现代微波测量技术的新趋势发展

在通信、雷达、导航、电子对抗、空间技术、测控和航空航天等领域中，微波毫米波测试仪器是必不可少的测量手段。它复杂程度高，技术难度大，工艺要求严格，一直备受关注并取得了突飞猛进的发展。利用数字通信调制与解调技术，实现从信号测量到信息测量的转变。利用微波毫米波MMIC集成电路，使混合集成成为微波毫米波信号处理的必然选择，一体化和多仪器协同测量。微波测量技术是电磁场与微波技术学科的重要组成部分，它与电磁场理论、微波网络理论一起，是解决电磁场与微波技术问题的三个法宝。测量仪器所采用的先进技术又推动仪器向数字化、智能化、自动化、模块化、标准化发展；另一方面，随着测量仪器“软件化”的趋势，“软件就是仪器”“网络就是仪器”等概念的提出，必然改变传统的测试与测量仪器设计方法。总的来说，现代微波测量技术主要呈现以下几个方面的新的发展趋势。

1）工作频带更宽，可测参数更多

微波系统等现代无线电系统都有较宽的频带，而且随着器件水平和功能需求的发展，这种趋势会更加突出。随着微波资源的开发，频谱的扩展，微波测量的频带将会进一步拓宽，理想的测试仪器频带覆盖范围将是从直流到光波段。目前，Agilent推出的网络分析仪已可对10 Hz～300 GHz的各种信号进行测量，且动态范围超过150 dB。宽频带微波系统的另一个特点是提供被测系统的多种信息特征，在其平台上调用不同的测试软件就可完成多种测试任务，提供多种参数信息。随着毫米波技术的逐渐成熟，亚毫米波频段的开发与利用被提上了日程，这对测量仪器、数据采集与处理、计算机等又提出新的要求，多学科技术的交叉融合、综合运用，促进了微波测量理论、技术和仪器的进一步发展。

2）数字化、智能化和自动化

测量仪器是微波测量的重要方面，现代微波测试已实现测量与计算机的紧密结合，自动（智能）测试、微机处理分析的仪器已经普及，测量与计算机结合的程度，标志着测试系统水平的高低。数字化是所有测试仪器发展的趋势，目前8位分辨率的DAC取样速度已经达到GHz量级，随着A/D、D/A器件的进一步发展，高速度的DAC直接对微波信号进行取样的数字化时代已经到来，测量结果、预设值都可以以数字化的形式显示和存储，测量数据可由仪器内部计算机送到外部计算机进行处理，通过标准接口或总线控制调节组成自动测试系统。

实现测试系统的智能化，建立具有智能化功能的自动测试系统，是克服测试系统本身不足，获得高稳定性、高可靠性、高准确度和高分辨力与适应性的必然趋势，微处理器和通用接口总线的出现，使数字化、自动化、智能化的微波测量成为可能，微波自动网络分析仪作为当今较好的网络特性分析工具，已经推出三代产品，代表性的有Agilent PNA系列。

3）标准化和模块化

仪器软件的丰富、强大和灵活又要求硬件变得规范、标准和统一，模块化的硬件、丰富强大的软件和具有通信功能是现代测量仪器的最大技术特征。模块化是仪器发展的必然趋势，但又离不开系统的标准化。许多仪器生产厂家就认识到插卡式和IAC（在插卡上的仪器）系统的优点，各公司使用着完全不同的方法，直到一种用于商业和国际领域的IAC标准被主要的几家仪器生产商接受并发布为最早的VXI总线系统规范草案，才有了VXI今天的发展。1997年美国国家仪器（NI）公司又推出基于PC的PXI模块仪器系统。由于PXI模块仪器系统卓越的性能和相比VXI更低的价格，普及迅速。作为一个开放的工业标准，绝大部分公司已加入PXI系统联盟。

4）实现软件化的同时，向虚拟仪器过渡

随着大规模集成电路技术、计算机技术、信号处理技术、软件技术的飞速发展，微波测量系统中许多原来由硬件才能完成的功能，今天都能依靠软件来完成，NI公司所提出的“软件就是仪器”的口号，彻底打破了传统测试仪器只能由生产厂家定义、用户无法改变的局面，使人们认识到软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键所在。

虚拟仪器（VI）是指通过应用程序将计算机与测试仪器的功能模块结合，用户通过计算机强大的图形环境和在线帮助，建立“虚拟”的仪器面板，完成对仪器的测量控制、数据分析、存储与输出显示，从而大幅度降低仪器的价格，改变传统的使用方式，提高仪器的功能和使用效率。使用虚拟仪器技术，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，完成各种测试。微波测量技术“虚拟化”是测试设备软件化的必然趋势。

5）微波测量网络化

随着数据库联网能力的扩展，微波测试仪器要跟上发展，只有采用扩大进入网络和数据库的能力，当前的PC标准，包括数据总线和通信接口都比以前的产品具有更快的数据率和联网能力。“网络就是仪器”等概念的提出，必然会改变传统测试和仪器的设计方法，其中也包括仪器的应用软件，而在有些测试过程中，由于现场测试条件或测试仪器笨重不宜携带的限制，现场测试往往不方便或有危险时，通过网络进行远程测试是一种有效而可靠的办法。不久的将来，微波测量用户将通过网络连接到专营测量的企业或专用测试室，完成对分布在不同地方及远程的各种微波测量设备的测量、测试、监控与诊断。目前，许多仪器生产商都在开发仪器联网和数据采集的硬件接口。(www.xing528.com)

微波毫米波信号分析仪的发展都是为了满足射频微波测试领域提出的更灵敏、更准确、更快速、更方便的要求。

6）实时频谱分析技术

大多数现代雷达和通信系统是基于脉冲式和间歇性突发信号来传送分组化信息。测试这类系统中的异步事件的传统测量方法通常是使用示波器检测突发的时域特点，使用频谱分析仪检测信号频域特点。在多数情况下，这些瞬变信号发生的速度对于传统扫频分析仪来说太快了，并且瞬变信号的快速上升下降时间会产生频谱成分，从而大大增加了捕获分析这些信号的难度。实时频谱分析技术的核心思想是快速发现问题、实时触发、无缝捕获、多域关联分析。一旦发现问题，测试仪器会根据信号时域或频域特征对特定的信号进行触发采集，触发导致信号被无缝捕获到存储器中，捕获完成后，就可以分析信号的时域、频域和调制域特点。

7）多域同步分析技术和现代时频分析技术

为了提高对信号数据的理解和利用，发现调制过程中存在的问题，必须对复杂调制信号的细微特征进行分析。要求信号分析仪能够观测到输入信号的幅度、频率和相位的任何细小变化，进而分析其变化规律。由于复杂调制信号的频率和相位随着时间按某种形式在改变，因此必须了解被测信号频率、幅度和调制参数在短时间或长时间内的行为方式。这就需要传统的测试分析仪必须增加另一个维度——时间。一旦信号已经采集并存储下来，就需要对信号进行分析了。分析信号可从多个域进行分析，包括时域分析、频域分析、调制域分析、码域分析、三维时频域（谱图）分析等。

由于所有这些分析都是基于同一套底层时域样点的数据，那么在频域、时域和调制域中，通过一次采集就可以进行全方位的信号分析。通过时间相关的多域分析视图，包括频域、时域、调制域、时频域、相位VS时间、数字域、三维码谱，关联方式可通过视图关联、光标关联、码表关联等，让测试者了解频域、时域、码域、调制域中的特定事件怎样在公共时间参考上相关，可以全面了解信号的时间行为特征，这对分析复杂调制信号将体现出极大的优势。

8）多维立体显示技术

多维立体显示技术将相关联的多个参数显示在一幅多维立体图中，能直观地反映出瞬变电磁信号的变化情况。通过多维立体图的旋转、缩放、投影、镜像等操作，可以从各个角度对信号进行查看和分析。为信号在时间轴、频率轴、幅度轴上的三维立体图，该图全面地展现了信号各频率分量随时间变化的情况。多维立体显示技术将多个域中的分析数据精确地关联起来并以立体图像的形式显示出来，更为形象、直观。

时频分析主要是描述信号的频谱含量在时间上的变化，其目的是建立一种分布，以便能在时间和频率上同时表示信号的能量或强度。时频分析技术提供了从时域到时频域的变换，能够作出时频分布图形（二维或三维），从而能够在时频平面上表示出信号中各个分量的时间关联谱特性，在每个时间指示出信号在瞬时频率附近的能量聚集情况。

9）基于FPGA技术和软件技术的自定义测试将开始流行

FPGA的高性能和可重复配置特性一直是硬件设计工程师们的最爱，这为信号分析仪设计提供了契机。未来的微波毫米波信号分析仪器将是一种可以重新配置的测试平台，它通过标准化接口把一系列硬件和软件构成组件链接起来，使用数字处理技术生成信号或进行测量。关键是可以重新配置，可以通过软件命令排列和重新排列构成组件，信号通过交换进行重新路由，仿真一种或多种传统信号分析功能。相比于传统仪器固定的功能限制和只是“测试结果”的呈现，这种自定义测试技术可以满足用户更加复杂的测试需求。