基于直接采样的脉冲微波光子矢量网络分析仪

矢量网络分析仪(VNA)作为微波工业中必不可少的测试仪器，为射频设计和制造中的操作和性能提供了清晰的认识。VNA 通常通过对被测器件(DUT)的连续刺激进行散射参数(S 参数)测量。然而，利用脉冲激励更适合于脉冲模式下工作的有源器件，如脉冲雷达系统中的放大器、倍频器和混频器。除了器件水平测试外，脉冲测量也被广泛用于晶圆测试，以有效防止由于快速升温而造成的 DUT 过热损伤。

在脉冲 S 参数测量中，DUT 通过脉冲刺激或脉冲电源偏置来驱动，并输出相应的脉冲响应。在每个测试频点，脉冲信号的频谱能量随着脉冲宽度的减小而在宽带上扩展，这对脉冲 VNA 接收宽带信号提出了严格的要求。宽带检测和窄带检测方法已经发展为传统的脉冲 VNA，分别[8]。在宽带检测中，数据采集与脉冲信号同步，以便在脉冲开启时记录数据。当脉冲信号的大部分频谱落在接收机的带宽范围内时，宽带检测是适用的。然而，随着脉冲宽度的减小，更多的频谱能量从接收机的带宽中扩散出来，使得脉冲信号无法被正确地检测到。马尔凯蒂等人提出了一种通过增加中频信号带宽和数据采集速率来改进宽带检测方法的解决方案。然而，随着脉冲宽度的减小，在一个脉冲持续时间内获得的数据量非常有限，影响了测量质量。为了克服带宽限制，引入窄带异步数据采集检测技术来捕获中心频率分量并去除其他频率分量。然而，这种方法将导致脉冲脱敏现象，其中系统动态范围降低作为20log (占空比)在分贝的函数。

近年来，微波光子学为突破电子器件和系统的局限性提供了一个新的视角，引起了人们的广泛关注。利用光子学的大带宽、高精度和抗干扰能力，微波光子技术进一步提高了电测量的精度。

本文提出了一种基于直接采样的脉冲微波光子矢量电路网络分析仪(p-MPVNA)。提出的 p-MPVNA 具有宽系统带宽和光学欠采样的特点，以实现异步宽带检测与矢量叠加。宽系统带宽可以捕获脉冲信号的宽频谱，连续频谱经过非同步光学欠采样后离散为多个频率分量并进行混叠。由于脉冲信号的能量主要集中在主瓣，因此通过数字信号处理和矢量叠加提取脉冲 S 参数来恢复主瓣的频率分量。异步宽带检测可以缓解脱敏现象，当脉冲占空比小于10% 时，系统动态范围缩小为10对数(占空比) ，比窄带检测慢一半。第二部分介绍了脉冲 S 参数测量原理和 p-MPVNA 的系统结构。为了验证该方法的原理和系统性能，提出了 p-MPVNA 实验方案。测量了脉冲微波放大器作为有源器件在连续和脉冲工作时的不同增益曲线。结果与商业 VNA 的测量结果进行了比较。通过测量一个低通滤波器作为 DUT，证明了动态范围随占空比的增大而减小。

1.Min Ding, Xiaoen Chen, Zhengtao Jin, Jianping Chen, and Guiling Wu, "Pulsed microwave photonic vector network analyzer based on direct sampling," Opt. Express 31, 3821-3830 (2023)

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