隨著無線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、光通信等領(lǐng)域?qū)τ谛盘杺鬏斔俾驶蛘叻直媛室�求的提升，采用的調(diào)制制式越來越復(fù)雜，信號帶寬也越來越寬�，F(xiàn)代的實(shí)時(shí)示波器由于芯片和材料工藝的提升，已經(jīng)可以提供高達(dá)幾十GHz的實(shí)時(shí)測量帶寬，同時(shí)由于其時(shí)域測量的直觀性和多通道等特點(diǎn)，使其開始廣泛應(yīng)用于超寬帶信號以及射頻信號的測量。本文介紹了高帶寬實(shí)時(shí)示波器在射頻信號測量領(lǐng)域的典型應(yīng)用，以及示波器用于射頻測量時(shí)的底噪聲、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、諧波失真、絕對幅度測量精度、相位噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)。

每一位做射頻或者高速數(shù)字設(shè)計(jì)的工程師都會(huì)同時(shí)面臨頻域和時(shí)域測試的問題。比如從事高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的工程師通常從時(shí)域分析信號的波形和眼圖，也會(huì)借用頻域的S 參數(shù)分析傳輸通道的插入損耗，或者用相位噪聲指標(biāo)來分析時(shí)鐘抖動(dòng)等。對于無線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航信號的分析來說，傳統(tǒng)上需要進(jìn)行頻譜、雜散、臨道抑制等頻域測試，但隨著信號帶寬更寬以及脈沖調(diào)制、跳頻等技術(shù)的應(yīng)用，有時(shí)采用時(shí)域的測量手段會(huì)更加有效。現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的性能比起 10 多年前已經(jīng)有了大幅度的提升，可以滿足高帶寬、高精度的射頻微波信號的測試要求。除此以外，現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的觸發(fā)和分析功能也變得更加豐富、操作界面更加友好、數(shù)據(jù)傳輸速率更高、多通道的支持能力也更好，使得高帶寬實(shí)時(shí)示波器可以在寬帶信號測試領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

一、 什么射頻信號測試要用示波器 ?

時(shí)域測量的直觀性要進(jìn)行射頻信號的時(shí)域測量的一個(gè)很大原因在于其直觀性。比如在右圖中的例子中分別顯示了 4 個(gè)不同形狀的雷達(dá)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(jìn)行分析，很難推斷出信號的時(shí)域形狀。由于這 4 種時(shí)域脈沖的不同形狀對于最終的卷積處理算法和系統(tǒng)性能至關(guān)重要，所以就需要在時(shí)域?qū)π盘柕拿}沖參數(shù)進(jìn)行精確的測量，以保證滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。更高分析帶寬的要求在傳統(tǒng)的射頻微波測試中，也會(huì)使用一些帶寬不太高 (< 1 GHz)的示波器進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的測試，比如用檢波器檢出射頻信號包絡(luò)后再進(jìn)行參數(shù)測試，或者對信號下變頻后再進(jìn)行采集等。此時(shí)由于射頻信號已經(jīng)過濾掉，或者信號已經(jīng)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(shù)的發(fā)展，信號的調(diào)制帶寬越來越寬。比如為了兼顧功率和距離分辨率，現(xiàn)代的雷達(dá)會(huì)在脈沖內(nèi)部采用頻率或者相位調(diào)制，典型的SAR成像雷達(dá)的調(diào)制帶寬可能會(huì)達(dá)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(huì)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(shí)際可用的調(diào)制帶寬可達(dá)到 3 GHz 以上甚至更高。另外示波器的幅頻特性曲線并不是從直流到額定帶寬都平坦，而是達(dá)到一定頻點(diǎn)后就開始明顯下降，因此選擇實(shí)時(shí)示波器時(shí)，示波器的帶寬應(yīng)該大于需要的分析帶寬，至于大多少，要具體看示波器實(shí)際的頻響曲線和被測信號的要求。

在這么高的傳輸帶寬下，傳統(tǒng)的檢波或下變頻的測量手段會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)。由于很難從市面上尋找到一個(gè)帶寬可達(dá)到2GHz以上同時(shí)幅頻/相頻特性又非常理想的檢波器或下變頻器，所以會(huì)造成測試結(jié)果的嚴(yán)重失真。同時(shí)，如果需要對雷達(dá)脈沖或者衛(wèi)星通信信號的內(nèi)部調(diào)制信息進(jìn)行解調(diào)，也需要非常高的實(shí)時(shí)帶寬。傳統(tǒng)的頻譜儀測量精度和頻率范圍很高，但實(shí)時(shí)分析帶寬目前還達(dá)不到GHz以上。因此，如果要進(jìn)行GHz以上寬帶信號的分析解調(diào)，目前最常用的手段就是借助于寬帶示波器或者高速的數(shù)采系統(tǒng)。

二、現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)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(lǐng)域的應(yīng)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(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的的帶寬、采樣率、存儲深度以及底噪聲、抖動(dòng)等性能指標(biāo)都有了顯著的提升。

材料技術(shù)革新對示波器帶寬的提升

以材料技術(shù)為例，磷化銦 (InP) 材料是這些年國際和國內(nèi)比較熱門的材料。相對于傳統(tǒng)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(fù)合速度以及更高的電絕緣強(qiáng)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(tǒng)的鋁基底時(shí)會(huì)存在熱膨脹系數(shù)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(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的硬件帶寬已經(jīng)可以達(dá)到 60GHz以上，同時(shí)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(shí)其較低的功率損耗給產(chǎn)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(shè)計(jì)的示波器可用輸入量程可達(dá)8V，相當(dāng)于20dBm以上，大大提高了實(shí)用性和可靠性。

ADC 采樣技術(shù)對示波器采樣率的提升要保證高的實(shí)時(shí)的帶寬，根據(jù) Nyqist 定律，放大器后面ADC采樣的速率至少要達(dá)到帶寬的2倍以上(工程實(shí)現(xiàn)上會(huì)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(shí)時(shí)示波器通常會(huì)采用ADC的拼接技術(shù)。典型的ADC拼接有兩種方式，一種是片內(nèi)拼接，另一種是片外拼接。片內(nèi)拼接是把多個(gè)ADC的內(nèi)核集成在一個(gè)芯片內(nèi)部，在業(yè)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)8 GHz帶寬范圍內(nèi)10bit的分辨率。片內(nèi)拼接的優(yōu)點(diǎn)是各路之間的一致性和時(shí)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(shí)現(xiàn)160G/s的采樣率，保證了高達(dá)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(shí)對PCB上信號和采樣時(shí)鐘的時(shí)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(jìn)行信號分配和模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)，大大提高了對于PCB走線誤差和抖動(dòng)的裕量。