将采样示波器用于微波测试

许多现代化的高速示波器都很适合于微波波形，调制信号和非线性现象的精确测量。这些示波器的带宽可以一直达到 100GHz，并且具有 50? 的标称输入阻抗。就像它们的同类低频仪器一样，这些示波器很灵活，易于使用，并且相对而言不太昂贵：这使得它们很适合对各种各样微波源和其它元件进行测量。与所有微波仪器一样，要说明示波器的不完善性，并且对此进行修正对于进行准确的测量是很关键的。

高速采样示波器非常重要的不完善性包括示波器的时基抖动，漂移和时基失真，以及示波器采样电路的脉冲响应和示波器阻抗匹配的不完善性。然而，通过合适的修正这些高速采样示波器不仅可以用来对电路进行调试，还可以在最高的微波频率处进行精准级的测量。所需要的大部分设备在大多数微波实验室中都可以找到：一台矢量网络分析仪，一台微波信号发生器，当然了，还有一台采样示波器！这里，我们对[1]和[2]所讨论的对于精准测量所需进行的修正进行了总结，并且对这些示波器对微波信号的表征进行了说明（见“微波信号测量方法的比较”和“射频功率和调制包络的测量”）。

微波信号测量方法的比较

采样示波器的测量带宽可以达到100GHz； 它们可以被用来表征微波频率下各种各样的波形，包括脉冲，调制信号[7]，[20]，以及谐波丰富的信号。微波工程师们可能对诸如微波过渡分析仪（MTA）和LSNA[12]，[13]这样的仪器更熟悉，这些仪器是专门设计能在保持不同谐波成分的幅值和相应关系的条件下获取谐波丰富的波形的[2]。实际上，LSNA的相位参考通常是由经过校准的采样示波器来表征的（见“NIST的波形校准服务”）。

尽管LSNA和MTA通常被用来表征由诸如功率放大器等非线性电路所产生的谐波失真，它们也同样能够表征如图8所示的1GHz的方波脉冲串波形。因为这些仪器采用的是时域测量法，所以它们既能测量调制信号的幅值，也能测量调制信号的相位。图9和10是用三种仪器所测得的频域幅值和相位。

用LSNA，MTA和示波器所测量的波形的谐波吻合得很好。对高阶谐波来说，示波器与LSNA测量结果吻合得比MTA更好一些。使用LSNA的好处之一是它可以自动进行测量结果的失配校正。对于进行这个比较所涉及的测量范围，我们进行了时基失真和脉冲响应的校正，但没有进行失配校正。

图8 时域波形测量的比较。

图9 幅值测量的比较

图10 相位测量的比较。

射频功率和调制包络的测量
David Humphreys
采样示波器可以测量经过调制的射频信号包络；这些信号可以用来校准宽带射频功率计。可以直接对调制信号进行测量（见“微波信号测试方法的比较”以及参考文献[7]和[20]），或者可以用调制包络来触发示波器，这样一来，所涉及的射频信号便显示为随机采样。

用调制包络来触发简化了测量装置。在这种方法中，被测的采样信号的偏差与包络中的射频功率成正比[27]，可以通过对采样信号的统计来确定调制包络和功率。这种方法与使用在扫频正弦示波器的校准是密切相关的[15]-[19]。图11显示了这个过程。来自微波源的信号是用9-µs长的方波脉冲进行调制的。虽然无法从信号的统计特性中确定幅值和相位的准确值， 但可以从测得的采样信号的方差中确定调制包络和功率。在英国的NPL中用这种方法对微波峰值功率计进行校准 [27] 。
David Humphreys is with the National PhysicalLaboratory,Teddington, U.K.

图11 通过使用采样示波器来测量射频功率包络。

数字示波器的类型

您所使用的第一台示波器可能是一台模拟类型的仪器。然而，现代的示波器通常用数字方法对信息进行处理，存储和显示[3]。现在所出售的现代化数字示波器有许多不同的特性，但微波工程师可以根据它们的内部工作方式将这些仪器分成两类：实时示波器和采样（或等效时间）示波器。
实时示波器高速地对波形反复进行采样，并且将测量结果存储在内存中的一个循环缓冲器中。通过设置触发事件，用户可以决定要展示的那部分波形。对于低端产品来说，触发事件可以仅限于简单的边缘触发，但高端 产品可以使用复杂的数字处理来触发在复杂的数字信号或微波信号中的异常事件。
通用的实时示波器一般都有一个高的输入阻抗，并且被设计来通过非创的方式实时地测量工作中的电气电路内部的电压。由于输入电路的寄生效应，这些示波器的带宽都限制在大约 500MHz。

许多现代化的高速示波器都很适合于微波波形，调制信号和非线性现象的精确测量。

高端实时示波器通过在接有 50? 终端负载的 50? 传输线中镶嵌的采样示波电路而超出了这个带宽限制。这些高端实时示波器达到了可与低端采样示波器相媲美的带宽；它们可以被直接连接到微波电路的输出端口，并且测量电路在示波器的标称50? 输入阻抗上所产生的电压。这近似于设计了一个大多数微波元件和电路运行的匹配环境。
实时示波器采用了一种交替的模拟-到-数字的转换器技术来实现高达 50G 个采样/ 秒的采样速度和高达20GHz 的带宽。实时示波器通常能够采集千万个或者几亿个采样，并且可以对这些波形进行处理来获取不同的信号特性，包括时基抖动或微波调制。
虽然，实时示波器是极其多才多艺的，但它们同样有一些会限制其使用在微波应用上的特性。例如，实时示波器采用了高速的模拟-到-数字转换器，并且必须有大量的数据出入存储单元，所以它们的精度通常会限制在 8 个比特位。同样，很难将不同的交叉模拟-到-数字转换器之间的增益，响应和时延进行完美的匹配，这便降低了保真度，限制了带宽。

高速采样示波器

本文的剩余部分要集中讨论的高速采样示波器采用了一个等效时间采样策略来使得有用带宽可高达100GHz。大部分示波器都是 50? 的标称阻抗，并且被设计用来测量重复性输入信号。采用等效时间采样使之可以达到比实时示波器更高的保真度。

图1是一个高速采样示波器的示意图。当其被触发后，示波器采用了一个