CN102077109A - Rf校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种测量装置，其被配置为可经由至少一个RF端口连接而连接至分析器单元，该分析器单元包括网络分析器。该测量装置包括至少一个测量单元和至少一个校准和控制单元，该至少一个校准和控制单元连接到该至少一个测量单元，并与该至少一个测量单元集成在一起。校准和控制单元被配置成使得至少一个测量单元中的每一个能够连接到分析器单元。校准和控制单元包括分别与具有已知RF反射系数的多个校准负载相关联的多个端子，并且包括存储器装置，该存储器装置包含指示RF反射系数的记录数据和指示校准和控制单元的RF传输系数的记录数据。该构造使得在保持至少一个测量单元与校准和控制单元集成在一起的同时能够计算至少一个测量单元中的每一个的RF响应。

Description

RF校准装置和方法

技术领域

本发明总体上涉及校准技术的领域，并且涉及与RF测量装置一起使用的校准方法和系统。

背景技术

校准是任何测量技术中的一种重要处理：校准精度越高，则测量结果就越好，即，测量系统对于小测量变化的灵敏度越高。

RF校准过程旨在校正测量误差，因而确保正确地记录被测装置(DUT)的响应。根据指定类型的常规技术，经常使用包括信号发送机/接收机的矢量网络分析器(VNA)；当校准负载连接到VNA的适当信号端口时，测量该校准负载，每次将要进行校准时就执行这种连接。校准装置包括一组校准负载或具有已知负载的端子。校准包括(手动地或自动地)在校准负载之间切换，以针对这些负载中的每一个顺序地测量VNA的响应，并且通过这样来确定信号发送/接收面和DUT连接面之间的信号传播受到这些平面之间的信号发送介质多大的影响。在完成校准过程后，使用DUT来替换校准装置。

美国专利5,434,511和美国专利6,914,436说明了所指定类型的校准处理的一些示例。

发明内容

在本领域中，需要促进RF校准处理，使得一方面能够得到更高精度的校准处理，另一方面能够消除或者至少显著减少在校准装置和DUT(被测装置)之间进行替换的必要。对于各种应用(例如，不允许测量装置的频繁断开和/或不允许接入测量装置的那些应用)来说，后一个特点是非常重要的。

本发明通过提供一种新颖的RF校准方法和系统解决了上述问题，该RF校准方法和系统允许立即将信号发送/接收面传输到测量装置的输入面(即，连接到测量装置的平面)，并且还能够将测量装置的输入面传输到传感器测量面或者传感器支持电路测量面。通过使用具有已知反射系数(即，负载或已知(经预先测试的)负载的端子)的校准装置并将这种校准装置与测量装置集成起来而实现本发明。

本发明可以与将要被校准的测量单元阵列(即，包括超过一个测量单元(通常是至少两个这种测量单元))一起使用。就此而言，本发明还使得能够考虑测量期间的测量单元(探测阵列)之间的串扰的影响。

根据本发明的一个广义方面，提供了一种测量装置，该测量装置被配置为能够经由至少一个RF端口连接而连接至分析器单元，该测量装置包括至少一个测量单元和至少一个校准和控制单元，所述至少一个校准和控制单元连接至所述至少一个测量单元，并且与所述至少一个测量单元集成在一起，所述校准和控制单元被配置为使得所述至少一个测量单元中的每一个能够经由至少一个RF连接器而连接到所述分析器单元，所述校准和控制单元包括分别与具有已知RF反射系数的多个校准负载相关联的多个端子，并且包括包含指示所述RF反射系数的记录数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据的存储器装置，从而使得在所述至少一个测量单元保持与所述校准和控制单元集成在一起的同时能够计算所述至少一个测量单元中的每一个的RF响应。

由于所述校准和控制单元与所述测量单元集成在一起，因此可以在任何期望的时间(例如，连续地或周期性地)执行对所述测量单元的(所述RF响应的)校准处理。

所述校准单元包括控制器装置和可控操作开关，该可控操作开关使得所述多个端子和所述至少一个测量单元中的每一个都能够选择性地连接至所述分析器单元(所述分析器单元的网络分析器)。所述校准和控制单元的所述控制器装置可以连接至所述分析器单元的控制器。

所述测量装置可以包括两个或更多个测量单元，各个测量单元经由一个或更多个RF连接器而连接至所述校准和控制(CPC)单元；并且所述测量装置可以包括超过一个CPC单元。在后一种情况下，各CPC单元都与所述RF端口连接中相应的一个关联起来。

在本发明的一些实施方式中，所述CPC单元被包含在具有RF罩的壳体内。这为所述CPC单元提供了机械强度和电磁抗扰。

所述CPC单元可以包括超过一个可操作以提供多个校准负载的开关。所述存储器装置可以存储表征所述多个校准负载的数据。表征所述校准负载的数据可以包括指示所述校准负载的值对一个或更多个环境条件的依赖性的数据。所述存储器装置可以存储表征所述CPC单元的数据；所述数据可以类似地包括指示所述校准和控制单元的响应对环境条件的依赖性的数据。在一些其它实施方式中，所述存储器装置(还)可以存储表征所述测量单元的数据；所述数据可以包括针对所述CPC单元与所述测量单元之间的RF信号传播的RF校准数据，并且还可以包括指示所述测量单元的响应对一个或更多个环境条件的依赖性的数据。

因此，可以在所述测量装置中设置用于感测环境条件的一个或更多个传感器。

所述CPC单元可以包括用于确定所述测量单元的位置的一个或更多个位置传感器。

所述CPC单元的所述存储器装置优选地存储指示以下一个或更多个数据的数据：所述测量装置的识别数据、所述测量装置已用于测量的时间、由所述测量装置执行的测量的数量、所述校准和控制单元执行的校准序列的数量、所述测量装置至所述分析器的已执行连接的数量。这使得能够控制这些数据，并且在识别出至少一个预定条件时，调用对所述测量单元的重新校准。可以通过识别一个或更多个环境条件中的变化来调用重新校准处理。

根据本发明的另一个广义方面，提供了一种校准和控制单元，该校准和控制单元被配置成通过能够用于执行RF信号传输的连接器而连接在分析器单元和至少一个测量单元之间，并且经由数据发送连接器而连接至所述分析器单元，该校准和控制单元包括：分别具有已知RF反射系数的多个端子；和存储器装置，该存储器装置中包含指示所述端子的所述RF反射系数的记录数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据。

根据本发明的另一个广义方面，提供了一种在通过经由一个或更多个RF连接而将至少一个测量单元连接至分析器单元以校准所述至少一个测量单元的过程中使用的方法，该方法包括以下步骤：

提供校准和控制单元，所述校准和控制单元包括：分别具有已知RF反射系数的多个端子；和存储器装置，其包含指示所述RF反射系数的记录数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据；

将所述校准和控制单元与所述至少一个测量单元集成在一起，使得允许所述至少一个测量单元经由所述校准和控制单元而连接至所述分析器单元；以及

通过利用所述已知RF反射系数和所述校准和控制单元的所述RF传输系数来校准所述至少一个测量单元，以在所述至少一个测量单元保持与所述校准和控制单元集成在一起的同时确定所述至少一个测量单元的RF响应。

通过在将所述校准和控制单元集成在所述测量装置内部前执行预备校准过程(第一阶段校准)来提供指示所述RF反射系数和所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在通过经由至少一个RF端口连接而将测量单元连接至分析器单元以对所述测量单元进行RF校准的过程中使用的方法，该方法包括以下步骤：将校准和控制单元与所述测量单元集成在一起，使得允许所述测量单元经由所述校准和控制单元而连接至所述分析器单元，其中，所述校准和控制单元包括分别具有已知RF反射系数的多个端子，并且包括存储器装置，在所述校准和控制单元与所述测量单元集成在一起前，在该存储器装置中提供并存储有指示所述RF反射系数的数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的数据，从而使得在需要时能够对所述测量单元进行所述RF校准，而不必断开所述测量单元以及所述校准和控制单元。

可使用本发明的应用包括：环境监控，例如，海洋或者边远地区；地球物理学，例如，在钻孔中感测、在矿场中感测；工业，例如，生产线监控、处理厂监控；医学，可植入装置，无菌环境中的应用。在一些情况下使用本发明是有利的，这些情况包括：传感器位置相对于控制台是可变的；难以接近传感器的位置；传感器是一次性的；传感器工作在危险环境中；传感器是无菌的；传感器工作在一定温度范围内。

附图说明

为了理解本发明，并领会如何在实践中执行本发明，现在将参照附图仅通过非限制性的示例来说明实施方式。在附图中：

图1是根据本发明的测量系统的框图；

图2A和图2B示出了图1的测量系统的构造的示例；

图3和图4例示了适于在本发明的测量装置中使用的校准和控制单元的构造，其中，图3通过框图示出了该校准和控制单元，并且图4示出了该校准和控制单元的电路；以及

图5A和图5B示出了本发明的校准方法的示例的流程图。

具体实施方式

参照图1，通过框图示出了根据本发明而配置并操作的测量系统(总体标识为10)。系统10包括可连接至分析器16的测量装置12。本发明的测量装置12包括测量单元(探测器)12A以及校准和探测控制(CPC)单元12B。分析器16包括网络分析器14和用于处理与CPC单元12B的数字和/或模拟通信的适当的通信单元(未示出)。

网络分析器14可以是任意已知的适当类型，因此除了需要针对发送和接收RF信号而配置和操作网络分析器14之外，不必进行详细说明。网络分析器14可以被配置和操作为矢量网络分析器(VNA)，以记录RF信号的相对幅度和相位。

网络分析器14被配置为执行如下操作：经由它的信号端口发送和接收RF信号；分析接收到的信号以确定该信号的幅度并可选地确定该信号的相位，该信号的幅度和相位指示了与校准负载的信号交互；以及传送校准校正参数。网络分析器14还被配置为利用校准校正参数对测量装置12的RF响应进行测量。

分析器16可以具有其它功能，例如，分析器16可以负责安全问题以防止重新使用测量装置12或者防止在系统中安装其它未经授权的测量装置(下面将进一步说明)。分析器16还可以向测量装置12提供如下多个功能中的至少一个：电源、用于处理与测量装置12的数字和/或模拟通信的装置、真空/压力连通19、液体分送线、光学信号通信、超声信号通信，以及向测量装置12中的烧蚀/切割装置/工具提供控制和电力、用户和/或机器输入和/或输出以及对将在测量装置12中使用的其它类型的探测器的控制。

参照图2A和图2B，其示出了测量系统10的构造的特定但非限制性示例。测量装置12包括探测器12A和与探测器12A集成在一起的CPC 12B，探测器12A和CPC 12B都容纳在共用外壳12C中。探测器12A包括具有支持电路13的传感器11，并且探测器12A经由具有适当的连接器的电缆而连接至CPC 12B。

在图2A的示例中，在分析器16和测量装置12之间仅存在一个RF信号连接(RF端口连接)。例如，当探测传感器11计划在反射模式中操作时，可以使用该RF连接，但并不限于此。并且，如图2A所例示，可选地设置光学信号电缆15以向探测器12A中的传感器11发送光学信号或从探测器12A中的传感器11接收光学信号。

在图2B的示例中，在分析器16和测量装置12之间存在两个RF信号连接(RF端口连接)。例如，当在探测器12A中使用的传感器11被配置为既在反射模式又在传输模式中操作时，或者，当传感器11被配置为使用两个反射模式信号进行操作时，可以使用这些RF连接，但并不限于此。并且如图2B的示例所示，使用真空/压力连通线路来向探测器12A提供真空/压力连通19。

应当理解，本发明的实施方式可以在分析器16和测量装置12之间使用超过两个RF信号连接。在分析器单元和测量装置之间，通常可以存在n个这种RF信号连接(RF端口连接)，n是等于或大于1的整数。

图2A更具体地示出分析器16与测量装置12的连接。如图所示，提供了电缆C₁和C₂，其中，电缆C₁被配置为用于RF信号传输的电缆(例如，同轴电缆)，并且电缆C₂被配置为用于单元12和16之间的数据传送和控制，并且可以是USB电缆、同轴电缆、用于发送RS232协议数据的电缆、用于发送GFSK协议数据的电缆、或者本领域中已知的能够用于支持数字和/或模拟通信的任何其它电缆。电缆C₂还可以支持向测量装置12供电。CPC单元12B经由RF级连接器C₃(例如，外SMA)连接至电缆C₁，并经由连接器C₄(例如，SMA或USB)连接至电缆C₂，从而实现测量装置12与分析器16之间的RF连接和数据连接。在探测器12A侧，CPC单元12B经由RF级连接器C₅(例如，SMA)连接至探测器。

适当地选择RF级连接器以提供能够限定校准面并给出可复验的测量结果的连接。RF级连接器用于连接测量装置12与分析器16之间以及CPC 12B与探测器12A之间的全部RF信号传输通路(端口)。RF级连接器的例子包括：N型、BNC、SMASMB、MCX、MMCX和U.FL。

优选的是，CPC单元12B(通过印刷电路板实现)被包含在具有RF罩的壳体内以向CPC单元12B提供机械强度和电磁抗扰。该壳体的机械强度通过消除例如由于CPC单元的机械应力或环境改变而发生的几何变形而使得能够更好地进行校准。这种变形可能导致RF信号在CPC单元内部的传播发生改变，从而致使校准性能下降。该壳体的电磁抗扰通过减小CPC单元12B与探测器12A的RF干扰并通过减小外部RF源与CPC单元12B的RF干扰而使得能够更好地进行校准。CPC单元12B的连接器可以集成到该壳体中。壳体可以被构造为使得测量装置12能够在各种环境条件下进行操作，并且能够通过使用辐射和/或气体而使得测量装置无菌。

应当注意，尽管没有具体示出，但是测量装置12可选地可以包括输出元件(例如，LED指示器)和/或输入元件(例如，控制键)。这些元件与探测器12A关联起来并用于控制探测器12A的操作。

还应当注意，测量装置可以包括超过一个与公共CPC单元12B相关联的传感器11(通常，超过一个测量单元)。例如，图2B中的RF连接器C₅可以用于将CPC单元连接至两个传感器(尽管没有具体示出)。

当存在与同一测量单元相关联或者与不同测量单元相关联的超过一个RF线路C₅时，在不同的C₅线路中传播的RF信号之间可能存在串扰。也就是说，在这些线路之间可能存在一些信号泄漏(耦合)。优选地，应当校正这样的串扰效应。这可以通过如下三个阶段来实现：

在第一阶段中，确定线路C₅之间的RF传输系数。如上所述，在装配测量装置前离线地执行第一阶段。例如，可以利用如下方法来确定RF传输系数：

(1)将所有n条线路C5(与测量单元12A的n个测量单元/传感器11相关联)连接至网络分析器；

(2)对n个传感器中的特定传感器(测量单元)施加已知的负载，

同时保持其它(n-1)个传感器没有负载(例如，作为开路(OPEN)负载)；

(3)在各条线路C5处测量RF传输系数，因而生成相邻线路(即，SCij，其中，i，j＝1至n，i≠j)之间的传输的幅度和相位。

在同样离线执行的第二阶段中，将这些RF传输系数存储在存储器装置24中。

可选地，可以对上述SC参数数据进行拟合，并且将拟合参数存储在存储器装置24中。这种拟合使得能够使用较少的存储器存储空间。

校正串扰的第三阶段在线执行，并且可以如下执行：

(1)从存储器装置24获取SC参数数据；

(2)在校准阶段的第2步后，从各个传感器11执行测量；

(3)利用SC参数数据来提取各个传感器11的经串扰校正的真实响应。

现在参照图3，其示出了适于在图2A的上述示例的系统构造中使用的CPC单元12B的构造的非限制性示例，其中在分析器16和测量装置12之间仅存在一个RF信号连接(RF端口连接)。在此示例中，经由连接至连接器C₄的同轴电缆C₂来向测量装置12传输数据通信和供电，其中数据通信信号“承载”(叠加)在直流电源电压上。如图所示，CPC单元12B包括连接至多个端子的开关20、控制器/处理器22、将作为代码和数据存储部的存储器装置24、功率转换/稳定单元26以及偏置器(BIAS-TEE)28。偏置器28用于将来自分析器16的直流电源电压与承载在该直流电源电压上的数据通信信号分离开。功率转换/稳定单元26对该电压源进行滤波并进行适当的调节(例如，线性调压器(LVR)将5伏特电源转换为3.3伏特电源)。这种经滤波和适当调整的电源电压向开关20、控制器/处理器22、存储器24和测量装置内需要电源来工作的其它组件提供了工作电压。

应当理解，可以利用电缆C₂内的单独电连接向测量装置12提供电源/电压源。在这种情况下，不必使用偏置器28。

还应当理解，可以通过测量装置12内的电源/电压源(例如，电池)向测量装置12提供电源/电压源。在这种情况下，不需要电缆C₂来容纳测量装置12的电源。

开关20可以被焊接至CPC电路(印刷电路板)。该开关具有与连接C₃和C₅相关联的连接端口J1和J3，并且还连接至多个校准负载。在本示例中，开关20与包括短路(SHORT)端子J2、开路(OPEN)端子J4和负载(LOAD)端子J5在内的三个校准负载端相关联。可以理解，可以使用其它类型的校准负载，并且校准负载的数量可以大于三个。可以选择校准负载的数量和/或类型以便于提高校准的准确度。可以理解，开关20可以具有超过四个切换状态。此外，CPC单元中可以存在超过一个开关，以便于提供多个校准负载。

存储器装置24可包括易失性和/或非易失性存储器类型。易失性存储器类型的例子包括：静态随机存取存储器(RAM)、动态RAM。非易失性存储器类型的例子包括：EEPROM、EPROM、闪存、只读存储器。

在一些实施方式中，存储器24存储表征多个校准负载的数据。表征校准负载的数据可以与频率相关。表征校准负载的数据还可以包括指示校准负载值对环境参数/条件(例如，温度、湿度、加速度、机械扰动(mechanical agitation))的依赖性的数据。

存储器24还存储表征CPC单元12B的数据，该数据可以与频率相关。该数据可以包括CPC单元的全部2端口复参数(传输系数(S11、S22、S12和S21))。表征CPC单元的数据还可包括指示CPC单元的响应对环境参数/条件(例如，温度、湿度、加速度、机械扰动)的依赖性的数据。

存储器24还可以存储表征探测器12A的数据。该数据可以包括用于连接器C₅和传感器之间的RF信号传播的RF校准数据。该数据还可以包括关于传感器支持电路和/或传感器的特定响应的信息。该数据还可以包括指示探测器的响应对环境参数/条件(例如，温度、湿度、加速度、机械扰动)的依赖性的数据。

CPC单元还可以包括记录环境参数的值的传感器。并且，CPC单元可以包括用于确定测量单元12的地点/位置的传感器(例如，GPS接收器)。

可以构造CPC单元，使得其内部的RF信号传播通路是传输线(TL)的形式。例如，TL可以用于消除阻抗不匹配、减少辐射，减少CPC单元内部的串扰。组件在CPC电路板上的定位以及CPC电路板的设计可以遵循减少CPC单元内部的RF信号传播的扰动的标准。这些扰动可以与干扰、损耗、串扰和噪声相关。可以构造CPC单元，使得其尺寸总体上小于通过其传播的RF信号的波长的一半。例如，对于大约1GHz的RF信号来说，CPC的最大维度尺寸应当小于10cm。这有利于消除CPC单元内部的空腔谐振。可以构造CPC单元，使得其尺寸足够小以将与相位变化相关的误差减到最小。

如图4更详细地例示，开关(例如，Skyworks Solutions的市售的AS2040-80或者Hittite Microwave Corporation的市售的HMC345LP3)的端口J1和J3经由4700pF的电容器连接至连接器C₃和C₅(参照图3)。如图所示，短路端子J2经由4700pF电容器短接至接地端，并且负载端子J5经由电阻器(50欧姆SMT电阻器)并经由4700pF电容器短接至接地端。应当理解，开关的端口连接至4700pF电容器以便于阻断在使用特定类型的开关时出现的直流电压。开路端子不需要任何电容器，并且在开路端子中，最好将电容器设置在电阻器后面。可以理解，如果所使用的开关类型不导致在其端口出现直流电压(例如，德州仪器公司的市售的TS3V330和/或TS5A3359)，则不必使用电容器。

回到图3，在校准处理期间，利用CPC单元12B上的受控开关20来执行端子J2、J4和J5之间的自动切换。将CPC的S参数(传输系数(S11、S12、S21、S22))以及各校准端通路的反射系数(S11open、S11short和S11load)存储在存储器装置24中。存储器装置24的操作和开关20的操作由微控制器22控制。可选地，控制器22还控制测量装置12内部的输出元件(例如，LED指示器)和/或输入元件(例如，控制键)。微控制器22还经由适当的匹配电路与分析器16的微控制器(CPU)进行通信，以在分析器16和测量装置12之间传输数据，该数据将进一步用于校准处理。此外，如下面进一步说明，微控制器22优选地被配置为并可操作以验证测量装置12并禁止测量装置的重复使用。

根据本发明，校准处理是两阶段过程，其包括在将CPC单元12B与测量装置12集成在一起前执行的预备校准(第1阶段)。这样就允许在装置12的操作期间进一步进行“实际”校准(第2阶段)，而无需分开CPC单元12B与测量装置12A。因此，除了在本领域校准处理中已知的将测量面从VNA的输出传送到校准单元的输入连接器之外，在本发明中，测量面被立刻/即时从分析器输出面传送到测量装置内的测量单元的连接面(探测器12A的C₅面)。在本发明的一些实施方式中，RF反射信号的另一个校正阶段用于将输入面传送到传感器面或传感器支持电路面。

参照图5A和图5B，其例示了本发明的校准方法的流程图。该示例涉及图2A的系统构造。然而，应当理解，当存在n个RF信号连接(端口)和/或校准负载的数量大于三个时，可以采用相同的过程。

如图5A所示，初始地，离线(即，在将校准单元与测量装置集成在一起之前)执行第1阶段校准。在该第1阶段校准中，确定校准负载的复反射系数(S11)S11open、S11short以及S11load(步骤100)。然后，确定CPC单元12B的全部2端口复参数(传输系数(S11、S22、S12和S21))(步骤104)。当开关20定向到端口J3时(即，当该开关内部的RF信号通路是从端口J1至端口J3时)，执行步骤104。反射系数S11open对应于连接至J4时的J1的S11；S11short对应于连接至J2时的J1的S11；并且S11load对应于连接至J5时的J1的S11。可以按照本领域中已知的标准方式获取上述这些S参数。

在该第1阶段校准的第二步中，将指示上述S参数和校准负载的反射系数的数据(S11open、S11short和S11load)存储在存储器装置24中(步骤102和106)。可选地，可以对上述S参数进行拟合，并且将拟合参数存储在存储器装置24中。这种拟合使得能够在存储器装置24中使用较少的存储器存储空间。

接着，通过将测量单元(探测器)12A与CPC单元12B集成在一起而装配了测量装置。CPC单元12B在其存储器装置24中包含有在第1阶段校准中测量出的指示上述S参数和校准负载(S11open、S11short和S11load)的数据。从该步骤开始，测量单元12A与校准和控制单元12B形成为一体的测量装置12。

在测量装置12的操作中，当其连接至分析器16时，使用所存储的参数在线地执行第2阶段校准，以计算对测量到的RF信号的校正，以便于将信号测量面从分析器输出面传送至测量装置内部的探测器12A的连接面。图5B中对此进行例示。按照两个步骤来校正测量到的信号。

测量装置12经由电缆C₁、C₂和另外的电缆(如果存在更多的信号端口)首先连接至分析器单元16(步骤200)，从而连接至分析器单元16的网络分析器装置14。各条电缆可以被单独连接。可选地，可以将所有电缆都集成到专用连接器中，该专用连接器连接至分析器16上的匹配连接器。使用专用连接器是有利的，因为它提供了更方便的连接、更快的连接和断开以及高质量的RF信号连接通路。连接器可以集成介于分析器单元16和测量装置12之间的其它电缆和/或连接。例如，真空/压力连通线路、液体分送线路、光学信号电缆、超声传感器电缆、烧蚀/切割装置/工具电缆或者其它电缆。沿着连接，将CPC单元内的各个校准负载的存储的反射系数数据(S11)以及CPC的全部2端口参数(S11、S22、S12、S21)从CPC单元的存储器24取回至分析器16(步骤202)。

接着，在将测量装置12定位在测量位置之后，开关20工作以选择性地将RF信号通路从网络分析器装置14定向至CPC单元内的各个校准负载(J2、J4和J5)，并且网络分析器装置14同时测量CPC单元内的各个校准负载的反射系数，并且测量得到的数据被记录在分析器16中(步骤204)。测量到的参数包括：

Γ1参数，其是与定向为开路的开关相对应的测量到的反射系数；

Γ2参数，其是与定向为短路的开关相对应的测量到的反射系数；

Γ3参数，其是与定向为负载的开关相对应的测量到的反射系数。

仅在测量装置12处于适当的位置时才测量Γ1、Γ2和Γ3，这样确保校准精度将不受测量装置12和分析器单元16的相对位置的空间变化以及连接它们的电缆的布置的变化的影响。

分析反射和传输系数得到：

$\mathrm{\Γm}=S11+S21\·\mathrm{\Γa}\·S12+S21\·\mathrm{\Γa}\·S22\·\mathrm{\Γa}\·S12+...=S11+S21\·\mathrm{\Γa}\·S12\·\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Γa}\·S22)}^n=...$

$...=S11+S21\·S12\·\frac{\mathrm{\Γa}}{1-S22\·\mathrm{\Γa}}\≡\mathrm{Ed}+\mathrm{Ert}\·\frac{\mathrm{\Γa}}{1-\mathrm{Es}\·\mathrm{\Γa}}$

其中，Γ_m是测量出的反射系数；Γ_a是实际的反射系数；Ed＝S11是方向性误差；Ert＝S21*S12是反射跟踪误差；并且Es＝S22是源匹配误差。

当校正线性系统时，测量出的反射系数和实际反射系数之间的关系是：

$\mathrm{\Γm}=\mathrm{Ed}+\mathrm{Ert}\·\frac{\mathrm{\Γa}}{1-\mathrm{Es}\·\mathrm{\Γa}}$

在测量来自各个校准端的反射(Γ1、Γ2和Γ3)并从存储器获取在预备(第1阶段)校准期间就确定的实际反射(S1＝S11open、S2＝S11short、S3＝S11load)之后，可以利用下面的公式来计算三个误差：

$\mathrm{\Γ}1=\mathrm{Ed}+\mathrm{Ert}\·\frac{S1}{1-\mathrm{Es}\·S1}$

$\mathrm{\Γ}2=\mathrm{Ed}+\mathrm{Ert}\·\frac{S2}{1-\mathrm{Es}\·S2}$

$\mathrm{\Γ}3=\mathrm{Ed}+\mathrm{Ert}\·\frac{S3}{1-\mathrm{Es}\·S3}$

$\mathrm{Es}=\frac{(\mathrm{\Γ}2-\mathrm{\Γ}1)(S3-S1)-(\mathrm{\Γ}3-\mathrm{\Γ}1)(S2-S1)}{S2(\mathrm{\Γ}2-\mathrm{\Γ}1)(S3-S1)-S3(\mathrm{\Γ}3-\mathrm{\Γ}1)(S2-S1)}$

$\mathrm{Ert}=\frac{(\mathrm{\Γ}2-\mathrm{\Γ}1)(1-\mathrm{Es}\·S1)(1-\mathrm{Es}\·S2)}{S2-S1}$

$\mathrm{Ed}=\mathrm{\Γ}1-\frac{\mathrm{Ert}\·S1}{1-\mathrm{Es}\·S1}$

$\mathrm{Corr}1=\frac{\mathrm{Ed}-\mathrm{\Γm}}{\mathrm{Es}\·\mathrm{Ed}-\mathrm{Es}\·\mathrm{\Γm}-\mathrm{Ert}}$

其中，Corr1是对RF信号反射进行第一阶段校正的结果，并且其表示将测量面从网络分析器输出面传送至CPC单元的进入面(C₃)。

在此校正后，不再使用当开关被定向至CPC单元内部的校准负载(Γ1、Γ2和Γ3)时所测量到的信号，直到发起另外的校准序列为止。

从此时开始，开关20定向至J3，即，开关内部的RF信号通路从J1至J3。可以任意或者自动地通过传感器执行测量。

针对通过传感器执行的各次测量，利用从存储器装置获取的CPC单元的S参数(S11、S22和S12、S21)来针对CPC单元内部2端口响应执行另外的补偿：

$\mathrm{Corr}1=S11+S21S12\·\frac{\mathrm{Corr}2}{1-S22\·\mathrm{Corr}2}$

$\mathrm{Corr}2=\frac{\mathrm{Corr}1-S11}{\mathrm{Corr}1\·S22+S12S21-S11\·S22}$

其中，Corr2是对RF信号反射进行第二阶段校正的结果，并且其表示将测量面从CPC单元的进入面(C₃)传送至探测器的输入面(C₅)。经Corr2校正的RF信号反射是反射的最终的完全校准的RF响应信号。

应当理解，当存在超过一个RF端口连接时，在测量装置12内集成多个校准和探测控制(CPC)单元(如校准和探测控制单元12B)；针对各个RF信号端口连接执行上述校准过程的第1阶段和第2阶段，使得获得了各个RF端口的完全校准的RF响应信号。如图2B所示，可以使用一条控制线(C₂)来控制全部的多个校准和探测控制(CPC)单元的操作。

可选地，可以集成RF信号反射的其它校正阶段，从而将测量面从探测器的输入面(C₅)传送至传感器测量面或传感器支持电路测量面。该校正在形式上与Corr2的校正相似，其使用表征探测电缆和可选的探测器支持电路的2端口响应的参数。这些2端口响应参数被预先测量并存储在CPC存储器24中。在操作中，由分析器单元16从存储器24获取这些参数。

如上所述，可以在“任意时刻”开始其它校准序列(重新校准)。

可以由用户、分析器(周期性地或者基于某些输入)和/或测量装置12(周期性地或者基于某些输入)来调用重新校准。当空间、时间、环境条件或者这些条件的组合发生变化时，这种重新校准是有利的。这些变化将导致对RF信号的校准性能下降，因而，重新校准对于保持测量出的RF信号的精度级别是很重要的。

具体地说，可以在每次测量之前执行校准，即，“即用(on the fly)校准”。

重新校准处理从校准处理的第2阶段的第3步“开始”。也就是说，当开关选择性地定向到CPC内的各个校准负载时，再一次测量反射系数(S11)并将其记录在分析器16中。接着，如上所述，得到校正Corr1。在该校正后，开关20定向到J3(即，开关内部的RF信号通路从J1至J3)。可以通过传感器任意地或者自动地执行测量。针对传感器执行的每次测量，执行额外的校正Corr2，如上所述。具体地说，当在“即用校准”模式中工作时，在传感器的每次测量后，重新开始重新校准的过程。

如上所述，可能由于感测到环境变化而开始重新校准。环境参数的变化可能影响校准，因为与RF信号传播通路相关的组件的RF特性取决于环境参数。这些变化能够导致RF信号的校准性能下降，因此当环境参数的值发生变化时，重新校准对于保持所测量的RF信号的精度水平很重要。

可以利用分析器16和/或测量装置12中的适当的传感器来对环境参数进行感测。如上所述，将表征测量装置12的组件对环境参数值的依赖性的数据存储在存储器24中。如参照图5A到图5B所述，校准过程的所有阶段能够使用表征测量装置12的组件对环境参数值的依赖性的数据，以增强校准过程的精度。

可以在测量过程中对环境参数进行感测。环境参数的变化能够用来触发(启动)重新校准。可以通过测量装置12自动地对环境参数进行感测。当环境参数的变化高于存储器24中存储的相应阈值时，测量装置12发起对重新校准的触发。可以通过由分析器16记录来自测量装置12中的适当的传感器和/或来自分析器16中的适当的传感器的环境参数值来对环境参数进行感测。当环境参数的变化高于分析器16的数据库中存储的阈值时，由分析器16发起对重新校准的触发。

可选地，在存储器24和/或分析器16的数据库中连续地或者选择性地保存/存储/记录环境参数值。

如上所述，本发明还提供了防止对测量装置12进行不需要的重新使用或者防止在系统中安装其它未经授权的测量装置。为此，存储器装置24还可以可选地以加密的形式存储特定测量装置的识别(ID)数据。各探测器12A和/或各CPC单元都与唯一的ID数据关联起来。在制造测量装置期间，测量装置的唯一ID数据被存储在存储器24中。在操作中，测量装置或分析器16的微控制器进行操作以访问存储器装置中的相应ID数据，并执行识别处理(例如，读取探测器和/或CPC单元的ID，对ID数据进行验证，将ID数据与分析器16中的数据库进行比较，将测量到的数据与传感器的特定响应进行比较)，并且仅在执行这些步骤后才允许开始使用测量装置12。

存储器24还可以可选地以加密的形式存储测量装置使用数据。例如，使用时间、使用次数、已执行的校准序列数、测量装置12至分析器16的执行连接数，已执行的测量数。该测量装置使用数据可用于监控/“强制”/限制/控制使用装置12的方式。

Claims (31)

1.一种测量装置，该测量装置被配置成能够经由至少一个RF端口连接而连接至分析器单元，该测量装置包括至少一个测量单元和至少一个校准和控制单元，所述至少一个校准和控制单元连接至所述至少一个测量单元并与所述至少一个测量单元集成在一起，所述校准和控制单元被配置为使得所述至少一个测量单元中的每一个都能够经由至少一个RF连接器而连接到所述分析器单元，所述校准和控制单元包括分别与具有已知RF反射系数的多个校准负载相关联的多个端子，并且包括存储器装置，该存储器装置包含指示所述RF反射系数的记录数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据，从而使得在所述至少一个测量单元保持与所述校准和控制单元集成在一起的同时能够计算所述至少一个测量单元中的每一个的RF响应。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述校准和控制单元包括控制器装置和至少一个可控操作开关，该可控操作开关使得能够选择性地将所述多个端子中的每一个和所述至少一个测量单元中的每一个连接至所述分析器单元的网络分析器。

3.根据权利要求1或2所述的装置，该装置包括至少两个测量单元，各个测量单元都经由一个或更多个RF连接器而连接至所述校准和控制单元。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述校准和控制单元被包含在具有RF罩的壳体中，所述壳体向所述校准和控制单元提供了机械强度和电磁抗扰。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述校准和控制单元包括超过一个能够操作以提供多个校准负载的开关。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述存储器装置存储表征所述多个校准负载的数据。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，表征所述校准负载的所述数据包括指示所述校准负载的所述RF反射系数对环境条件的依赖性的数据，其中所述环境条件包括温度、湿度、加速度和机械扰动中的至少一个。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述存储器装置存储表征所述校准和控制单元的数据。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，表征所述校准和控制单元的所述数据包括指示所述校准和控制单元的RF响应对环境条件的依赖性的数据，其中所述环境条件包括温度、湿度、加速度和机械扰动中的至少一个。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述存储器装置存储表征所述至少一个测量单元的数据。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，表征所述至少一个测量单元的所述数据包括针对所述校准和控制单元与所述至少一个测量单元之间的RF信号传播的RF校准数据。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，表征所述至少一个测量单元的所述数据包括指示所述至少一个测量单元的RF响应对环境条件的依赖性的数据，其中所述环境条件包括温度、湿度、加速度和机械扰动中的至少一个。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置包括用于感测一个或更多个环境条件的一个或更多个传感器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述校准和控制单元包括用于确定所述至少一个测量单元的位置的一个或更多个传感器。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置包括超过一个校准和控制单元，各个校准和控制单元都与所述RF端口连接中的相应的一个相关联，针对所述RF端口连接中的每一个来计算所述至少一个测量单元中的每一个的所述RF响应。

16.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，所述存储器装置存储指示以下至少一个数据的数据：所述测量装置的识别数据、所述测量装置已用于测量的时间、由所述测量装置进行的测量的次数、由所述校准和控制单元执行的校准序列的数量、所述测量装置至所述分析器的已执行连接的数量。

17.一种校准和控制单元，该校准和控制单元被配置为通过能够用于RF信号传输的连接器而连接在分析器单元和至少一个测量单元之间，并且被配置为经由数据发送连接器而连接至所述分析器单元，所述校准和控制单元包括：分别具有已知RF反射系数的多个端子；和存储器装置，该存储器装置中包含指示所述端子的所述RF反射系数的记录数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据。

18.一种在通过经由一个或更多个RF连接而将至少一个测量单元连接至分析器单元以校准所述至少一个测量单元的过程中使用的方法，该方法包括以下步骤：

提供校准和控制单元，该校准和控制单元包括：分别具有已知RF反射系数的多个端子；和存储器装置，其包含指示所述RF反射系数的记录数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的记录数据；

将所述校准和控制单元与所述至少一个测量单元集成在一起，使得允许利用位于所述校准和控制单元与所述至少一个测量单元之间的至少一个RF连接器经由所述校准和控制单元将所述至少一个测量单元连接至所述分析器单元；以及

通过利用所述已知RF反射系数和所述校准和控制单元的所述RF传输系数来校准所述至少一个测量单元，从而在保持所述至少一个测量单元与所述校准和控制单元集成在一起的同时确定所述至少一个测量单元的RF响应。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，针对所述RF连接中的每一个来执行所述校准。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，通过在将所述校准和控制单元与所述至少一个测量单元集成在一起前离线地执行第一校准过程来提供指示所述RF反射系数和所述校准和控制单元的RF传输系数的所述记录数据。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：通过确定所述测量单元内的至少一个传感器的RF响应来对所述测量单元的所述RF响应进行另外的校正。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：在所述至少一个测量单元经由所述校准和控制单元而连接至所述分析器单元时，将所述校准和控制单元的所述RF传输系数从所述校准和控制单元的所述存储器装置取回到所述分析器单元中。

23.根据权利要求22所述的方法，该方法包括以下步骤：操作所述校准和控制单元中的开关，以选择性地将RF信号通路从所述分析器单元中的网络分析器装置定向至所述校准和控制单元内的各所述端子；由所述网络分析器同时测量各所述端子的反射系数；以及将测量出的数据记录在所述分析器单元中。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，该方法包括选择性地对所述至少一个测量单元进行重新校准的步骤。

25.根据权利要求24所述的方法，该方法包括以下步骤：

确定以下数据中的至少一个：所述至少一个测量单元的识别数据、所述至少一个测量单元已用于测量的时间、由所述至少一个测量单元执行的测量次数、由所述校准和控制单元执行的校准序列的数量、所述至少一个测量单元至所述分析器的已执行连接的数量；

分析所确定的数据，并且在识别出存在所述数据的至少一个预定条件时，选择性地调用对所述至少一个测量单元的所述重新校准。

26.根据权利要求24所述的方法，该方法包括以下步骤：感测至少一个环境条件，并且在识别出所述条件的变化时，调用对所述至少一个测量单元的所述重新校准。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中，由用户、分析器或者所述测量单元中的任意一个来调用所述重新校准。

28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：感测包括温度、湿度、加速度和机械扰动中的至少一个在内的至少一个环境条件。

29.根据权利要求28所述的方法，该方法包括以下步骤：确定所述至少一个测量单元的RF响应对所述至少一个环境条件的依赖性。

30.根据权利要求18至29中任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：校正所述校准和控制单元与所述至少一个测量单元之间的所述RF连接器之间的串扰。

31.一种在通过经由至少一个RF端口连接而将测量单元连接至分析器单元以对所述测量单元进行RF校准的过程中使用的方法，该方法包括以下步骤：将校准和控制单元与所述测量单元集成在一起，使得允许所述测量单元经由所述校准和控制单元而连接至所述分析器单元，其中，所述校准和控制单元包括分别具有已知RF反射系数的多个端子，并且包括存储器装置，在将所述校准和控制单元与所述测量单元集成在一起之前，在该存储器装置中提供并存储有指示所述RF反射系数的数据和指示所述校准和控制单元的RF传输系数的数据，从而使得能够在需要时对所述测量单元进行所述RF校准，而不必断开所述测量单元以及所述校准和控制单元。

Images