资料文档:《Sampling for Oscilloscopes and Other RF Systems: Dc Through X~Band》

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日期:2025-01-20

核心速览

本文主要介绍了在微波系统中进行相位特性分析和测量的技术,以及通过采样技术实现的宽带示波器和其他射频系统的带宽扩展。

研究背景

·  研究问题:在微波系统中,精确测量相位变化对于系统性能的评估至关重要。随着技术的发展,对更高频率范围内的精确相位测量技术的需求日益增长。
·  研究难点:实现高带宽的采样设备面临诸多挑战,包括如何减少采样环路电感以避免限制带宽,以及如何设计出能够处理高频信号的采样电路。
·  文献综述:文章引用了多篇文献,涵盖了从1949年到1966年间关于微波相位测量和采样技术的研究。这些文献包括了对微波系统相位特性分析、测量技术、以及特定应用(如线性加速器波导馈电网络的相位调整)的研究。这些研究为本文提供了理论基础和技术参考,展示了采样技术在不同领域的应用和进展。

采样技术在示波器及其他射频系统中的应用

·  采样技术:采样技术在周期性波形中用于实现宽带宽,已广泛应用于示波器、相位锁定环、随机采样电压检测器等射频系统。采样设备的基本要求在不同应用中几乎相同,但带宽是最重要的性能特征。
·  带宽扩展:通过开发带宽超过12.4 GHz的采样设备,采样技术已扩展到X波段频率以上。采样设备的带宽由二极管、采样脉冲及其与射频传输线连接的方法决定。
·  采样电路设计:介绍了独特的采样电路及其机械实现,并提供了典型测量性能数据。采样设备的带宽定义为效率η为直流或低频值的1/√2时的频率。采样设备的灵敏度或转换损耗由输入传输线到采样电容的电荷转移效率决定。

采样设备的性能评估

·  输入信号动态范围:采样设备的性能评估包括输入信号动态范围、灵敏度、输入电压驻波比、相位响应和机械配置等多个方面。
·  带宽与输入VSWR和阶跃响应过冲的关系:带宽、输入电压驻波比(VSWR)和阶跃响应过冲之间的关系被详细描述,并给出了典型的测量结果。
·  测试配置:使用图14所示的测试配置来测量采样设备的带宽。采样设备在输出端加载,并在输入端应用连续波信号。如果在采样端口应用与连续波信号不同步的周期性采样信号,视频放大器的输出将是一系列输入的随机样本。

采样设备的测试结果

·  测试结果:组装并测试了本文描述类型的采样设备。使用上升时间为大约80皮秒的采样电压阶跃,获得了补偿和未补偿采样器的平均实验结果。
·  VSWR与频率的关系:未补偿采样器的VSWR随频率增加而增加,这是由于未屏蔽的二极管电容。补偿采样器显示出预期的较低VSWR和高频响应的增加。

结论

·  带宽提升:使用上述电磁机械配置获得的带宽远超过12.4 GHz,实现了之前可用带宽的三到四倍增长。可以假设,这种技术最终将用于实现超过18 GHz的带宽。
·  感谢:作者感谢惠普公司研究副总裁Dr.B.Oliver的有益建议,以及在-hp-Associates工作的许多个人对开发工作的贡献。

总体结论

·  采样技术的创新应用:采样技术在射频系统中的应用已从传统的示波器扩展到X波段以上,显著提升了带宽性能。通过独特的采样电路设计和机械实现,实现了对射频信号的高效率采样。

·  技术进步的重要性:该技术的突破不仅提高了采样设备的性能,还为未来射频系统带宽的进一步扩展奠定了基础。通过实验验证,该技术在实际应用中表现出色,为射频测量领域带来了新的可能性。


关于“基本采样要求”(Basic Sampling Requirements)的讨论,可以总结如下:

  • 采样电路的理想化模型中,开关S在短时间内闭合,允许采样电容C充电至输入电压的一部分。然后开关打开,将输入的样本存储在采样电容上。采样效率定义为采样电容上的电压与输入电压的比值。
  • 采样设备的带宽被定义为效率η降至直流或低频值的1/√2时的频率。设备的第一个零点出现在采样门关闭的时间等于输入连续波(CW)信号周期的时间。
  • 采样设备的带宽与二极管的特性、采样脉冲以及连接到被采样射频传输线的方法有关。
  • 采样电路的简化模型可以将两个二极管合并为一个,这与小信号分析一致。
  • 采样设备的带宽与采样门开启的时间成反比。
  • 采样器的灵敏度,类似于混频器中的转换损耗,由输入传输线到采样电容器的电荷转移效率决定。理想情况下,我们希望二极管在时间t内阻抗为零,以使采样电容器能够充更大的输入电压分数,从而提高采样效率。

Split-Ground Configuration(分割地配置)是用于实现高带宽采样设备的一种技术。这种配置通过将输入同轴传输线的地分割开来,从而在输入信号的地和采样电容的地之间建立一个低阻抗连接。具体来说,这种配置通过将输入信号的地线分割,使得采样脉冲可以应用到分割地的传输线上,从而在采样点产生一个采样电压脉冲。这种技术的关键在于,它允许采样脉冲在采样电容的地和输入信号的地之间产生一个有限的阻抗,从而实现采样。

文档中提到的分割地配置的采样电路如图9所示,它通过分割输入同轴传输线的地来实现最低阻抗的连接。这种配置允许在传输线的两个地平面之间维持50欧姆的阻抗,并且在平衡驱动时,可以在两个地平面之间发展采样脉冲。这种分割地配置提供了一个理想的采样信号入口点,因为采样信号可以应用到射频传输线的地,并且能够发展出采样电压。采样信号可以以电压步进的形式应用到分割地的短路传输线上,然后转换成脉冲形式。

此外,文档还提到了一个特别吸引人的短路传输线形式,即双锥形传输线。这种传输线的特性是,从中心驱动时,其阻抗是恒定的。为了防止采样电压在到达短路点之前被反射,需要在传输线上维持恒定的阻抗。双锥形传输线的阻抗由一个特定的方程给出,这使得它成为实现采样脉冲的理想选择。

总结来说,分割地配置通过物理上分割输入信号的地线,实现了采样脉冲与输入信号地之间的低阻抗连接,从而提高了采样设备的带宽和性能。

在文档中,关于双锥形采样配置(Biconical Sampling Configuration)的描述主要集中在采样电路的实现和测试配置上。以下是文档中关于双锥形采样配置的关键信息:

- 采样电路使用了双锥形传输线(biconical transmission line)作为脉冲形成线来生成采样脉冲。这种结构的特性是电长度从中心到短路点为25皮秒,往返或差分长度为50皮秒。
- 为了实现所需的带宽,采样电路的输入阻抗被维持在50欧姆,除了采样节点处未屏蔽的二极管电容。
- 采样电容器被放置在二极管附近,以确保从射频传输线到地的采样路径具有低电感。
- 为了实现所需的带宽,采样电路的机械实现对总允许的采样环路电感提出了非常严格的要求。在实践中,这意味着每个封装的二极管串联电感必须小于这个值。
- 采样电路的测试配置包括将采样器的输出端加载,并在输入端应用连续波(CW)信号。如果在采样端口应用与CW信号不同步的周期性采样信号,视频放大器的输出将是一系列输入的随机样本。
- 测试结果显示,采样设备的带宽远超过12.4 GHz,这代表了比之前可用的带宽增加了三到四倍。可以假设这种技术最终将被用于实现超过18 GHz的带宽。

以上信息基于文档中的描述,具体细节和数据可以在文档中找到。