要由系統(tǒng)響應時間和連接線長度決定， 天線響應信號與兩個天線間距也有關系.

測試結(jié)果能夠直觀觀察到響應信號的脈沖寬度、 幅度和延遲等時域特征變化， 對超寬帶系統(tǒng)測試， 例如時域探地雷達系統(tǒng)， 有重要的應用價值.

5.3 故障診斷與定位

故障診斷與定位是本文系統(tǒng)時域分析方法的運用， 原理類似于時域反射計， 通過時域響應進行故障定位， 識別待測件中的阻抗變換類型. 在對微波網(wǎng)絡進行測量時， 輸入信號在網(wǎng)絡阻抗不連續(xù)位置發(fā)生反射， 響應信號可以反映網(wǎng)絡內(nèi)部的細節(jié)性結(jié)構(gòu)以及它們的空間相對位置.

以0.25 m長的同軸線作為測試對象， 一端連接測試系統(tǒng)， 另一端連接開路或短路校準件， 模擬開路和短路故障. 如圖 13 所示， 當同軸線開路時， 初始信號與反射信號同相； 當同軸線短路時， 初始信號與反射信號反相， 信號翻轉(zhuǎn). 反射信號相比初始信號延遲了2.5 ns， 利用微波原理， 式(3) 可計算故障點位置.

(3)

式中：s為故障點位置； Δt為延遲時間；c為光速；ε為同軸線介質(zhì)介電常數(shù). 測試用的同軸線介電常數(shù)為2.18， 延遲時間為2.5 ns， 由公式(3)計算可得，s約為0.254 m， 與同軸線長度基本一致， 可判斷在同軸線另一端口存在故障點. 本文通過信號的相位和延遲時間判斷故障點類型和位置， 實現(xiàn)了故障診斷和定位功能.

6 結(jié) 論

本文的主要研究是設計一種結(jié)構(gòu)簡單的時域矢量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng). 系統(tǒng)組成主要包含脈沖源模塊、 超寬帶定向耦合器模塊和超寬帶采樣接收模塊. 其中， 脈沖源模塊設計是基于Marx電路和階躍恢復二極管的60 ps量級邊沿的超寬帶窄脈沖電路； 超寬帶定向耦合器模塊是采用空氣介質(zhì)的厚帶漸變耦合帶狀線方案設計， 26.5 GHz頻率范圍內(nèi)， 隔離度大于35 dB， 耦合度為12 dB～16 dB， 方向性大于15 dB； 超寬帶采樣接收模塊是利用等效采樣技術， 結(jié)合跟蹤保持模塊和兩級延遲線結(jié)構(gòu)， 完成10 ps步進間隔的模塊設計. 系統(tǒng)測試進行了3項功能測試， ① 準確測量微波網(wǎng)絡的S參數(shù)， ② 完整測量微波網(wǎng)絡的時域瞬態(tài)特性， ③ 實現(xiàn)對微波網(wǎng)絡故障診斷與定位. 本文設計的系統(tǒng)， 不僅在雷達目標超寬帶瞬態(tài)散射特性測量領域有重要的應用價值， 同時在雷達與通信系統(tǒng)故障等軍事裝備測試領域也具有重要的應用前景.