最小相位重构算法及精细频率栅相位校准机理

摘要

随着电子信息技术的高速发展，越来越高的频率和越来越大的功率给射频无线电测试计量领域带来了极大的挑战，小信号线性S参数的理论及测试计量方法已不能满足现今大信号条件下的非线性测试要求。“超越S参数”、PHD(Poly-Harmonic Distortion)模型分析(Agilent公司称之为“X参数”模型，并将“X参数”注册为国际商标)、非线性矢量网络分析表征方法已经成为射频测试领域崭新的研究方向，非线性矢量网络分析仪在此背景下应运而生。
　　非线性矢量网络分析仪在对被测器件或系统进行测试的时候，需要同时获取被测信号的幅度和相位信息。幅度测量依赖于功率计的功率探头，溯源到国家功率基准。而相位测量则需要利用一个稳定的相位参考来获取被测信号各次谐波之间相位的关系。谐波相位参考在频域上称为梳状波发生器，在时域上则称为超窄脉冲信号发生器。现在谐波相位参考的定标依赖于高速宽带采样示波器。所以宽带采样示波器的校准，尤其是相位校准就显得尤为重要。
　　本文首先从基于谐波采样的大信号网络分析仪与基于混频器的非线性矢量网络分析仪的原理入手，介绍了两种不同设计方案的非线性矢量网络分析仪的结构及校准方法。进而，设计了一种基于共面波导的皮秒级脉冲发生器，该脉冲发生器利用阶跃恢复二极管(SRD)和基于片上结构的短路延迟线来产生超宽带脉冲信号。测试结果表明该电路可产生半幅脉冲宽度(FWHM)为80ps，重复频率为100MHz-500MHz且幅度相位特性稳定的脉冲信号。该脉冲发生器的相位可重复性在20次谐波以前优于±1.75°，可用作非线性矢量网络分析仪的相位参考及谐波相位校准的标准组件。此外，其还可作为相位传递标准，对带宽小于20GHz的采样示波器及其它电子设备的复频率响应进行校准。
　　其次提出了一种通过测量等效采样示波器幅度响应来获得其相位响应的算法。此方法是基于Kramers-Kronig关系式并配以基于NTN(Nose-to-Nose)校准的相位响应测量实现的。实例证明：虽然Kramers-Kronig变换计算时的截断造成了相位估计上非常大的误差，但是此误差可以通过少量的正交基函数拟合出来。作为一个实例,本文利用NTN校准和扫频法校准的结果获得了等效采样示波器在1MHz-50GHz频率范围内的复频率响应。重构出的相位响应标准不确定度在小于50GHz时优于±0.6°。结果表明：此方法可以重构出等效采样示波器任意频率栅(arbitrary frequency grid)复频率响应。
　　然后本文针对现有的非线性矢量网络分析仪相位校准时，相位校准频率分辨率较低的问题，提出了一种基于精细频率栅定标的非线性矢量网络分析仪精细频率相位响应校准新方法。利用校准过的平方律检波器实现非线性矢量网络分析仪的精细频率栅相位校准。推到了校准的基本原理、给出了校准流程并通过ADS仿真和原型样机实验证明了该方法的有效性。获得了窄带调制信号激励时，非线性矢量网络分析仪测量时所需要的精细频率栅相位参考，其相位校准频率分辨率达到了100KHz。
　　最后，介绍了一种新型可溯源的电信号波形的超宽频带表征方法——电光采样(Electro-Optic Sampling EOS)系统。电光采样系统的带宽仅受激光脉冲宽度和激光在钽酸锂(LiTaO3)晶体采样头中往返时间的限制，有超过600GHz理论带宽。通过对采样光束光延迟线的校准，可使EOS系统溯源到国际基本物理量值单位。其在不久的将来将成为一项新的国际标准。文中对EOS的关键部分——LiTaO3晶体采样头进行了片上结构设计，并对其电特性进行了初步测试。

目录

最小相位重构算法及精细频率栅相位校准机理

MINIMUM PHASE RESPONSE RECONSTRUCTION ALGORITHM AND FINE FREQUENCY GRID PHASE CALIBRATION MECHANISM

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 非线性矢量网络分析仪

1.2.2 NTN校准

1.2.3 EOS校准

1.3 课题来源

1.4 课题的研究内容及论文的结构

第2章 非线性矢量网络分析仪及谐波相位参考

2.1 非线性网络分析仪产生背景

2.2 非线性矢量网路分析仪两种典型结构

2.2.1 LSNA结构及宽带取样下变频器

2.2.2 NVNA结构及校准方案

2.2.3 LSNA与NVNA的差别

2.3 基于SRD的梳状波发生器

2.3.1 梳状波发生器设计

2.3.2 梳状波发生器测试与定标

2.3.3 脉冲发生器的应用

2.4 非线性传输线

2.4.1 非线性传输线及其主要性质

2.4.2 强色散效应：孤子

2.4.3 非线性传输线设计方案

2.5 本章小结

第3章 等效采样示波器任意频率栅相位响应重构

3.1 示波器的发展概况及其分类

3.2 最小相位响应重构算法

3.3 相位响应重构方法

3.3.1扫频和NTN校准时的数据合并

3.3.2 K-K算子离散化矩阵

3.4 数据采集及结果

3.4.1 NTN校准简介

3.4.2 NTN校准实验及结果

3.4.3 扫频法实验及结果

3.5 相位拟合理论及结果

3.6 不确定度分析

3.7 本章小结

第4章 精细频率栅相位参考校准机理及实验

4.1 平方律检波器原理

4.2 非线性矢量网络分析仪精细频率栅相位校准实验可行性分析

4.2.1调幅(AM)信号实验可行性分析

4.2.2 单边带(SSB)调幅信号实验可行性分析

4.2.3 双边带(DSB)调幅信号实验可行性分析

4.2.4 包含载波的单边带调幅信号实验可行性分析

4.3 平方律检波器复频率响应特性的ADS仿真

4.3.1 检波二极管建模

4.3.2 平方律检波器相位校准实验仿真

4.3.3 载波频率对平方律检波器的影响

4.3.4 调制频率对平方律检波器的影响

4.4 精细频率栅相位校准机理及实验方案

4.4.1 平方律检波器校准机理

4.4.2 非线性矢量网络分析仪精细频率栅方案

4.4.3 精细频率栅实验装置及实验结果

4.5 本章小结

第5章 EOS可溯源脉冲波形校准理论

5.1 EOS简介及国外研究现状

5.2 EOS原理及改进设计方案

5.2.1 EOS采样技术的基本原理

5.2.2 非侵入式EOS采样系统的组成

5.2.3 EOS采样系统改进方案

5.3基于等效电路模型的LiTaO3晶片模型及失配修正

5.4 基于LiTaO3晶片的共面波导电光采样头的设计及电特性测试

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学学位论文使用授权说明

致 谢

个人简历