CN101365953A - 用于确定非线性特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定被测设备(40)的非线性特性的方法和装置，其中在不同终端条件下由相关设备终端上的测试信号激励所述设备(40)。然后，采用了已知阻抗和线性度的校准标准的校准测量被执行以导出这样的参数，所述参数是针对电缆损耗及延迟和针对测量系统的非线性特性的对通过所述测量读取的原始数据进行修正所需的参数。最后，从在不同激励和终端条件下得到的经误差修正后的测量值中提取非线性的散射或导纳参数。从而，非线性特性可以被更准确地描述、建模和理解。

Description

用于确定非线性特性的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于确定被测设备例如射频(RF)或微波设备的非线性特性的方法和装置。

背景技术

远程通信或者其它RF或微波设备已经被公众广泛使用。这些设备包括诸如混频器、低噪声放大器、功率放大器之类的这类RF或微波部件。这类部件的设计引起很大问题并且需要重复设计几次，主要的原因是使用的RF模型的有限准确度，尤其是关于其非线性特性的描述。

传统模型是基于小信号测量的。散射(S)和导纳(Y)参数已证明可以描述输入和输出频率相同的线性网络的特性。然而，如果在非线性(大信号)操作中使用这类模型，则可料想它们无法总能良好地描述被测设备(例如RF功率晶体管)的硬非线性特性。为了描述非线性网络的特性，传统手段已经归纳成关于在不同频率下的激励和响应信号的变换矩阵。例如在A.Cidronali等人发表于IEEE MTT-SDigest，pp 777-780，2003上的“Extraction of ConversionMatrices for P-HEMTs based on Vectorial Large-SignalMeasurements”以及Dylan F.Williams等人发表于IEEETransaction on Microwave Theory and Techniques，Vol.53，No.1，pp 314-321，January 2005上的“Scattering-Parameter Models andRepresentations for Microwave Mixers”描述了这种手段。

虽然上述手段可能具有实际价值，但当激励和响应信号的频率不相同时，变换矩阵元的相位不再是不变量。另外，变换矩阵元的线性化忽视了被测设备的特性的固有的非线性，并且使得该手段不适用于精确的设备表征。

发明内容

本发明的目的是提供用于确定被测设备的非线性特性的方法和装置，通过所述方法和装置可以更准确地描述、建模和理解非线性的特性。上述目的通过如权利要求1所定义的方法和如权利要求9所定义的装置来达到。

相应地，提出的校准(calibration)、修正(correction)和提取(extraction)提供了所提取的参数在大范围的操作条件下有效的优点，而不是示出在特定操作点处的线性化变换系数，这使得所提取的参数更适合于描述非线性特性。

所述修正优选地可用于对在测试信号的信号源和用于测量的测量设备中的至少一个中产生的谐波进行修正。因此可以实现有效率的修正。

另外，可以通过对在不同负载条件和不同调谐器设置的至少一个下所测量的谐波进行分析来执行所述修正。这提供了对确定需要的修正的直接途径。特别是，所述修正可以基于在正向和反向信号源的至少一个中以及测量设备的至少一个中的散射参数S₂₁₁和S₂₁₁₁中的至少一个。可以通过执行还基于从信号源的散射参数S₂₁₂和S₂₂₂中选出的至少一个附加参数的修正来改善性能。

可以使用最小二乘残差拟合从超定方程组中提取修正参数。类似地，可以使用最小二乘残差拟合从超定方程组中提取期望的非线性设备的散射或导纳参数。

作为可选扩展，可以配置信号发生装置以向设备供给不同激励频率下的测试信号，其中提供混频器装置以产生供给参考接收器的具有和频或差频的参考信号，以及其中配置校准、修正和提取装置以确定设备对于多个非谐波相关的激励频率的非线性特性。

附图说明

现在将参照附图根据优选实施例描述本发明，其中：

图1示出根据优选实施例的装置的示意性框图；

图2示出根据优选实施例的用于被测设备与网络分析器之间的连接的误差模型；

图3示出用于根据优选实施例的装置的调谐装置；

图4示出以根据优选实施例的方法相对于频率而确定的Y参数的绝对值的示图；和

图5示出以根据优选实施例的方法相对于频率而确定的S参数的绝对值的示图。

具体实施方式

下面将结合四采样器网络分析器描述优选实施例。

图1示出根据优选实施例的用来确定或描述RF和微波设备的非线性特性所需的装置。

在优选实施例中，根据伏尔泰拉理论按照(一般化的)S参数得出如下述方程所表示的进入被测设备(DUT)40的信号和从DUT 40发出的信号之间的关系：

b_i＝S_ija_j

对于线性特性，这里a_j代表处于频率f₁和端口j处的传入信号，b_i代表处于频率f₁和端口i处的发出信号，以及：

b_i＝S_ijka_ja_k

对于(二阶)上变频，这里a_k代表处于频率f₂处和端口k处的传入信号，a_j代表处于频率f₁和端口j处的传入信号，b_i代表处于和频f₁+f₂和端口i处的发出信号，以及：

$b_i=S_{\mathrm{ijk}}{a}_j{a}_k^{*}$

对于(二阶)下变频，这里a_k代表处于频率f₂处和端口k处的传入信号，a_j代表处于频率f₁和端口j处的传入信号，b_i代表处于差频f₁-f₂和端口i处的发出信号，以及：

b_i＝S_ijkla_ja_ka₁

对于(三阶)上变频，这里a₁代表处于频率f₃和端口1处的传入信号，a_k代表处于频率f₂处和端口k处的传入信号，a_j代表处于频率f₁和端口j处的传入信号，b_i代表处于和频f₁+f₂+f₃和端口i处的发出信号，并对(三阶)下变频应用类似的表达式，其中只要从其它频率中减去传入信号的频率，就必须取传入信号的复共轭。

显然，对于每个发出的频率，(一般化的)S参数的数量为：

n＝m^(o+1)

这里m代表DUT 40的端口数量，o代表(非)线性特性的阶次，它们可以依次从与一般化的S参数相关的指数个数中看出。另外，这里定义的所有较高阶次的S参数的相位都是时不变的，这是一个重要的优点。

出于设备建模的目的，导纳(Y)参数优于S参数。对非线性Y参数的一般化遵循类似于上面简述的途径，以小信号电流i代替发出信号b，并以小信号电压v代替激励信号a。

如果将过程限制于以单个频率激励DUT 40并仅测量在该频率及其谐波处发出的信号，那么可以大大简化用于描述这些非线性S或Y参数的特性所需的装置。例如二次谐波电流现在可以与基频处的激励电压具有如下关系：

i₁＝Y₁₁₁v₁ ²+Y₁₁₂v₁v₂+Y₁₂₂v₂ ²

i₂＝Y₂₁₁v₁ ²+Y₂₁₂v₁v₂+Y₂₂₂v₂ ²

类似地，三次谐波电流也可以与基频处的激励电压具有如下关系：

i₁＝Y₁₁₁₁v₁ ³+Y₁₁₁₂v₁ ²v₂+Y₁₁₂₂v₁v₂ ²+Y₁₂₂₂v₂ ³

i₂＝Y₂₁₁₁v₁ ³+Y₂₁₁₂v₁ ²v₂+Y₂₁₂₂v₁v₂ ²+Y₂₂₂₂v₂ ³

应注意，虽然这种表示看起来与在Cidronali等人的上述现有技术中使用的差不多，但交叉项(cross term)以及一般化的Y参数是时不变的并在大范围操作条件下有效这一事实(而不是示出在特定操作点处的线性化变换系数)使得参数更适合于描述非线性特性。

如图1所示的装置是四采样器网络分析器。在该网络分析器中，经由各自的耦合器50耦接的四个接收器32、34、22和24可以通过计算机或处理器装置100进行编程或控制以检测在信号源频率的谐波处发出的信号。该装置还包括用于对DUT 40提供不同的源和负载阻抗的调谐器装置42、44，并且还可以包括可选的滤波器12、14以提高提供到或施加于DUT 40的信号的频谱纯度。调谐器装置42、44也可以由处理器装置100控制。

该装置可以提供在接收器32或34处测量的绝对信号功率，和在接收器对32与22、32与24、34与22、34与24处针对端口开关20的两个位置测量的信号的比，端口开关20的两个位置可选地把信号源10的输出连接到DUT 40的输入支路或输出支路。这些信号比是复数，也包含与测量接收器32或34的测得的信号和参考接收器22或24的参考信号之间的相位差有关的信息。通过将这些信号比的相位与绝对功率水平结合，在测量接收器32和34处测得的复信号波b₁和b₂可以向下重构成恒定相位差。假设所述装置的信号源10包含足够大的谐波信号功率以启动谐频处的复信号波的测量。通过以传统的开路-短路-负载-直通校准标准来替代DUT 40，可以确定在由DUT40发出的信号波b₁和b₂与测量接收器32和34处的信号波之间的关系。类似地，可以确定传入到DUT 40的信号波a₁和a₂与信号源10的信号功率水平之间的关系。

图2示出将用于上述确定的在DUT 40和图1的网络分析器的装置之间的连接的误差模型的示意性框图。图2的上部分示出二端口正向流(forward flow)示图，下部分示出二端口反向流示图。在两个示图中，传入信号I、反射信号R和发送信号T示出为在第一端口P1和第二端口P2处的箭头。

该过程可以用于调谐器装置42、44的所有相关设置和感兴趣的所有基频和谐频。另外，可以执行对在信号源10和接收器32、34中产生的谐波的修正。实施这种类型的修正的过程在现有技术中是未知的，但可以使用非线性S参数来容易地定义。

特别地，可以通过针对调谐器装置42、44的不同设置对根据开路-短路-负载-直通校准标准(std)而测得的谐波使用下式进行分析来建立修正：

b_i(f₂)＝{S_{211，src_j}(f₁)S_ij，std(f₂)+S_{211，rec_i}(f₁)S_ij，std(f₁)²}a_j(f₁)

对在正向和反向配置中的信号源(src)10的以及接收器(rec)32、34的S₂₁₁和S₂₁₁₁参数进行表征足以使得这些修正能被执行。当还提取并说明信号源10的参数S₂₁₂和S₂₂₂时，另外的改进也是可能的。根据使用标准最小二乘残差拟合的超定方程组来执行这些提取。通过这些修正，可以得出在调谐器装置42、44的所有设置下以及所有感兴趣的基频和谐频下的传入到DUT 40的信号a_j和从DUT 40发出的信号b_j。

现在可以从下式中确定激励电压v_j和得到的电流i_j：

$v_j=(a_j+b_j)\·\sqrt{50}$

$i_j=(a_j-b_j)/\sqrt{50}$

在根据优选实施例的装置中，在DUT 40处测得的二次谐波电流来自于信号源10发出的信号的倍频和由于信号源10的S₂₁₁导致的二次谐波信号的放大。通过使用在二次谐频下测得的线性S参数来修正后者的效果。通过将信号源10的三次谐波与基频进行混频而在DUT40中产生的二次谐波信号通常足够小到可以忽略。类似地，在DUT 40处测得的三次谐波电流来自于由信号源10发出的信号的三倍频和由于信号源10的S₂₁₁₁而导致的三次谐波信号的放大。通过使用在三次谐频下测得的线性S参数来修正后者的效果。通过将信号源10的二次谐波与基频进行混频而在DUT 40中产生的三次谐波信号可能需要被包括在用于最佳准确度的提取中。在需要时，假如已经以调谐器装置42、44的充分的设置测量了DUT 40，则这是简单明了的。

图3示出在DUT 40的输入端和输出端处的调谐器装置42、44的一个示例的示意性电路图。该电路由包括电阻器R1、R2和R3的电阻功分器和用于选择性地切换到三个校准标准(例如开路O、短路S和负载L阻抗标准)的开关元件60组成。

现在将通过参考没有滤波器12、14时在n-MOS(金属氧化物半导体)晶体管上所得样本测量值来描述优选实施例的优点，该晶体管具有经先进CMOS(互补MOS)工艺得到的82nm的栅极长度并且在Vg＝0.7和Vd＝1.5时被驱动。虽然损耗很大，但如图3所示配置的调谐器装置42、44提供了在很大带宽中操作的优点。在实施了前述校准和修正步骤之后，DUT 40的二次谐波电流，其被测量以用于输入和输出调谐器装置42、44的设置的9个不同组合的正向和反向激励，现在可以使用前面的方程来与DUT 40的在基频处的相应激励电压相关：

i₁＝Y₁₁₁v₁ ²+Y₁₁₂v₁v₂+Y₁₂₂v₂ ²

i₂＝Y₂₁₁v₁ ²+Y₂₁₂v₁v₂+Y₂₂₂v₂ ²

再次使用标准最小二乘残差拟合来解这个6个未知数的36个方程的超定系统。

图4和图5分别示出二阶Y参数和二阶S参数相对于频率的结果。特别地，图4示出针对n-MOS晶体管的相对于频率确定的一些二阶Y参数的绝对值的示图，图5示出针对n-MOS晶体管的相对于频率确定的一些二阶S参数的绝对值的示图。

可以看出，二阶S和Y参数相互差别很大。尽管二阶S参数示出与频率显著相关，但Y211和Y212实质上对于频率较平坦。实际上它们的幅度表现出极其符合跨导(δi_d/δv_g。)分别对n-MOS晶体管的栅极电压和漏极电压的导数的一半。

总之，已经说明了上述用于确定和描述RF和微波设备的非线性特性的方法和装置提供了相对于现有技术的显著改进，并使得该特性能被更准确地描述、建模和理解。

可以通过将要由处理器装置100所执行的相应处理步骤(例如在相应例程的控制下)来执行在所描述的校准、修正和提取中涉及的上述处理。

另外，可以通过提供附加信号源或通过配置信号源10以在附加激励频率下把测试信号供给DUT 40来改进所描述的优选实施例。那么，在不同激励频率处的测试信号可以通过开关元件20供给不同设备终端并由接收器32、34经由各自的耦合器50来测量。另外，可以提供混频电路(未示出)以产生参考接收器22、24处所需的处于和频或差频处的参考信号。于是可以由处理器装置100执行扩展的校准、修正和提取处理，以确定DUT 40的对于多个非谐波相关激励频率的非线性特性。

总之，已经描述了用于确定DUT 40的非线性特性的方法和装置，其中在不同终端条件下以相关设备终端上的测试信号激励DUT 40，并在相关设备终端处测量在基频和谐频处的发出信号。然后，采用了已知阻抗和线性度的校准标准的校准测量被执行以导出这样的参数，所述参数是针对电缆损耗及延迟和针对测量系统的非线性特性的对通过所述测量读取的原始数据进行修正所需的参数。最后，从在不同激励和终端条件下得到的经误差修正后的测量值中提取非线性的散射或导纳参数。

最后但也很重要的是，注意术语“包括”在用于包含权利要求的说明书中时意在指出存在所述的特征、装置、步骤或部件，而不排除存在或另外有一个或多个其它特征、装置、步骤、部件或其集合。另外，在权利要求中的部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这种部件。此外，任何参考符号都不限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于确定被测设备(40)的非线性特性的方法，所述方法包括步骤：

-在不同终端条件下在所述设备(40)的相关终端处将测试信号供给所述设备(40)；

-在所述测试信号的基频和至少一个谐频处测量在所述设备(40)的所述相关终端处得到的信号；

-执行校准测量以得到修正参数；

-使用所述修正参数以针对由所述测试设备(40)不会导致的结果来修正在所述测量步骤b)中测得的原始数据；和

-从所述被修正的原始数据中提取散射或导纳参数中的至少一个，并使用所述被提取的参数来确定所述设备(40)的所述非线性特性。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述修正步骤d)适于修正在所述测试信号的信号源(10)和在所述测量步骤b)中使用的测量设备(22，24，32，34)中的至少一个所产生的谐波。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述修正步骤d)包括在不同负载条件和不同调谐器设置的至少一种情况下对在所述测量步骤b)中测得的谐波进行分析的步骤。

4.如前述任一个权利要求所述的方法，其中所述修正步骤d)是基于在正向和反向的所述测试信号的信号源(10)中的至少一个和测量设备(32，34)中的至少一个处的散射参数S₂₁₁和S₂₁₁₁中的至少一个。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述修正步骤d)是基于从所述信号源(10)的散射参数S₂₁₂和S₂₂₂中所选出的至少一个附加参数。

6.如权利要求4或5所述的方法，其中使用最小二乘残差拟合从超定方程组中提取所述修正参数。

7.如前述任一个权利要求所述的方法，其中使用最小二乘残差拟合从超定方程组中提取期望的非线性设备的散射或导纳参数。

8.如前述任一个权利要求所述的方法，其中所述被测设备(40)是射频或微波设备。

9.一种用于确定被测设备(40)的非线性特性的装置，所述装置包括：

-信号发生装置(10)，用于在不同终端条件下在所述设备(40)的相关终端处把测试信号供给所述设备(40)；

-测量装置(32，34)，用于在所述测试信号的基频和至少一个谐频处对在所述设备(40)的所述相关终端处得到的信号进行测量；

-校准装置(100)，用于执行校准测量以得到修正参数；

-修正装置(100)，用于使用所述修正参数以针对由所述测试设备(40)不会导致的结果来对由所述测量装置(32，34)测得的原始数据进行修正；和

-提取装置(100)，用于从所述被修正的原始数据提取散射或导纳参数中的至少一个，并使用所述被提取的参数来确定所述设备(40)的所述非线性特性。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述信号发生装置(10)被配置来向所述设备(40)供给在不同激励频率处的测试信号，其中提供了混频装置以产生供给参考接收器(22，24)的在和频或差频处的参考信号，并且其中所述校准、修正和提取装置(100)被配置来针对多个非谐波相关的激励频率确定所述设备(40)的所述非线性特性。

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