CN103913713A - 微波大功率无源调配器的快速校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波大功率无源调配器的快速校准方法，通过在选定调配器的基础上，确定设计频率，确定x和y方向导纳滑块需要走的位置数目，首先测量出给定频率点的有限个位置，随着导纳滑块的x方向移动和y方向移动，调配器散射参数的变化规律。然后以测试数据为基础，采用数据拟合的方法拟合出散射参数幅度和相位随位置变化的数学函数，以这一数学函数为基础，采用数值计算方法推出其它位置的散射参数数据，其中数值计算方法选择的是最小二乘法，建立起校准表格用于后续测试。这种方法能够兼顾测试的精度和效率，实现高精度快速校准。

Description

微波大功率无源调配器的快速校准方法

技术领域

本发明涉及一种微波大功率无源调配器技术，特别是微波大功率无源调配器的快速校准方法。

背景技术

负载牵引法是一种利用自动调配器调配源和负载阻抗与阻抗相关的测量技术，反映的是对与频率相关的负载阻抗所进行的测量。这种测量技术的原理是在给定输入功率的情况下，通过改变源阻抗或者负载阻抗，测量输入、输出以及功率附加效率等参数，同时记录对应的源阻抗或者负载阻抗的数值。经过适当的数据处理后以获得最大输出功率或者最高功率附加效率等状态下所需的最佳源阻抗和负载阻抗，以此得到输入/输出匹配网络的最佳设计方案。

使用基于负载牵引的大功率自动调配器，能够使所有阻抗、增益、功率等参数的测试数据都通过软件进行去嵌处理而求解到被测件的端面，从而实现被测件特性的真实测量。负载阻抗的改变可以通过在被测件的输出端连接一个大功率自动调配器来实现。

大功率无源调配器的主要工作原理为，随着金属膜片在y方向插入深度的增加，膜片处不连续性的变化相当于改变单枝节匹配时并联支节的导纳，从而使调配器的反射系数S₁₁模值不断增大；而当金属膜片固定在某一插入深度处沿轴做x方向运动时，则改变了支节的接入位置，对应在阻抗（导纳）圆图上是沿等反射系数圆旋转，从而使调配器反射系数S₁₁的相角呈现周期性的变化。

在利用调配器对微波大功率器件进行实际的测试测量时，为了得到准确的测试结果，必须在系统测试前首先对调配器进行校准，这一步骤直接影响着调配器的测量结果是否准确，是微波大功率测试系统研究的关键步骤之一。

调配器的校准可利用矢量网络分析仪进行。在矢量网络分析仪已经在给定频率进行校准的前提下，当调配器的膜片处于某一位置时，记录下此时膜片的位置，由矢量网络分析仪测出调配器当前的散射参数并做记录，重复上述过程直至膜片走过所有可能位置，即可得到一个膜片位置对调配器散射参数的数据库，校准过程即结束。在实际的测量中，当膜片位于某个位置时待测器件表现出了需要的特性，那么此时便可查询数据库找到对应此时膜片位置的散射参数，从而计算出待测器件实时的负载阻抗和源阻抗，进而获得其功率输出随阻抗变化关系或噪声随阻抗变化关系等重要特性。这就是调配器校准的原理。

从调配器校准的原理可以看出，导纳滑块选取的行走位置越多，测量散射参数的位置点越多，数据库就越全面，同样精度也就越高。然而若要对调配器的膜片在每个移动位置处均进行测量的话，则需要测量的数据量异常巨大，同时也需要耗费大量的时间和计算资源，影响测试的速度和效率，故需要研究快速的校准方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有有限点校准，连续点测量的微波大功率无源调配器的快速校准方法，以便能够兼顾测试的精度和效率。

本发明的目的是这样实现的，微波大功率无源调配器的快速校准方法，其特征是：至少包括如下步骤：

1)选择使用类型，确定所需校准的调配器为源或负载调配器，以确定调配器的初始零位的选取，初始零位选择在靠近被测件的那一端，如源调配器选择二端口，而负载调配器则为一端口；

2)确定校准的频率f，水平方向需要测量的点数m，以及垂直方向需要测量的点数n；

3)确定调配器的膜片处于水平和垂直方向的初始零位；

4)在矢量网络分析仪进行充分的预热稳定后，根据确定的校准频率，连接标准件进行全二端口校准；

5)在矢量网络分析仪校准完成后，连接调配器；

6)测试膜片位于初始位置(i,j)=(1,1)时，测量调配器的散射参数S(i,j),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，并保存当前位置信息和测试所得数据；

7)控制调配器的膜片沿垂直方向向下以微小量λ_g/n移动到下个位置(i,j+1)，λ_g表示波导波长，n表示垂直方向需要测量的点数，同样测试调配器的散射参数S(i,j+1),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，保存新的位置信息和测试所得数据；

8)检测膜片是否到达垂直方向的限定深度，如果没有，返回步骤7)；如果到达限定深度就继续下一步；

9）在水平方向上移动一段微小量λ_g/m，m表示水平方向需要测量的点数，移动到下个位置(i+1,j)，同样测试调配器的散射参数S(i+1,j),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，保存新的位置信息和测试所得数据；

10）调用步骤7)～8)，记录在垂直方向移动时的位置信息和测试数据；

11)控制调配器膜片返回当前水平位置的垂直零位，检测膜片是否到达水平方向的限定长度，没有返回步骤9)～10）；直到在水平方向上走完一个λ_g的长度为止，保存所有的位置信息和散射参数测试数据；

12)按照最小二乘法的拟合规则，固定x方向位置，以测试中调配器所走的垂直位置y方向为自变量，以这些位置对应的散射参数模值和相位值分别作为因变量，依据拟合公式拟合出调配器散射参数模值和相位随y方向插入深度的变化规律，随后以所测x方向位置的调配器散射参数相位为基础，按照式（2）

${\mathrm{\φ}}_{11}(x,y)={\mathrm{\φ}}_{11}(x_0,y)-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}(x-x_0)$ 式(2)

在水平方向上通过线性插值的方法得到水平任意位置处的散射参数相位数据；

13)将当前频点所有经过修正的校准点测试数据与位置信息的关系对进行保存，以备调配器在测试应用中的调用即可，自动校准过程即可完成。

所述的调配器当其波导的导纳滑块行走的y方向深度固定，x方向位置变化时，调配器散射参数S₁₁的模值和相位的变化如下：

S₁₁模值变化S₁₁(x,y)＝S₁₁(x₀,y)式（1）

S₁₁相位变化

${\mathrm{\φ}}_{11}(x,y)={\mathrm{\φ}}_{11}(x_0,y)-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}(x-x_0)$ 式(2)

其中x₀为导纳滑块行走在x方向的初始位置，x和y表示导纳滑块行走时在x和y方向的目前位置，波导波长为

${\mathrm{\λ}}_g\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-({\mathrm{\λ}}_0/2a)2}}$ 式（3）

其中λ₀表示波导工作波长，a表示矩形波导的内壁宽度；

x方向位置固定，y方向位置变化，S₁₁的模值则随着插入深度不断增大，相位则保持固定值。

本发明的优点是：微波大功率无源调配器的快速校准方法通过在选定调配器的基础上，确定设计频率，确定x和y方向导纳滑块需要走的位置数目，首先测量出给定频率点的有限个位置，随着导纳滑块的x方向移动和y方向移动，调配器散射参数的变化规律。然后以测试数据为基础，采用数据拟合的方法拟合出散射参数幅度和相位随位置变化的数学函数，以这一数学函数为基础，采用数值计算方法推出其它位置的散射参数数据，其中数值计算方法选择的是最小二乘法，建立起校准表格用于后续测试。这种方法能够兼顾测试的精度和效率，实现高精度快速校准。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明的实施例流程图；

图2是波导结构的大功率调配器结构图；

图2中x指的是调配器导纳滑块移动的水平方向，y指的是调配器导纳滑块移动的垂直方向

图3是调配器快速校准的连接示意图。

图中，1、矢量网络分析仪；2、电缆；3、第一同轴波导转换件；4、第二同轴波导转换件；5、调配器；6、全二端口；7、波导腔；8、插入膜片；9、金属膜片；10、导纳滑块；11、丝杠杆。

具体实施方式

如图1、图3所示，微波大功率无源调配器的快速校准方法，包括如下步骤：

1)选择使用类型，确定所需校准的调配器5为源或负载调配器，以确定调配器的初始零位的选取，初始零位选择在靠近被测件的那一端，如源调配器选择二端口（S22），而负载调配器则为一端口（S11）；

2)确定校准的频率f，水平方向需要测量的点数m，以及垂直方向需要测量的点数n；

3)确定调配器5的膜片处于水平和垂直方向的初始零位；

4)在矢量网络分析仪1进行充分的预热稳定后，根据确定的校准频率，通过电缆2连接第一同轴波导转换件3和第一同轴波导转换件4进行全二端口6校准；

5)在矢量网络分析仪校准完成后，连接调配器5；

6)测试膜片位于初始位置(i,j)=(1,1)时，测量调配器的散射参数S(i,j),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，并保存当前位置信息和测试所得数据；

7)控制调配器的膜片沿垂直方向向下以微小量（λ_g/n）（λ_g表示波导波长，n表示垂直方向需要测量的点数）移动到下个位置(i,j+1)，同样测试调配器的散射参数S(i,j+1),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，保存新的位置信息和测试所得数据；

8)检测膜片是否到达垂直方向的限定深度，如果没有，返回步骤7)；如果到达限定深度就继续下一步；

9）在水平方向上移动一段微小量（λ_gm）（λ_g表示波导波长，m表示水平方向需要测量的点数），移动到下个位置(i+1,j)，同样测试调配器的散射参数S(i+1,j),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，保存新的位置信息和测试所得数据；

10）调用步骤7)～8)，记录在垂直方向移动时的位置信息和测试数据；

11)控制调配器膜片返回当前水平位置的垂直零位，检测膜片是否到达水平方向的限定长度，没有返回步骤9)～10）；直到在水平方向上走完一个λ_g的长度为止，保存所有的位置信息和散射参数测试数据；

12)按照最小二乘法的拟合规则，固定x方向位置，以测试中调配器所走的垂直位置（y方向）为自变量，以这些位置对应的散射参数模值和相位值分别作为因变量，依据拟合公式拟合出调配器散射参数模值和相位随y方向插入深度的变化规律，随后以所测x方向位置的调配器散射参数相位为基础，按照式（2）

${\mathrm{\φ}}_{11}(x,y)={\mathrm{\φ}}_{11}(x_0,y)-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}(x-x_0)$ 式(2)

在水平方向上通过线性插值的方法得到水平任意位置处的散射参数相位数据；

13)将当前频点所有经过修正的校准点测试数据与位置信息的关系对进行保存，以备调配器在测试应用中的调用即可，自动校准过程即可完成。

如图2所示，调配器5的导纳滑块10通过丝杠杆11在x方向变化，插入膜片8通过顶端的导纳滑块10槽口端插入，使金属膜片9到波导腔7，金属膜片9下端部在波导腔7的位置取决于，插入膜片8插入深度和导纳滑块10在丝杠杆11的位置。

调配器当波导的导纳滑块行走的y方向深度固定，x方向位置变化时，调配器散射参数S₁₁的模值和相位的变化如下：

S₁₁模值变化S₁₁(x,y)＝S₁₁(x₀,y)式（1）

S₁₁相位变化

${\mathrm{\φ}}_{11}(x,y)={\mathrm{\φ}}_{11}(x_0,y)-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}(x-x_0)$ 式(2)

其中x₀为导纳滑块行走在x方向的初始位置，x和y表示导纳滑块行走时在x和y方向的目前位置，波导波长为

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-{({\mathrm{\λ}}_0/2a)}^2}}$ 式（3）

其中λ₀表示波导工作波长，a表示矩形波导的内壁宽度；

x方向位置固定，y方向位置变化，S₁₁的模值则随着插入深度不断增大，相位则保持固定值。

实验：

我们利用矢量网络分析仪对调配器进行了测量。测量了109个频点下（26.5GHz~40GHz，以0.125GHz为步进）调配器中膜片处于341（11×31）个不同位置时的散射参数的数据，其中膜片位置参数为y方向从0mm到3mm以0.3mm为步进，x方向从0mm到15mm以0.5mm为步进。

用最小二乘法对33GHz、y=6mm的数据进行拟合，为了方便曲线拟合，将y的取值扩大十倍，即y的取值为0，3，6，……，30。

S₁₁模值以垂直深度y为自变量的五阶多项式函数为

f(x)＝p₁y⁵+p₂y⁴+p₃y³+p₄y²+p₅y+p₆        (4)

其中，

p₁＝1.878×10^-7，p₂＝-1.514×10^-5

p₃＝3.368×10^-4，p₄＝-5.88×10^-3

p₅＝3.188×10^-3，p₆＝1.089×10^-2

S₁₁相位以垂直深度y为自变量的六阶多项式分段函数为

f(x)＝p₁y⁶+p₂y⁵+p₃y⁴+p₄y³+p₅y²+p₆y+p₇(5)

其中，当x≤12时，

p₁＝0，p₂＝0，p₃＝2.951×10^-1

p₄＝-6.447×10^-1，p₅＝3.576

p₆＝2.435，p₇＝-1.816。

当x＞12时，

p₁＝-9.195×10^-5，p₂＝9.266×10^-3

p₃＝-0.353，p₄＝6.057，p₅＝-37.55

p₆＝-1.206×10²，p₇＝1.719×10³。

插入深度y(mm)	y=6mm	y=7mm	y=8mm	y=9mm
					0.0	0.000872	0.000939	0.000547	0.000419
0.3	0.003360	0.000516	0.003585	0.012414
					0.6	0.004338	0.006554	0.002696	0.010022

0.9	0.003358	0.001321	0.005140	0.019134
					1.2	0.007822	0.016112	0.013230	0.001515
1.5	0.014800	0.002488	0.000560	0.021227
					1.8	0.010928	0.035092	0.033884	0.011362
2.1	0.001879	0.030997	0.031469	0.010289
					2.4	0.002986	0.022876	0.017294	0.013634
2.7	0.000644	0.015822	0.015652	0.012442
					3.0	0.002244	0.001237	0.007894	0.034280

上表表示调配器散射参数以垂直深度y为自变量(频率为33GHz,y=6mm,7mm,8mm,9mm)时采用拟合公式计算和实际测量的S₁₁模值之间的误差

插入深度y(mm)	y=6mm	y=7mm	z=8mm	z=9mm
					0.9	0.055180	5.211325	8.879104	7.631317
1.2	0.000000	4.701621	6.791303	6.837576
					1.5	0.000000	2.256531	3.654034	4.722113
1.8	0.000000	1.214248	2.834550	2.331932
					2.1	0.000000	2.349007	0.927427	0.565213
2.4	0.000000	0.528109	0.061066	0.597244
					2.7	0.000000	0.709839	0.025646	0.789956
3.0	0.000000	1.205174	0.934500	0.976649

上表表示调配器散射参数以垂直深度y为自变量(频率为33GHz,y=6mm,7mm,8mm,9mm)时采用拟合公式计算和实际测量的S₁₁相位之间的误差

模值和相位的整体误差不大，垂直深度y为0mm和0.3mm时的相位数据误差较大，据分析，原因是此次调配器的定位装置不够精确，当插入深度较小时，膜片未插入波导腔，使得测量数据不准确，但从总体数据可以看出，拟合公式可以较为准确的反映出随着导纳滑块在x和y方向的移动，散射S₁₁的变化规律，反映出这种快速校准的方法有一定的可行性。

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。

具体拟合步骤是，对给定数据点{(xi,yi)}(i=0,1，…，m），在取定的函数类Φ中，求p(x）∈Φ，使误差的平方和E²最小，从几何意义上讲，就是寻求与给定点{(x_i,y_i)}(i=0,1，…，m）的距离平方和为最小的曲线y=p(x)。函数p(x)称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p(x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法。

Claims (2)

1.微波大功率无源调配器的快速校准方法，其特征是：至少包括如下步骤：

1)选择使用类型，确定所需校准的调配器为源或负载调配器，以确定调配器的初始零位的选取，初始零位选择在靠近被测件的那一端，如源调配器选择二端口，而负载调配器则为一端口；

2)确定校准的频率f，水平方向需要测量的点数m，以及垂直方向需要测量的点数n；

3)确定调配器的膜片处于水平和垂直方向的初始零位；

4)在矢量网络分析仪进行充分的预热稳定后，根据确定的校准频率，连接标准件进行全二端口校准；

5)在矢量网络分析仪校准完成后，连接调配器；

6)测试膜片位于初始位置(i,j)=(1,1)时，测量调配器的散射参数S(i,j),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，并保存当前位置信息和测试所得数据；

7)控制调配器的膜片沿垂直方向向下以微小量λ_g/n移动到下个位置(i,j+1)，λ_g表示波导波长，n表示垂直方向需要测量的点数，同样测试调配器的散射参数S(i,j+1),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，保存新的位置信息和测试所得数据；

8)检测膜片是否到达垂直方向的限定深度，如果没有，返回步骤7)；如果到达限定深度就继续下一步；

9）在水平方向上移动一段微小量λ_gm，m表示水平方向需要测量的点数，移动到下个位置(i+1,j)，同样测试调配器的散射参数S(i+1,j),i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n-1，保存新的位置信息和测试所得数据；

10）调用步骤7)～8)，记录在垂直方向移动时的位置信息和测试数据；

11)控制调配器膜片返回当前水平位置的垂直零位，检测膜片是否到达水平方向的限定长度，没有返回步骤9)～10）；直到在水平方向上走完一个λ_g的长度为止，保存所有的位置信息和散射参数测试数据；

12)按照最小二乘法的拟合规则，固定x方向位置，以测试中调配器所走的垂直位置y方向为自变量，以这些位置对应的散射参数模值和相位值分别作为因变量，依据拟合公式拟合出调配器散射参数模值和相位随y方向插入深度的变化规律，随后以所测x方向位置的调配器散射参数相位为基础，按照式（2）

${\mathrm{\φ}}_{11}(x,y)={\mathrm{\φ}}_{11}(x_0,y)-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}(x-x_0)$ 式(2)

在水平方向上通过线性插值的方法得到水平任意位置处的散射参数相位数据；

13)将当前频点所有经过修正的校准点测试数据与位置信息的关系对进行保存，以备调配器在测试应用中的调用即可，自动校准过程即可完成。

2.根据权利要求1所述的微波大功率无源调配器的快速校准方法，其特征是：所述的调配器当其波导的导纳滑块行走的y方向深度固定，x方向位置变化时，调配器散射参数S₁₁的模值和相位的变化如下：

S₁₁模值变化S₁₁(x,y)＝S₁₁(x₀,y)                 式（1）

S₁₁相位变化

${\mathrm{\φ}}_{11}(x,y)={\mathrm{\φ}}_{11}(x_0,y)-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}(x-x_0)$ 式(2)

其中x₀为导纳滑块行走在x方向的初始位置，x和y表示导纳滑块行走时在x和y方向的目前位置，波导波长为

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-{({\mathrm{\λ}}_0/2a)}^2}}$ 式（3）

其中λ₀表示波导工作波长，a表示矩形波导的内壁宽度；

x方向位置固定，y方向位置变化，S₁₁的模值则随着插入深度不断增大，相位则保持固定值。