使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA完成TDR測(cè)試

　 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與時(shí)域反射計(jì)(TDR)是射頻器件測(cè)試領(lǐng)域使用廣泛的測(cè)試儀器;前者通過測(cè)量被測(cè)器件(DUT)在各頻率上的散射參數(shù)，得到DUT的頻率響應(yīng);而基于采樣示波器的TDR通過向DUT提供脈沖或階躍激勵(lì)，并對(duì)反射信號(hào)電壓進(jìn)行采樣分析，得到DUT的時(shí)域響應(yīng)。

　　圖1-1 采樣示波器TDR原理示意圖

　　TDR通過時(shí)域反射波測(cè)量可揭示DUT各位置上的特性阻抗，被廣泛應(yīng)用于電纜與印刷電路板的故障定位。類似地，對(duì)傳輸信號(hào)的時(shí)域測(cè)量，可直觀地展示DUT的時(shí)域傳輸特性，對(duì)系統(tǒng)噪聲、串?dāng)_等干擾因素的分析提供有力幫助。

　　圖1-2 TDR故障定位原理

　　現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)向著高速率、低功耗方向發(fā)展，前者為系統(tǒng)提供更快的數(shù)據(jù)傳輸、處理能力，而后者通過降低信號(hào)電平顯著降低系統(tǒng)功耗。然而這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試工程提出了更高的要求：高比特率的數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)致信號(hào)通路間的時(shí)序偏移裕度下降，阻抗失配等原因引發(fā)的發(fā)射與損耗將引發(fā)更嚴(yán)重的信號(hào)失真，因雜散引入串?dāng)_與耦合也將產(chǎn)生更強(qiáng)的噪聲干擾。而信號(hào)電平的降低也導(dǎo)致信噪比的進(jìn)一步惡化。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上述問題的測(cè)試與分析，要求相關(guān)測(cè)量?jī)x器必須具有更高的測(cè)試精度。

　　由于脈沖與階躍信號(hào)中的高頻分量占比較小，傳統(tǒng)TDR在高頻段的測(cè)量更易受到噪聲干擾，加之其測(cè)試帶寬受制于模擬前端電路頻率特性與內(nèi)部信號(hào)采樣率;采用傳統(tǒng)TDR方案實(shí)現(xiàn)DUT高頻段特性測(cè)試成本較高。

　　在采用更低信號(hào)電平的數(shù)字系統(tǒng)測(cè)試中，傳統(tǒng)TDR不得不降低其激勵(lì)信號(hào)功率，防止損壞DUT;但這將要求測(cè)試信號(hào)具有更高的信噪比，以防止測(cè)試精度下降。

　　在多傳輸通道時(shí)序測(cè)試中，為實(shí)現(xiàn)傳輸通道時(shí)序偏差的精準(zhǔn)測(cè)量，要求TDR提供精準(zhǔn)同步的激勵(lì)信號(hào);隨著數(shù)字信號(hào)的比特率不斷提高，激勵(lì)信號(hào)的同步要求也愈加難以實(shí)現(xiàn)。

　　為滿足上述測(cè)試要求，基于示波器的TDR方案開發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)成本顯著增加;而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)作為射頻頻域測(cè)試儀器，通過傅里葉逆變換的基本方法實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT的時(shí)域測(cè)試功能，可作為傳統(tǒng)TDR方案的替代方案。

　　1、基于VNA的TDR原理

　　VNA通過向DUT提供單頻正弦波激勵(lì)，測(cè)量并計(jì)算輸入信號(hào)與傳輸(反射)信號(hào)的矢量幅度比，以散射參數(shù)的形式給出。VNA在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，激勵(lì)信號(hào)頻率在某一頻率范圍內(nèi)上進(jìn)行掃描，從而獲得DUT在該頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。

　　VNA工作原理

　　VNA在單頻正弦波激勵(lì)下分別對(duì)入射波與反射(傳輸)波進(jìn)行矢量測(cè)量，以獲取其功率及相位信息進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算與分析;因此在VNA測(cè)試端口存在用于測(cè)量入射波的參考接收機(jī)與用于測(cè)量反射(傳輸)波的測(cè)量接收機(jī)，并采用定向耦合器用于分離不同傳輸方向的行波信號(hào)。由于接收機(jī)總是僅需測(cè)量某單一頻率上的信號(hào)，VNA通常采用與射頻激勵(lì)源進(jìn)行同步頻率掃描的內(nèi)部本振源將測(cè)試信號(hào)混頻至中頻，并在接收機(jī)前引入中頻濾波器濾除其他頻率上的干擾信號(hào)。

　　對(duì)于多傳輸通道時(shí)序測(cè)試，VNA通常采用對(duì)各單端激勵(lì)情形進(jìn)行分別進(jìn)行矢量測(cè)量，輸入信號(hào)的波動(dòng)在輸出信號(hào)與輸入信號(hào)矢量比計(jì)算中被抵消，規(guī)避了激勵(lì)信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)同步的問題。

　　圖2-1 VNA硬件框圖

　　基于VNA的TDR方案的基本思想是對(duì)DUT頻率響應(yīng)進(jìn)行傅里葉逆變換可得到其單位沖激響應(yīng)，對(duì)沖激響應(yīng)進(jìn)行積分可得階躍響應(yīng)。VNA頻率測(cè)試點(diǎn)總是離散的，而直接使用離散傅里葉逆變換來實(shí)現(xiàn)時(shí)域變換，時(shí)域響應(yīng)的分辨率與頻域測(cè)試帶寬、時(shí)域響應(yīng)長(zhǎng)度與頻域測(cè)試步進(jìn)頻率分別成反比關(guān)系。在測(cè)量點(diǎn)數(shù)固定的情形下，時(shí)域分辨率與頻域分辨率是不可兼得的;為解決這一矛盾，VNA通常采用線性調(diào)頻Z變換(Chirp-Z transform)來實(shí)現(xiàn)從頻域響應(yīng)到時(shí)域響應(yīng)的變換，由此獲得任意時(shí)間內(nèi)的時(shí)域響應(yīng)。

　　此方案的另一問題在于VNA的頻域測(cè)試范圍總是有限的，在頻域測(cè)試范圍內(nèi)的測(cè)試精度相對(duì)穩(wěn)定，但無法測(cè)得DUT的零頻(直流)與超出VNA測(cè)試頻帶外的頻率響應(yīng)。零頻響應(yīng)在計(jì)算時(shí)域沖激響應(yīng)與階躍響應(yīng)時(shí)是不可缺少的參數(shù)，故VNA需要通過測(cè)試頻帶內(nèi)的頻率影響來估計(jì)零頻響應(yīng);為了獲得較好的估計(jì)效果且方便進(jìn)行變換，通常要求頻域測(cè)試點(diǎn)的起始頻率等于步進(jìn)頻率，讓測(cè)試頻率位于過零點(diǎn)的直線上。而帶外頻率響應(yīng)卻難以估計(jì)，通常將其視為零;而截?cái)嘈?yīng)將導(dǎo)致變換所得的時(shí)域響應(yīng)中存在過沖與旁瓣;而盡管傳統(tǒng)TDR模擬前端電路本身存在帶寬限制，但其高頻響應(yīng)相對(duì)較為光滑，并不會(huì)產(chǎn)生明顯的截?cái)嘈?yīng)。

　　VNA采用對(duì)頻域響上應(yīng)用窗函數(shù)的方法抑制截?cái)嘈?yīng)，但其代價(jià)是降低時(shí)域分辨率;從在時(shí)域上看，窗函數(shù)增大了沖激激勵(lì)的沖激寬度(階躍激勵(lì)的上升時(shí)間)，可應(yīng)用于分析不同上升時(shí)間的數(shù)字信號(hào)傳輸性能。

　　2、兩種TDR方案對(duì)比

　　相較于基于示波器的TDR方案，基于VNA的TDR方案在高速率、低功耗的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試中具有更大優(yōu)勢(shì)。

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