脈沖S參數(shù)測(cè)量中的跟蹤技術(shù)

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試 S參數(shù)通常是對(duì)被測(cè)器件施加連續(xù)波激勵(lì)來(lái)完成的，然而在某些情況下， S參數(shù)的測(cè)量必須使用脈沖激勵(lì)。例如，在測(cè)試諸如功率晶體管之類的非熱耦合被測(cè)器件的 S參數(shù)時(shí)，連續(xù)波激勵(lì)所積累的熱量可能會(huì)損壞被測(cè)器件，而使用脈沖激勵(lì)進(jìn)行測(cè)量則可以安全地對(duì)這類器件的特性進(jìn)行表征。通過(guò)正確選擇脈沖激勵(lì)的占空比，可以保證測(cè)量的平均功率保持在較低的水平，避免產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。另一個(gè)需要進(jìn)行脈沖 S參數(shù)測(cè)量的例子是對(duì)通常工作在脈沖或猝發(fā)信號(hào)狀態(tài)下——例如雷達(dá)系統(tǒng)和許多數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)中的器件進(jìn)行測(cè)量。今天，脈沖 S參數(shù)的測(cè)量已經(jīng)可以使用自身就能夠產(chǎn)生脈沖激勵(lì)并對(duì)脈沖正弦信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成。

　　脈沖信號(hào)的頻譜可以借助一些數(shù)學(xué)分析工具表示出來(lái)。方程 1描述了時(shí)域中的脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程可以直觀地表示為：首先為將要生成的脈沖寬度為 PW脈沖信號(hào)建立一個(gè)矩形窗口信號(hào)[rect(t)];

　　y(t) = (rect pw (t)×x(t))×shah 1(t) (1)

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　　圖1

　　接著再產(chǎn)生一個(gè) shah函數(shù)，這個(gè)函數(shù)由彼此間隔為 1/PRF的周期性沖擊串組成，其中 PRF是需要產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率， Shah函數(shù)也可以被視為間隔等于脈沖信號(hào)周期的許多個(gè)沖擊。最后，把窗口信號(hào)與 shah函數(shù)進(jìn)行卷積之后就可以產(chǎn)生一個(gè)在時(shí)間關(guān)系上與所需脈沖信號(hào)相一致的周期性脈沖串。

　　方程 2表示的是時(shí)域脈沖信號(hào)的傅立葉變換。它表示脈沖信號(hào)的頻域譜是一個(gè)取樣點(diǎn)(信號(hào))出現(xiàn)的頻率等于脈沖重復(fù)頻率(PRF)取樣的 Sinc函數(shù)，。

　　Y (s) = ( pw·sinc( pw·s)·X (s))·( prf·shah( prf·s))

　　Y (s) = ( pw ·sinc( pw ·s))·( prf·shah( prf·s))

　　Y (s) = DutyCycle·sinc( pw·s)·shah( prf·s) (2)

　　圖 1a顯示的是 PRF等于 1.69 kHz、脈沖寬度為 7 ?s的脈沖信號(hào)的頻譜。圖 1b放大顯示了同一脈沖頻譜在基波頻率——被脈沖化處理的信號(hào)頻率上的部分(圖 1a的中心部分)。注意，該頻譜包含諾干與基頻相距 nPRF的分量。基頻中包含了測(cè)量所需要的信息;彼此間隔為 PRF的各個(gè)分量是在對(duì)基頻進(jìn)行脈沖化處理的過(guò)程中產(chǎn)生的，值得注意的是，靠近基音的頻譜分量的幅度相對(duì)較大一些。

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　　圖1a

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　　圖1b

這些圖形顯示了 PRF為 1.69 kHz、脈沖寬度為 7 ?s(a)的信號(hào)的脈沖頻譜，以及同一脈沖頻譜放大到基頻(圖中心)(b)的圖像。

　　Agilent PNA-X系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自身即可提供脈沖激勵(lì)并對(duì)脈沖響應(yīng)進(jìn)行精確測(cè)試。這個(gè)高度集成的 S參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(圖 2a)內(nèi)部包含了復(fù)雜的信號(hào)產(chǎn)生和分配部件(圖 2b)，使其既可以進(jìn)行連續(xù)波的激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試也可以進(jìn)行脈沖信號(hào)的激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試。內(nèi)部信號(hào)源可對(duì)內(nèi)部測(cè)試信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制，生成 10 MHz到26.5 GHz的脈沖激勵(lì)。這種矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部信號(hào)源可產(chǎn)生最小脈沖寬度僅為 33 ns(典型值甚至更窄)的脈沖信號(hào)。

　　脈沖測(cè)量的定時(shí)信號(hào)是由 PNA-X內(nèi)部的一個(gè)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的，這個(gè)脈沖發(fā)生器有四個(gè)主輸出信道，每個(gè)信道都有獨(dú)立的脈沖延遲和寬度控制。這些輸出通道可以經(jīng)過(guò) PNA-X內(nèi)部的路徑直接驅(qū)動(dòng) PNA-X內(nèi)部的調(diào)制器、數(shù)據(jù)采集電路，也可以從 PNA-X的后面板輸出到 PNA-X的外部以驅(qū)動(dòng)其它的外圍測(cè)試設(shè)備。脈沖發(fā)生器的定時(shí)基于一個(gè) 60 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生分辨率為 16.7 ns定時(shí)信號(hào)。由于這些脈沖發(fā)生器是獨(dú)立于

　　各個(gè)測(cè)量通道的，所以每個(gè)測(cè)量通道都可以獨(dú)立地對(duì)脈沖發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置，這樣就可以同時(shí)對(duì)各種不同的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量和顯示，例如可以在一個(gè)顯示屏幕上同時(shí)顯示脈沖包絡(luò)、脈沖內(nèi)定點(diǎn)和增益壓縮等的測(cè)量結(jié)果。無(wú)論是進(jìn)行連續(xù)波測(cè)量還是進(jìn)行脈沖信號(hào)測(cè)量，PNA-X的接收機(jī)都是專為獲得最佳靈敏度而設(shè)計(jì)的。

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　　圖 2a

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　　圖 2b

Agilent PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)可在內(nèi)部復(fù)雜信號(hào)路由(b)的幫助下，使用寬帶和窄帶測(cè)量模式(b)進(jìn)行脈沖 S參數(shù)測(cè)量。

　　PNA-X微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可在寬帶和窄帶兩種模式下進(jìn)行脈沖測(cè)量，這兩種模式各有其先進(jìn)和有所折衷之處。Agilent PNA-X這一系列的現(xiàn)代化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都具備這兩種檢波模式，因此儀表使用人員在測(cè)試測(cè)器件特性的時(shí)候可以非常靈活地定制測(cè)量計(jì)劃。

　　寬帶檢波方法適用于脈沖頻譜的絕大部分都能落在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)中頻帶寬之內(nèi)的情況。寬帶檢波技術(shù)既可以用模擬電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。使用寬帶檢波技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)檢波器與脈沖流保持同步，只有在脈沖出現(xiàn)的時(shí)候(脈沖處于“ ON”的狀態(tài))才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因?yàn)檫@種方法用一個(gè)同步到 PRF的脈沖觸發(fā)信號(hào)來(lái)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行觸發(fā)，所以通常稱這種模式為同步采集模式(圖 3)。這種模式的時(shí)間分辨率是接收機(jī)檢波帶寬(即中頻帶寬 IFBW)的函數(shù)，確定適當(dāng)?shù)臅r(shí)間分辨率的一個(gè)好的參考標(biāo)準(zhǔn)是用接收機(jī)中頻帶寬的倒數(shù)，即 1/IFBW作為時(shí)間分辨率的值。

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　　圖 3

　　對(duì)于 VNA中的寬帶檢波，檢波器會(huì)與被測(cè)脈沖流進(jìn)行同步，只在脈沖處于“通”狀態(tài)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。由于 VNA中的脈沖觸發(fā)與 PRF同步，這種測(cè)量方法通常稱為同步采集模式。

　　寬帶測(cè)試模式的優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)試占空比較大的脈沖信號(hào)(具有相對(duì)穩(wěn)定的信噪比與占空比的關(guān)系)時(shí)動(dòng)態(tài)范圍幾乎沒(méi)有損失。缺點(diǎn)是能夠測(cè)量的最小脈沖寬度受到了限制。當(dāng)信號(hào)的脈沖寬度變得越來(lái)越窄時(shí)，信號(hào)頻譜能量會(huì)分布在一個(gè)更寬的帶寬內(nèi)。當(dāng)有足夠多的脈沖能量落在了接收機(jī)的中頻帶寬以外時(shí)，接收機(jī)就不能夠?qū)γ}沖進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)。從時(shí)域的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)脈沖的寬度小于接收機(jī)的上升時(shí)間時(shí)，接收機(jī)便不能對(duì)該脈沖進(jìn)行檢測(cè)。要測(cè)量更窄的脈沖，(如果繼續(xù)使用寬帶模式進(jìn)行測(cè)試)就必須使用更寬的檢波帶寬。隨著接收機(jī)帶寬的增加，就會(huì)有更多的噪聲進(jìn)入接收機(jī)，因此降低了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

　　PNA-X微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀寬帶測(cè)試模式的檢波(即 IFBW)帶寬可達(dá) 5 MHz，時(shí)間分辨率大約為 250 ns(可精確測(cè)量的最小脈沖寬度)。在寬帶模式下配置 PNA-X非常簡(jiǎn)單。脈沖發(fā)生器不僅可以配置為觸發(fā)內(nèi)部信號(hào)源調(diào)制器，而且還可以配置為從內(nèi)部對(duì)測(cè)量進(jìn)行觸發(fā)，因此數(shù)據(jù)采集與輸入的射頻脈沖(無(wú)需外部觸發(fā)電纜)是同步的。在這種情況下，可以把 PNA-X配置成在一個(gè)顯示界面上同時(shí)對(duì)脈沖內(nèi)的定點(diǎn)( Point-in?Pulse)、脈沖包絡(luò)(Pulse Profile)和脈沖到脈沖之間的關(guān)系(Pulse-to-Pulse)進(jìn)行測(cè)量的工作方式。

　　在窄帶檢波模式下，脈沖寬度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化處理和數(shù)據(jù)采集所需要的最短時(shí)間(圖 4)。使用窄帶測(cè)試技術(shù)，脈沖頻譜中除了代表 RF載波頻率的中心頻率成分之外，所有其它的頻譜分量都被濾波處理掉了。濾波之后，脈沖射頻信號(hào)變成了正弦(即連續(xù)波)信號(hào)。當(dāng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作在窄帶脈沖測(cè)量模式的時(shí)候，各個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)不與輸入脈沖同步，因此不需要同步測(cè)量觸發(fā)信號(hào)，所以窄帶檢波技術(shù)也稱為異步采集模式。一般情況下，在窄帶測(cè)試模式應(yīng)用中，因?yàn)楸粶y(cè)脈沖信號(hào)的 PRF比接收機(jī)的中頻帶寬更高，所以這種方法又稱“高 PRF”模式。

　　圖 4

　　在窄帶檢波模式中，脈沖寬度通常比對(duì)一個(gè)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理和數(shù)據(jù)采集所需的最小時(shí)間還小很多。

　　安捷倫在 PNA-X上開(kāi)發(fā)出了一種更出色窄帶測(cè)試技術(shù)，這種新的窄帶測(cè)試技術(shù)可以使測(cè)試接收機(jī)的 IFBW比過(guò)去窄帶測(cè)試模式中常用 IFBW更寬。這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的方法被稱為“零點(diǎn)頻譜技術(shù)”(圖 5)。這個(gè)非常高效率的檢波模式方法會(huì)根據(jù)脈沖信號(hào)的 PRF產(chǎn)成一個(gè)“匹配的”數(shù)字濾波器。這項(xiàng)技術(shù)允許用戶能夠用在動(dòng)態(tài)范圍上的一點(diǎn)損失來(lái)?yè)Q取更快的測(cè)試速度，與傳統(tǒng)濾波處理方法進(jìn)行的脈沖測(cè)量相比，這種技術(shù)總是可以達(dá)到更快的測(cè)試速度。

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　　圖 5

　　在 PNA-X VNA中在較寬 IF帶寬上部分實(shí)現(xiàn)窄帶檢波需要使用基于被測(cè)脈沖信號(hào) PRF的匹配數(shù)字濾波器。

　　一般來(lái)說(shuō)，由于窄帶測(cè)試方式把除了中心頻譜之外的所有其它脈沖頻譜分量都濾波處理掉了，它在所能測(cè)試的最窄脈沖寬度方面受到的限制明顯地小得多。缺點(diǎn)是測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍受占空比的影響。當(dāng)占空比較小時(shí)(脈沖之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng))，脈沖平均功率的下降會(huì)造成信噪比( SNR)的降低，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍

　　隨占空比的降低而減小。我們把這種現(xiàn)象稱為“脈沖的減敏感作用”。在安捷倫上一代具有脈沖測(cè)試能力的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA系列產(chǎn)品)中，測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍受到占空比下降而降低的量可以用 20log(占空比)關(guān)系式計(jì)算出來(lái)。而 PNA-X則通過(guò)采用全新的先進(jìn)脈沖檢波方法，極大改善了接收機(jī)的脈沖減敏感作用。

　　PNA-X通過(guò)采用新的硬件和軟件技術(shù)和算法極大地改善了上述限制，顯著地降低了關(guān)系為 20log(占空比)的脈沖減敏感作用。兩大改進(jìn)主要在于采用了增強(qiáng)型硬件選通和軟件選通。為了提高 PNA-X的時(shí)間分辨率，在 PNA-X的 IF路徑上增加了一個(gè)選通開(kāi)關(guān)(圖 6)。選通開(kāi)關(guān)的定時(shí)信號(hào)來(lái)自于 PNA-X內(nèi)部脈沖發(fā)生器的幾個(gè)輸出通道中的一個(gè)(圖 2b)，這個(gè)輸出通道設(shè)置了脈沖周期、脈沖寬度和延遲。選通開(kāi)關(guān)的選通寬度給脈沖中定點(diǎn)測(cè)量和脈沖包絡(luò)測(cè)量提供時(shí)間分辨率。

　　圖 6

　　PNA-X通過(guò)多種新技術(shù)(包括在 IF路徑中使用選通開(kāi)關(guān)提高時(shí)間分辨率)將脈沖靈敏度降低程度減少到最小。

　　因?yàn)檎麄€(gè) IF路徑的噪聲系數(shù)經(jīng)常是由接收機(jī)上游的前幾級(jí)決定的，所以可以在來(lái)自接收機(jī)上游的信號(hào)(和噪聲)到達(dá) IF選通之前先給它們提供盡可能多的增益來(lái)改善信噪比(信號(hào)大小的選擇要恰當(dāng)，要使選通開(kāi)關(guān)不會(huì)工作在壓縮區(qū)域，這樣峰值脈沖包絡(luò)的能量可以相對(duì)不受影響地通過(guò)選通開(kāi)關(guān))，然后使用選通開(kāi)關(guān)進(jìn)行時(shí)間鑒別(時(shí)間分辨率)。由于占空比的變化是和選通開(kāi)關(guān)的重復(fù)頻率和選通寬度相關(guān)連的(因?yàn)檫x通開(kāi)關(guān)的定時(shí)信號(hào)就是來(lái)自于脈沖發(fā)生器中確定脈沖周期、脈沖寬度和脈沖延遲的一個(gè)輸出通道，如圖 2b所示)，當(dāng)噪聲功率(以 dB為單位)按照 10log(占空比)的關(guān)系降低時(shí)，脈沖頻譜中心頻率分量的功率(以 dB為單位)會(huì)按照 20log(占空比)的關(guān)系降低(圖 6)?？傮w結(jié)果就是測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍以接近于 10log(占空比)的關(guān)系降低，而不像 PNA-X的上一代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀那樣以 20log(占空比)的關(guān)系降低。

　　圖 6中的晶體濾波器是用來(lái)在脈沖到達(dá)下游放大器和數(shù)字化處理器之前去除不需要的脈沖頻譜和附加的噪聲。需要注意的是，去除這些脈沖頻譜分量會(huì)降低峰值包絡(luò)響應(yīng)，因此可以防止下游部件產(chǎn)生壓縮并減少系統(tǒng)噪聲。在以前的硬件選通實(shí)現(xiàn)方法中，選通開(kāi)關(guān)之后電路部件的噪聲系數(shù)與選通開(kāi)關(guān)之前電路部件的噪聲系數(shù)相比沒(méi)有好多少，因此選通之后，并不會(huì)造成數(shù)字化噪聲功率的下降。這樣的處理方式實(shí)際上不會(huì)對(duì)噪聲功率進(jìn)行選通(噪聲功率不會(huì)隨選通改變)，因此會(huì)使測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍以 20log(占空比)的關(guān)系改變。

　　在 ADC之后，使用頻譜歸零匹配濾波器對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾掉除所需射頻載波之外的全部殘留脈沖頻譜。

　　窄帶檢波模式是一種異步脈沖測(cè)量方式，數(shù)字化處理器連續(xù)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量信號(hào)而分析儀處理全部數(shù)字化信息。這意味著即使斷開(kāi)選通開(kāi)關(guān)，仍舊可以采樣和處理數(shù)據(jù)(圖 7)。在 IF選通開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)下，任何隔離度和噪聲的殘留量都是不受歡迎的，因?yàn)橹挥性谶x通開(kāi)關(guān)接通時(shí)所見(jiàn)到的信號(hào)才真正我們所關(guān)心的。在理想條件下，完美的選通開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)狀態(tài)下應(yīng)不會(huì)有任何信號(hào)或噪聲，以避免把過(guò)多噪聲轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，否則將會(huì)增加測(cè)量噪聲并降低測(cè)量結(jié)果的精度。

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　　圖 7

　　因?yàn)閿?shù)字化處理器總是在窄帶檢波模型中進(jìn)行采樣，因此可以捕獲來(lái)自斷開(kāi)狀態(tài)的選通開(kāi)關(guān)的信號(hào)和噪聲。

去除選通開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)存在的這些不受歡迎的殘余量的方法之一是使用軟件選通(圖 8)。將脈沖發(fā)生器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀集成在一起的好處是可以精確地知道脈沖發(fā)生器的定時(shí)信息，因此選通開(kāi)關(guān)接通和斷開(kāi)的定時(shí)信息也可以精確地知道。一旦數(shù)據(jù)已經(jīng)被數(shù)字化，那么可以在對(duì)應(yīng)選通開(kāi)關(guān)接通和斷開(kāi)時(shí)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)上有效地放置時(shí)間戳。這樣就可以知道哪部分?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)選通開(kāi)關(guān)的接通狀態(tài)，哪部分?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)選通開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)狀態(tài)。由于只有選通開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)下的殘余噪聲會(huì)降低測(cè)量精度，所以可將該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)特意地設(shè)置為零，使其成為既無(wú)噪聲又無(wú)信號(hào)的理想成分。這樣，由于 SNR的噪聲分量已經(jīng)顯著減少了，測(cè)量靈敏度就大大地得到了提高。

　　圖 8

　　可使用軟件選通移除選通開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)下不需要的信號(hào)和噪聲剩余。

　　增強(qiáng)型硬件和軟件選通方法的實(shí)現(xiàn)和以前矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的窄帶檢波技術(shù)相比測(cè)試靈敏度顯著地得到了提高。圖 9顯示的是使用不同脈沖檢波技術(shù)所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍的改善。這是一個(gè)難度極高的測(cè)量實(shí)例，占空比非常低(0.001%)且脈沖寬度十分窄。PNA-X的硬件改進(jìn)和軟件改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了完美的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，因?yàn)橛布x通可以減少在接收機(jī)選通之前接收機(jī)上游鏈路中噪聲過(guò)多的電路上的噪聲，而軟件選通算法則可以消除選通開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)下的噪聲，從而進(jìn)一步降低噪聲。這些技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了脈沖測(cè)試靈敏度的極大提高，從而也大大地改善了測(cè)試結(jié)果的精度。

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　　圖 9

　　在此例中，對(duì)于低(0.001%)占空比脈沖信號(hào)，不同的脈沖檢波技術(shù)具有不同水平的動(dòng)態(tài)范圍性能。

　　硬件的集成和測(cè)量算法的改進(jìn)極大地提高了使用現(xiàn)代化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀—Agilent PNA-X系列進(jìn)行脈沖S參數(shù)測(cè)量的靈敏度和精度。寬帶和窄帶檢波模式為精確測(cè)量被測(cè)件的脈沖S參數(shù)提供了靈活的測(cè)量方案。與以前的窄帶檢波技術(shù)相比，這些先進(jìn)特性可以極大增加動(dòng)態(tài)范圍。PNA-X系列網(wǎng)絡(luò)分析儀需配置選件 021、 022、025和H08，以執(zhí)行脈沖S參數(shù)測(cè)量。