CN102087346A - 基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法 - Google Patents

Abstract

基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法，涉及一种非线性矢量网络分析仪的校准方法。它解决现有的非线性矢量网络分析仪相位校准方法相位校准频率分辨率较低的问题。其方法是：构造调幅信号x_AM(t)，并在载波频率f_c的两侧构造精细频率栅(fine frequency grid)，利用其对平方率检波器进行相位校准，获得精细频率栅相位传递标准；再利用获得的精细频率栅相位传递标准，对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准。本发明适用于非线性矢量网络分析仪的相位校准。

Description

基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法

技术领域

本发明涉及一种非线性矢量网络分析仪的校准方法。

背景技术

上世纪90年代，随着射频、微波理论与技术的进步，直接测量含有非线性元件的电路、器件和系统的复杂大信号的需求变得越来越突出，非线性矢量网络分析仪是直接完成大信号网络分析的最佳工具。非线性矢量网络分析仪(NVNA)的相位校准目前我国只能使用NTN校准法获取，其校准频率分辨率只能达到0.25GHz，相位校准的频率分辨率较低，不能满足现代通信系统的研发与维护迫切需求。

发明内容

本发明是为了解决现有的非线性矢量网络分析仪的相位校准时相位校准频率分辨率较低的问题，而提供一种基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪精细频率相位响应校准新方法。

基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、采用宽带采样示波器检测一个射频调幅信号x_AM(t)，并采用平方率检波器在所述调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c的两侧构造精细频率栅；

所述调幅信号x_AM(t)的表达式为：

式中：f_c是载波频率，f_mod为调制频率，上边频和下边频分别为f_c-f_mod和f_c+f_mod，V₁、V₂、V₃分别为载波频率点的电压、上边频频率点的电压和下边频频率点的电压，

为载波频率点的相位、上边频频率点的相位和下边频频率点的的相位；

步骤二、采用步骤一构造的精细频率栅对平方率检波器进行相位校准，经相位定标后的平方率检波器称为精细频率栅相位传递标准；

步骤三、利用步骤二获得的精细频率栅相位传递标准，对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准。

用宽带采样示波器检测射频调幅信号x_AM(t)，并采用平方率检波器在所述调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c的两侧构造精细频率栅的具体方法是：通过改变调幅信号x_AM(t)的调制频率f_mod，在载波f_c频率两侧构造频率间隔10K-5MHz的频谱，构造出来的频谱即为精细频率栅。

步骤二中所述使用步骤一构造的精细频率栅对平方率检波器进行相位校准，获得精细频率栅相位参考结果的方法是：将调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c固定，对调制频率进行N次改变，并测量每次改变后的平方率检波器的输出和输入信号间的相位差；汇总N次改变后的平方率检波器的输出和输入信号间的相位差，获得精细频率栅相位传递标准和校准数据表，N为正整数。

步骤三中利用步骤二获得的精细频率栅相位传递标准对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准的方法是：设非线性矢量网络分析仪在载波f_c上的相位误差为

在f_c-f_mod和f_c+f_mod的相位误差为

和

则非线性矢量网络分析仪测得的射频已调信号为：

式中

通过使用谐波相位标准校准获得，而和

通过定标后的精细频率栅相位传递标准的相位误差数据表查得，U₁、U₂、U₃为非线性矢量网络分析仪测量的幅度；

获得的测量信号x_AM(t)通过理想的平方律变换器，滤除2次谐波后的结果是：

采用低频数字示波器测得的平方律检波器受相位失真影响后的结果为：

式中Δφ_d和Δφ_d1通过已校准的精细频率栅相位参考结果中获得，U′₁、U′₂、U′₃为低频数字示波器获得的幅度信息，经补偿后，低频数字示波器上测得的平方律检波器输出的低频信号为：

根据非线性矢量网络分析仪得到的平方律检波器受相位失真影响后的结果与采样示波器获取的平方律检波器输出的中频信号中的相位项，计算获得非线性网络分析仪相应的相位误差：

和从而修正非线性矢量网络分析仪在频率为f_c-f_mod和f_c+f_mod上产生的相位误差。

有益效果：本发明通过构造精细频率栅进而实现对非线性矢量网络分析仪的相位校准，获得的相位校准频率分辨率较高。

附图说明

图1是实施方式一中构造的精细频率栅的示意图；图2是具体实施方式一中载波频率1GHz～40GHz平方率检波器相频特性图。

具体实施方式

具体实施方式一、基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、用宽带采样示波器检测一个射频调幅信号x_AM(t)，并采用平方率检波器在所述调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c的两侧构造精细频率栅；

所述调幅信号x_AM(t)的表达式为：

式中：f_c是载波频率，调制频率为f_mod，上边频和下边频分别为f_c-f_mod和f_c+f_mod，V₁、V₂、V₃分别为上述频率点的电压，

为上述频率点的相位；

步骤二、采用步骤一构造的精细频率栅对平方率检波器进行相位校准，获得精细频率栅相位传递标准；

步骤三、利用步骤二获得的精细频率栅相位传递标准对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准。

采用示波器中检测调幅信号x_AM(t)，并采用平方率检波器在所述调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c的两侧构造精细频率栅的具体方法是：通过改变调制频率f_mod，在载波f_c频率两侧构造频率间隔10K-5MHz的频谱，所述间隔非常窄的频谱即精细频率栅。

调幅信号x_AM(t)的表达形式为：

其中f_c是载波频率，调制频率为f_mod，上、下边频分别为f_c-f_mod和f_c+f_mod，V₁、V₂、V₃分别为上述频率点的电压，

为它们的相位。该信号通过平方律检波器和低通滤波器后的理想情况的结果为：

然而，实际中的平方律检波器不可能是理想的，因此，本发明采用NTN(Nose-to-Nose)校准过的采样示波器对非理想的平方律检波器进行表征。通过多次改变调制频率f_mod，便可以在载波f_c(例如0.6GHz)两侧获得频率间隔10K-5MHz的频谱，如图1所示，这种频谱即为精细频率栅。

平方率检波器的相位差传递函数表征方法为：定义平方率检波器的相位传递函数是检波后的调制输出信号与调制输入信号的相位差。为了表征其相位移传递函数特性，采样示波器是宽带的，且必须经过NTN校准，修正了它的幅度和相位误差。在实验及实际应用中，首先保持调制频率(例如100KHz)不变，按粗频率栅的分布改变载波频率，从1GHz--40GHz，在采样示波器第一输入通道，利用最大函数法或标准偏差法，采集调幅信号的包络(即调制信号)，而在采样示波器第二输入通道上，采集检波后的调制信号。通过数据处理，可求出平方律检波器相位差传递函数。在实验频率范围内，观察该相位差是否基本相同。在载波频率范围为1GHz～40GHz下，相频特性如图2所示，其中横坐标为频率(GHz)，纵坐标为相位(deg)。

通过上述内容，得出结论：平方律检波器输出和输入调制信号间的相位差与载波频率无关，即：粗频率栅上校准的相位能够用来获取精细频率栅相位校准。也可以说，经过上述实验后的平方律晶体检波器可用作精细频率栅相位传递标准(NTN-FPR)。

为分析调幅信号中调制频率f_mod对平方律检波器检波器相频特性和幅频特性的影响。在仿真中，首先固定调幅信号载波频率f_c＝1GHz，然后调整其调制频率f_mod。

表1给出了在载波频率1GHz，调制频率为100kHz、200kHz、500kHz、1MHz时平方律检波器的幅度及相位差。可以看出，随着调制频率f_mod的增大，相位偏差Δφ也增大。其相频特性受调制频率影响较大，得到的结果可以认为是平方律检波器的复响应函数。

表1：

步骤二中所述对步骤一构造的精细频率栅进行相位定标，获得精细频率栅相位参考结果的方法是：将调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c固定，对调制频率进行N次改变，并测量每次改变后的平方率检波器的输出和输入信号间的相位差；汇总N次改变后的平方率检波器的输出和输入信号间的相位差，获得精细频率栅相位传递标准，N为正整数。

步骤三中利用步骤二获得的精细频率栅相位传递标准对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准的方法是：设非线性矢量网络分析仪在载波f_c上的相位误差为

在f_c-f_mod和f_c+f_mod的相位误差为

和

则大信号网络分析仪测得的射频已调信号为：

式中

通过使用谐波相位参考校准获得，而和

通过校准的精细频率栅上相位误差获得，U1、U2、U3为非线性矢量网络分析仪测量的幅度；

获得的测量信号x_AM(t)通过理想的平方律变换器，滤除2次谐波后的结果是：

采用等效采样示波器测得的平方律检波器受相位失真影响后的结果为：

式中Δφ_d，Δφ_d1通过已校准的精细频率栅相位参考结果中获得，U′₁，U′₂，U′₃为等效采样示波器获得的幅度信息。经补偿后，采用等效采样示波器上测得的平方律检波器输出的低频信号为：

根据非线性矢量网络分析仪得到的平方律检波器受相位失真影响后的结果与采样示波器获取的平方律检波器输出的中频信号中的相位项，计算获得非线性网络分析仪相应的相位误差：和

Claims (4)

1.基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、采用宽带采样示波器检测一个射频调幅信号x_AM(t)，并采用平方率检波器在所述调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c的两侧构造精细频率栅；

所述调幅信号x_AM(t)的表达式为：

式中：f_c是载波频率，f_mod为调制频率，上边频和下边频分别为f_c-f_mod和f_c+f_mod，V₁、V₂、V₃分别为载波频率点的电压、上边频频率点的电压和下边频频率点的电压，

为载波频率点的相位、上边频频率点的相位和下边频频率点的相位；

步骤二、采用步骤一构造的精细频率栅对平方率检波器进行相位校准，获得精细频率栅相位传递标准；

步骤三、利用步骤二获得的精细频率栅相位传递标准，对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准。

2.根据权利要求1所述的基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法，其特征在于步骤一中所述用宽带采样示波器检测一个射频调幅信号x_AM(t)，并采用平方率检波器在所述调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c的两侧构造精细频率栅的具体方法是：通过改变调幅信号x_AM(t)的调制频率f_mod，在载波f_c频率两侧构造频率间隔10K-5MHz的频谱，构造出来的频谱即为精细频率栅。

3.根据权利要求1所述的基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法，其特征在于步骤二中采用步骤一构造的精细频率栅对平方率检波器进行相位校准，获得精细频率栅相位传递标准的方法是：将调幅信号x_AM(t)的载波频率f_c固定，对调制频率进行N次改变，并测量每次改变后的平方率检波器的输出和输入信号间的相位差；汇总N次改变后的平方率检波器的输出和输入信号间的相位差，获得精细频率栅相位传递标准，所述精细频率栅相位传递标准采用定标数据表体现，N为正整数。

4.根据权利要求1所述的基于精细频率栅校准的非线性矢量网络分析仪相位响应校准方法，其特征在于步骤三中利用步骤二获得的精细频率栅相位传递标准，对非线性矢量网络分析仪进行精细频率相位校准的方法是：设非线性矢量网络分析仪在载波频率f_c上的相位误差为在f_c-f_mod和f_c+f_mod频率上的相位误差分别为

和

则非线性矢量网络分析仪测得的射频已调信号为：

式中

预先通过使用谐波相位标准校准获得，而

和

通过精细频率栅相位传递标准的相位误差数据表中获得，U₁、U₂、U₃为非线性矢量网络分析仪测量的幅度；

获得的测量信号x_AM(t)通过理想的平方律变换器，滤除2次谐波后的信号表示形式是：

采用低频数字示波器测得的平方律检波器受相位失真影响后的结果为：

式中：Δφ_d，Δφ_d1通过查找精细频率栅相位传递标准的数据表中获得，U′₁、U′₂、U′₃为等效采样示波器获得的幅度信息，经补偿后，采用低频数字示波器上测得的平方律检波器输出的低频信号为：

根据非线性矢量网络分析仪得到的平方律检波器受相位失真影响后的结果与低频数字波器获取的平方律检波器输出的中频信号中的相位项，计算获得非线性网络分析仪相应的相位误差：

和从而修正非线性矢量网络分析仪在频率为f_c-f_mod和f_c+f_mod上产生的相位误差。

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