CN102565521B - 一种高精度大动态范围微波信号电平测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

一种微波信号电平的专用测试装置，由功分功率传感器单元、信号接收处理单元、功率通道处理单元、数据处理单元和用于微波信号电平专用测试装置的软件计算组成，根据信号电平幅度特点自动改变信号接收单元中的可控衰减器和开关放大器，并且在改变状态前后进行量程自动校准，将补偿因子计算入测试结果中，提高测量的动态范围和测试准确度，其特点是能够实现高精度测量大动态范围信号，不需要多次手动重复切换测试仪器设备，能够根据输入信号电平自动改变装置的测量量程，并进行误差自动补偿，实现测量的高精度和大动态范围。

Description

一种高精度大动态范围微波信号电平测试装置和测试方法

技术领域

本发明涉及一种微波信号电平的测量，特别是涉及一种高精度大动态范围微波信号电平测试装置。

背景技术

根据传统的信号类型划分，可以简单的分为直流信号和交流信号。直流信号频率不变，幅度稳定，可通过模拟或数字万用表，点击对应的测试点实现测量，具有直观简单的测量特点。但是对应交流信号，测试的复杂度明显提高，基本特点是幅度随时间变化，如果采用万用表测试，得到的是一个不稳定的信号，并且万用表的刷新频率与测试信号的频率的差异导致测试结果随机变化。并且随着频率的升高，对应测试设备测试方法的阻抗匹配、屏蔽等具有严格的要求，如果在不合适的阻抗下测试会得到不同的数值，并且在不同的频率范围下电缆、连接器的选择使用都有严格的要求。目前评价一个信号的特征主要有频率、电平和相位等参数，电平测量往往是一个测控或测量系统中不可缺的项目。目前通用的信号电平测试装置一般为功率计、频谱分析仪、微波毫伏表等。对于电平测量，若其在一个小动态范围内变化，则无论电平高低，要做到精确测量并不困难。但当被测量在宽动态范围内变化时，但是这些通用装置不可避免的具有其局限性。

目前对大动态范围信号电平测试使用最多的是频谱分析仪，主要利用了频谱分析仪的测量范围大的特点；当信号电平测量精度要求高时，多采用功率计测量，主要利用了功率计的高精度特性。功率计主要是利用了功率检波器中的功率敏感器件如热敏电阻、热电偶或检波二极管将待测试微波功率转换成可检测的电信号如热电压、直流电压等，然后由功率指示器测量并显示，其功率敏感器件决定测量的范围窄，精度最高的热偶检波器动态范围仅有40dB，而精度次之的二极管检波器动态范围也只有90dB，均不满足测试需求。

发明内容

本发明的目的就是针对以上技术所存在的不足，提供一种微波信号电平的专用测试装置，其特点是能够实现高精度测量大动态范围信号，不需要多次手动重复切换测试仪器设备，能够根据输入信号电平自动改变装置的测量量程，并进行误差自动补偿，不仅能够扩展装置的测量动态范围，而且能够提高装置的测量精度。

本发明通过以下技术方案实现：一种微波信号电平的专用测试装置，由功分功率传感器单元、信号接收处理单元、功率通道处理单元和数据处理单元组成。功分功率传感器单元包含功分器、匹配器和功率传感器，功分器输出两路信号，一路输出到信号接收处理单元，经过可控衰减器和开关放大器，进入变频器和增益控制器后，由数字量化电路进行精确的量；另外一路进入功率传感器进行功率检波，将检波电压送至功率通道处理单元，并得到功率通道单元测试信号电平，数据处理单元接收到来自功分功率传感器单元两端口的测试数据，分别进入数据比较器中，然后经过误差计算与修正并输出结果。

匹配器共两只分置功分器的输出端，不仅可以改善功率传感器的输入端口的驻波比，提高信号接收处理单元的端口匹配，而且能够提高本装置测量大功率信号电平的能力。可控衰减器的衰减量、开关放大器的增益量和增益控制器的增益，组合实现整个信号接收处理单元的测量范围，开关放大器设置范围为30dB，增益控制器设置范围为30dB，数字量化电路采用了14位的模数转换电路达到84dB的测量范围，可控衰减器可以大幅度降低进入数字量化的信号电平，保证了整个装置能够测量大信号电平的能力。

功率通道处理单元将来自功率处理器的检波信号进一步的通过通道处理后进入模数转换，同时根据设定频率点对应的补偿数据进行频响补偿，这样得到的数据即为功率通道单元测试信号电平并可进行更进步运算。

一种专用于微波信号电平专用测试装置的软件计算，信号接收处理单元和功率通道处理单元同时进行电平测量，功率传感器自动计算两个信号通路的测量误差，生成校准因子，当信号电平较大或较小时，通过控制衰减量和增益使信号接收处理单元的测量量程发生改变，并由软件的校准因子计算出实际信号电平，此后每次状态的改变均能根据上一次的电平测量和校准因子将补偿因子计算入测试结果中生成实际信号电平，以此实现功率通道处理单元的高精度测量误差传递，保证了测量的精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1信号电平测试装置原理框图

图2为测试装置电平测量功能软件流程图

具体实施方式

本专利硬件部分：包含功分功率传感器单元、信号接收处理单元、功率通道处理单元和数据处理单元和专用于微波信号电平专用测试装置的软件计算。

功分功率传感器单元包含功分器、匹配器和功率传感器，功分器的特点是两路输出信号幅度相等，将信号功分一路输出到信号接收处理单元，进行信号接收处理；另外一路进入功率传感器进行功率检波，将检波电压送至功率通道处理单元。匹配器共两只分置功分器的输出端，不仅可以改善功率传感器的输入端口的驻波比，提高信号接收处理单元的端口匹配，而且能够提高本装置测量大功率信号电平的能力。

信号接收处理单元接收来自功分功率传感器单元分离的信号。首先经过可控衰减器和开关放大器，进入变频器和增益控制器后，由数字量化电路进行精确的量化。可控衰减器的衰减量、开关放大器的增益量和增益控制器的增益，组合实现整个信号接收处理单元的测量范围，开关放大器设置范围为30dB，增益控制器设置范围为30dB，数字量化电路采用了14位的模数转换电路达到84dB的测量范围，因此组合能够实现144dB的测量范围，并且按照本装置的设计思路，将进一步的扩展测量范围。可控衰减器可以大幅度降低进入数字量化信号电平，保证了整个装置能够测量大信号电平的能力。由于数字量化电路中的模数转换器能够大幅度的提高测量的线性度，因此数字量化的量化数据可以经过规则处理器的计算产生对可控衰减器、开关放大器和增益控制器的精确控制信号。

功率通道处理单元将来自功率处理器的检波信号进一步的通过通道处理后进入数字量化，同时根据设定频率点对应的补偿数据进行频响补偿，这样得到的数据即为功率通道单元测试信号电平。其特点等同功率计，测量范围窄，但是测量精度高。并且经过频响补偿得到的数据可进行更进步运算处理有本装置软件处理部分完成。

数据处理单元主要进行了本装置的软件运算部分。数据处理单元接收到来自功分功率传感器单元两端口的测试数据，分别进入数据比较器中，然后经过误差计算与修正并结果输出。

本专利软件部分：由信号接收处理单元和功率通道处理单元块同时进行电平测量分别为SA和PM。初始状态进行测量时，电平测量分别为SA1和PM1依据功率传感器测量精度高的特点，自动计算两个信号通路的测量误差，生成校准因子CF1＝PM1-SA1，信号发生改变时测量值SA发生变化，实际信号电平软件计算为TRFL＝SA1+CF1，实现了功率通道处理单元的高精度测量误差传递。当信号电平较大时能够自动根据测量值根据规则处理器来切换可控衰减器的衰减量，即改变信号接收处理单元的测量量程，保证测量大信号的能力，当信号电平较大小时，改变可控衰减器的衰减量，开关放大器和增益控制器的增益，使数字量化的测量范围扩大，即也是改变信号接收处理单元的测量量程。根据每次的状态切换，对应的信号接收处理单元两次测量值均存在一定的误差，软件计算公式为校准因子CF2＝SA1-SA2，实际信号电平软件计算公式变换为TRFL＝SA2+CF2+CF1。当发生第三那次状态切换时得到校准因子CF3＝SA2-SA3，实际信号电平软件计算公式变换为TRFL＝SA3+CF2+CF1+CF3。同理多次切换11、12、14，可以进一步处理得到CF4……CFn，实际信号电平为TRFL＝SAn+CFn……CF2+CF1。进一步实现了误差的传递，保证了测量的精度。因此信号接收处理单元和功率通道处理单元数据，通过数据处理单元的软件运算，能够实现自动量程切换和误差修正技术。

Claims (6)

1.一种微波信号电平的专用测试装置，由功分功率传感器单元、信号接收处理单元、功率通道处理单元和数据处理单元组成；

功分功率传感器单元包含功分器、匹配器和功率传感器，功分器输出两路信号，一路输出到信号接收处理单元，经过可控衰减器和开关放大器，进入变频器和增益控制器后，由数字量化电路进行精确测量；另外一路进入功率传感器进行功率检波，将检波电压送至功率通道处理单元，并得到功率通道单元测试信号电平，数据处理单元接收到来自功分功率传感器单元两端口的测试数据，分别进入数据比较器中，计算两个信号通路的测量误差，生成校准因子，当信号电平较大或较小时，通过控制衰减量和增益使信号接收处理单元的测量量程发生改变，并由校准因子计算出实际信号电平，此后每次状态的改变均能根据上一次的电平测量和校准因子生成实际信号电平。

2.如权利要求1所述的微波信号电平的专用测试装置，其特征在于：匹配器共两只，分置功分器的输出端，不仅可以改善功率传感器的输入端口的驻波比，提高信号接收处理单元的端口匹配，而且能够提高本装置测量大功率信号电平的能力。

3.如权利要求1所述的微波信号电平的专用测试装置，其特征在于：可控衰减器的衰减量、开关放大器的增益量和增益控制器的增益，组合实现整个信号接收处理单元的测量范围，开关放大器设置范围为30dB，增益控制器设置范围为30dB，数字量化电路采用了14位的模数转换电路达到84dB的测量范围，可控衰减器可以大幅度降低进入数字量化的信号电平，保证了整个装置能够测量大信号电平的能力。

4.一种专用于微波信号电平专用测试方法，信号接收处理单元和功率通道处理单元同时进行电平测量，功率传感器自动计算两个信号通路的测量误差，生成校准因子，当信号电平较大或较小时，通过控制衰减量和增益使信号接收处理单元的测量量程发生改变，并由校准因子计算出实际信号电平，此后每次状态的改变均能根据上一次的电平测量和校准因子生成实际信号电平，以此实现功率通道处理单元的高精度测量误差传递，保证了测量的精度。

5.如权利要求4所述的专用于微波信号电平专用测试方法，其特征在于：由信号接收处理单元和功率通道处理单元同时进行电平测量分别为SA和PM，初始状态进行测量时，电平测量分别为SA1和PM1功率传感器测量自动计算两个信号通路的测量误差，生成校准因子CF1＝PM1-SA1，信号发生改变时测量值SA发生变化，实际信号电平计算为TRFL＝SA1+CF1，当信号电平较大时能够自动根据测量值根据规则处理器来切换可控衰减器的衰减量，当信号电平较小时，改变可控衰减器的衰减量，开关放大器和增益控制器的增益，使信号接收处理单元的测量量程改变。

6.如权利要求5所述的专用于微波信号电平专用测试方法，其特征在于：根据可控衰减器、开关放大器和增益控制器每次的状态切换，对应的信号接收处理单元两次测量值均存在一定的误差，计算公式为校准因子CF2＝SA1-SA2，实际信号电平软件计算公式变换为TRFL＝SA2+CF2+CF1；当发生第三次状态切换时得到校准因子CF3＝SA2-SA3，实际信号电平计算公式变换为TRFL＝SA3+CF2+CF1+CF3；同理多次切换可控衰减器、开关放大器和增益控制器，可以进一步处理得到CF4……CFn，实际信号电平为TRFL＝SAn+CFn……CF2+CF1，进一步实现了误差的传递，保证了测量的精度。