什麼是脈衝射頻訊號？哪些特性是量測的重中之重？
脈衝調變射頻訊號與連續波 (CW) 訊號有何不同？其關鍵定義特徵為何，又該使用何種儀器來精確分析其行為？本文將為您揭曉答案。
脈衝調變射頻訊號
射頻載波會透過攜帶資訊的特定訊號進行改變或調變，其主要用途是在傳輸過程中承載資料，經過空中傳輸 (OTA, Over-the-Air) 後，接收系統會對訊號進行解調以還原資料，典型的載波是正弦波，這是一種具有恆定振幅和頻率的連續波 (CW, Continuous Wave) 訊號。
脈衝訊號則是在「開啟」與「關閉」狀態之間交替切換，當脈衝對射頻載波進行調變時，載波的行為會從連續發射轉變為週期性的突發脈衝，這種脈衝調變射頻訊號被廣泛應用於脈衝雷達等領域，雷達發射脈衝訊號後，會接收從目標反射回來的延遲脈衝。
此圖解說了脈衝調變的兩個基本組成部分，上方為數位化的「調變脈衝」，其方波形式決定了訊號的開關時序；下方則是連續波（CW）形式的「射頻載波」，它將被脈衝所調變，以承載最終要傳遞的資訊。
脈衝重複頻率 (PRF, Pulse Repetition Frequency) 是一項極為重要的雷達參數，它定義了目標的最大無模糊距離，針對短距離目標的雷達系統，需要較短的關閉時間與較高的 PRF，而對於遠距離目標，則需要較長的關閉時間與較低的 PRF 以避免距離模糊的問題。
脈衝封包 (Envelope) 是追蹤每個脈衝振幅或形狀變化的軌跡，理想的脈衝封包應為完全的矩形，具有垂直的上升與下降邊緣，然而，真實世界的脈衝射頻訊號並不會呈現這種理想狀態，而是會出現可能影響系統效能的失真。
重要的脈衝訊號特性
完美的垂直上升與下降邊緣等同於零的上升時間 (Rise Time) 與下降時間 (Fall Time)，然而，真實世界的脈衝卻存在非零的上升時間，其定義為脈衝幅度從 10% 上升至 90% 所需的時間，下降邊緣的下降時間定義與此相反。
此圖詳細展示了一個真實世界脈衝訊號的完整輪廓，並標示出影響其效能的各項關鍵特性與失真現象，圖中清晰可見定義脈衝開始與結束的上升邊緣 (Leading Edge) 與下降邊緣 (Trailing Edge)，以及多種非理想效應，包括過衝 (Overshoot)、振鈴 (Ringing)、下垂 (Droop) 與下衝 (Undershoot)，這些參數的精準量測對於評估射頻系統的訊號完整性至關重要。
過衝 (Overshoot) 緊隨在上升邊緣之後發生，此時波形會超過預期的準位，而下衝 (Undershoot) 則是其對應現象，發生在脈衝下降邊緣之後的相反方向，在透過過衝超過目標值後，訊號在達到其穩態值之前，會經歷不必要的振盪或振鈴假影 (Ringing Artifacts)。
在理想條件下，脈衝的功率在零上升時間後會立即保持恆定，這使得理想脈衝呈現平坦頂部的矩形外觀，然而，由於放大器的熱效應，振幅可能會在脈衝的開始與結束之間下降，這種現象被稱為下垂 (Droop)。
長時間處於「開啟」狀態的脈衝更容易受到如下垂等脈衝失真的影響，這最終會衝擊系統的整體效能，舉例來說，新一代雷達系統會發射長脈衝寬度的訊號，如果無法維持最高水準的波形保真度，系統的偵測距離與接收器目標捕獲時間將會因此縮短。
在《Microwave Journal》2023 年 3 月測試與量測特刊中，刊載了「Innovations in Pulse Fidelity for High-Power GaN Radar and EW Transmitters」一文，該文章回顧了如何在高功率發射器中減少脈衝失真，這些發射器被應用於先進的雷達與電子戰 (EW) 系統，深入閱讀該文，您將了解下垂與過衝如何影響雷達效能、即時脈衝校正技術，以及一項使用 Empower RF Systems Inc. 的 40 kW 脈衝發射器與 Boonton 峰值功率感測器所進行的測試示範。
使用峰值功率計進行脈衝量測
與頻域 (Frequency Domain) 分析不同，許多對於理解射頻脈衝行為及其對放大器效能影響至關重要的量測，是透過時域 (Time Domain) 訊號分析來進行的。
峰值功率計與 USB 峰值功率感測器是進行時域功率量測的理想儀器，在偵測脈衝射頻訊號時，功率感測器必須具備足夠快的回應速度以捕捉脈衝的上升邊緣，這凸顯了感測器上升時間能力的重要性，此外，視訊頻寬 (VBW, Video Bandwidth) 定義了感測器準確追蹤脈衝封包功率的能力，過窄的 VBW 將影響多項量測的準確性，包括封包功率、峰值封包功率、脈衝平均功率與平均功率。
舉例來說，Boonton RTP5000 系列感測器能夠追蹤快速、複雜且間隔極窄的射頻脈衝，其關鍵技術規格包括：
- 上升時間：3 奈秒
- 視訊頻寬：195 MHz
- 量測速度：每秒 100,000 次
- 時間解析度：100 皮秒
- 最小脈衝寬度：能夠對窄至 10 奈秒的脈衝進行量測
在《Microwave Product Digest (MPD)》上刊登了 Wireless Telecom Group 的文章，「Peak Power Meters: Essential Instruments for Radar Power Amplifier Measurements」，讀者將能更深入地了解為何峰值功率計是描述高功率雷達放大器效能的關鍵工具。