如何使用示波器进行射频信号测试

摘要

随着无线通信、雷达、卫星通信、光通信等领域对于信号传输速率或者分辨率要求的提升，采用的调制制式越来越复杂，信号带宽也越来越宽。现代的实时示波器由于芯片和材料工艺的提升，已经可以提供高达几十GHz的实时测量带宽，同时由于其时域测量的直观性和多通道等特点，使其开始广泛应用于超宽带信号以及射频信号的测量。本文介绍了高带宽实时示波器在射频信号测量领域的典型应用，以及示波器用于射频测量时的底噪声、无杂散动态范围、谐波失真、绝对幅度测量精度、相位噪声等关键指标。

每一位做射频或者高速数字设计的工程师都会同时面临频域和时域测试的问题。比如从事高速数字电路设计的工程师通常从时域分析信号的波形和眼图，也会借用频域的S 参数分析传输通道的插入损耗，或者用相位噪声指标来分析时钟抖动等。对于无线通信、雷达、导航信号的分析来说，传统上需要进行频谱、杂散、临道抑制等频域测试，但随着信号带宽更宽以及脉冲调制、跳频等技术的应用，有时采用时域的测量手段会更加有效。现代实时示波器的性能比起 10 多年前已经有了大幅度的提升，可以满足高带宽、高精度的射频微波信号的测试要求。除此以外，现代实时示波器的触发和分析功能也变得更加丰富、操作界面更加友好、数据传输速率更高、多通道的支持能力也更好，使得高带宽实时示波器可以在宽带信号测试领域发挥重要的作用。

一、 什么射频信号测试要用示波器 ?

时域测量的直观性

要进行射频信号的时域测量的一个很大原因在于其直观性。比如在右图中的例子中分别显示了 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，如果只在频域进行分析，很难推断出信号的时域形状。由于这 4 种时域脉冲的不同形状对于最终的卷积处理算法和系统性能至关重要，所以就需要在时域对信号的脉冲参数进行精确的测量，以保证满足系统设计的要求。

更高分析带宽的要求

在传统的射频微波测试中，也会使用一些带宽不太高 (< 1 GHz)的示波器进行时域参数的测试，比如用检波器检出射频信号包络后再进行参数测试，或者对信号下变频后再进行采集等。此时由于射频信号已经过滤掉，或者信号已经变换到中频，所以对测量要使用的示波器带宽要求不高。

但是随着通信技术的发展，信号的调制带宽越来越宽。比如为了兼顾功率和距离分辨率，现代的雷达会在脉冲内部采用频率或者相位调制，典型的SAR成像雷达的调制带宽可能会达到2GHz以上。在卫星通信中，为了小型化和提高传输速率，也会避开拥挤的C波段和Ku波段，采用频谱效率和可用带宽更高的Ka波段，实际可用的调制带宽可达到 3 GHz 以上甚至更高。另外示波器的幅频特性曲线并不是从直流到额定带宽都平坦，而是达到一定频点后就开始明显下降，因此选择实时示波器时，示波器的带宽应该大于需要的分析带宽，至于大多少，要具体看示波器实际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测量手段会遇到很大的挑战。由于很难从市面上寻找到一个带宽可达到2GHz以上同时幅频/相频特性又非常理想的检波器或下变频器，所以会造成测试结果的严重失真。

同时，如果需要对雷达脉冲或者卫星通信信号的内部调制信息进行解调，也需要非常高的实时带宽。传统的频谱仪测量精度和频率范围很高，但实时分析带宽目前还达不到GHz以上。因此，如果要进行GHz以上宽带信号的分析解调，目前最常用的手段就是借助于宽带示波器或者高速的数采系统。

二、现代实时示波器技术的发展

传统的示波器由于带宽较低，无法直接捕获高频的射频信号，所以在射频微波领域的应用仅限于中频或控制信号的测试，但随着芯片、材料和封装技术的发展，现代实时示波器的的带宽、采样率、存储深度以及底噪声、抖动等性能指标都有了显著的提升。

材料技术革新对示波器带宽的提升

以材料技术为例，磷化铟 (InP) 材料是这些年国际和国内比较热门的材料。相对于传统的 SiGe 材料或GaAs材料来说，磷化铟(InP)材料有更好的电性能，可以提供更高的饱和电子速度，更低的表面复合速度以及更高的电绝缘强度。在采用新型材料的过程中，还需要解决一系列的工艺问题。比如InP材料的高频

特性非常好，但如果采用传统的铝基底时会存在热膨胀系数不一致以及散热效率的问题。氮化铝(AIN)是一种新型的陶瓷基底材料，其热性能和InP更接近且散热特性更好，但是AlN材料成本高且硬度大，需要采用激光刻蚀加工。

借助于新材料和新技术的应用，现代实时示波器的硬件带宽已经可以达到 60GHz以上，同时由于磷化