CN104062620B - 一种功率校准测试系统及校准测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率校准测试系统，包括设定目标功率与目标频段的系统设置装置、连接于所述系统设置装置与功率传感器测量输出功率的功率计、连接于所述功率计产生微波信号的微波矢量网络分析仪、连接于所述微波矢量网络分析仪的倍频器、连接于所述倍频器的三端口定向耦合器、连接于所述微波矢量网络分析仪及所述三端口定向耦合器的谐波混频器。本发明通过实施闭环反馈回路，实现了对待测件输入端口参考面输入功率的实时闭环的监控和调整，可实现任何频段内的功率实时闭环功率校准和电路、器件的精确测量，大大提高了系统的通用型、有效性、一致性及精确性。

Description

一种功率校准测试系统及校准测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种功率校准测试系统及校准测量方法。

背景技术

毫米波是指波长为1～10mm的电磁波，其频率为30GHZ～300GHZ，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。毫米波的短波长、大带宽特性使它特别适应于导弹、雷达、卫星等系统。较短的波长可获得窄的波束宽度，这就为目标跟踪和识别提供了较高的分辨力和精度。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。

在进行待测件毫米波频段功率测量时，实现待测件功率输入参考面的输出功率稳定与精确是实现待测件精确测试的关键。因此在实施测量之前需要对待测件功率输入参考面输出功率进行校准测试，以确保后续测量的精确性。

传统的毫米波频段功率校准主要有两种系统模式，一种是开环系统模式，另一种是半开环系统模式。如图1所示，传统的开环系统模式的功率校准系统由信号源8、毫米波功率传感器71、功率计2搭建而成，校准程序通过系统设置装置1输入，所述功率计2与所述毫米波功率传感器71完成对信号源8输出端口功率的校准，是一种开环系统模式。但是该系统的缺陷在于，首先，由于真实待测件输入端口的阻抗特性与校准状态下标定端口参考面的阻抗几乎不可能做到完美匹配，特别是在大信号测试环境下，即由于端口参考面阻抗失配必然导致在级联待测件后校准数据的失效；其次，信号源输出端口参考面的输出功率会随着温度、湿度、时间、频率等因素的变化，系统的随机误差与漂移误差等存在时变性，因此无法保证校准结果的有效性、一致性与准确性。如图2所示，传统的半开环系统模式的功率校准系统由信号源8、毫米波功率传感器71、功率计2、毫米波三端口定向耦合器51，以及毫米波检波器9搭建，毫米波三端口定向耦合器51实现信号源8输出信号的分离，而功率计2与毫米波功率传感器71完成对毫米波检波器9输出信号的定标，最终毫米波检波器9输出的直流信号反馈至信号源8的ALC端口，实现对信号源8输出端口功率的校准，是一种半开环系统模式。但是该系统的缺陷在于，首先，毫米波检波器9输出的直流信号抗干扰能力极差，易受到测试环境中其它因素的直接影响，同时，信号源的ALC端口内置数模(DA)转换电路检波精度有限，一般在1dB，即这都将导致信号源输出端口参考面输出功率精度存在很高的不确定度；其次，由于所述毫米波检波器9动态范围有限，一般为20dB，即导致对于信号源输出端口参考面输出功率范围较低，因此在实现功率线性度等为代表的高输出动态范围测试时该测试方法将存在很高的局限性；最后，通常情况下每一个信号源厂商的ALC端口功能存在不一致性，因此该方法的通用型也存在很多的局限性。

综上所述，传统的毫米波频段功率校准测试系统在完成实际的待测件功率测试过程中存在较多的局限性，即无法确保毫米波频段功率校准测试系统的通用型、有效性、一致性、精确性，而且要实现对毫米波频段待测件功率的精确测量就必须实时地对参考面的输出功率进行监控和调节，这样在搭建功率校准测试系统时就必须实现输出信号功率的取样和反馈，以使得在待测件功率输入参考面的功率稳定且精确，因此如何研制一种新型的毫米波实时闭环功率校准测试系统，以实现毫米波频段待测件功率输入参考面功率的精确校准，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种功率校准测试系统及校准测量方法，用于解决现有技术中毫米波频段功率校准测试系统的通用型、有效性、一致性、精确性差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种功率校准测试系统，所述功率校准测试系统至少包括：

系统设置装置、功率计、微波矢量网络分析仪、倍频器、三端口定向耦合器、谐波混频器及功率传感器；

所述系统设置装置连接于所述功率计，用于设定目标功率与目标频段；

所述功率计连接于所述系统设置装置及所述功率传感器，用于测量功率值；

所述微波矢量网络分析仪连接于所述功率计，用于产生微波连续波信号，分别作为所述倍频器的射频激励及所述谐波混频器的本振激励，所述微波矢量网络分析仪还接收所述谐波混频器的反馈信号，并根据所述反馈信号实时调节所述倍频器的射频激励及所述谐波混频器的本振激励，进而调整所述三端口定向耦合器直通端口输出信号；

所述倍频器连接于所述微波矢量网络分析仪，用于将所述微波矢量网络分析仪输出信号的频率转换至系统工作频段；

所述三端口定向耦合器连接于所述倍频器，用于实现信号的分离，分别输出耦合信号和原始信号，所述原始信号为所述倍频器的输出信号；

所述谐波混频器连接于所述微波矢量网络分析仪及所述三端口定向耦合器，用于对所述微波矢量网络分析仪及所述三端口定向耦合器输出的所述本振激励及所述耦合信号进行混频，并将混频后的信号反馈至所述微波矢量网络分析仪；

所述功率传感器连接于所述三端口定向耦合器，用于检测所述三端口定向耦合器输出的原始信号，所述原始信号为所述倍频器的输出信号。

优选地，所述系统工作频段设定为毫米波频段。

更优选地，所述倍频器为毫米波倍频器、所述三端口定向耦合器为毫米波三端口定向耦合器、所述谐波混频器为毫米波谐波混频器、所述功率传感器为毫米波功率传感器。

优选地，所述微波矢量网络分析仪与所述功率计通过通用接口总线实现级联。

优选地，所述三端口定向耦合器的直通端口输出面被视为待测件输入端口参考面。

更优选地，所述待测件输入端口参考面的输出功率可通过功率传感器、功率计或频谱分析仪读出。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种功率校准测量方法，所述功率校准测量方法至少包括：

基于所述系统设置装置，设定目标功率与目标频段；

检测所述待测件输入端口参考面输出功率，若所述待测件输入端口参考面输出功率与所述目标功率的误差超出误差允许范围，则基于所述微波矢量网络分析仪产生相应的射频激励及本振激励，基于所述倍频器将所述射频激励转换频率至系统工作频段，并基于所述三端口定向耦合器将所述倍频器的输出信号进行耦合，所述耦合信号基于所述谐波混频器产生所述微波矢量网络分析仪的调整信号，用于调整所述微波矢量网络分析仪的输出信号，进而调整所述待测件输入端口参考面输出功率；若所述待测件输入端口参考面输出功率与所述目标功率的误差在允许范围内则完成校准；

将待测件接入所述三端口定向耦合器及所述功率传感器之间，通过反馈系统微调待测件输入端口参考面输出功率，待所述待测件输入端口参考面输出功率稳定后做精确测量。

优选地，所述系统设置装置内设置有实时闭环校准测试程序集，通过所述实时闭环校准测试程序集实现目标功率与目标频段的设置。

优选地，所述待测件输入端口参考面输出功率与所述目标功率的误差允许范围设定在±0.15dB。

如上所述，本发明的功率校准测试系统及校准测量方法，具有以下有益效果：

本发明的功率校准测试系统及校准测量方法通过实施闭环反馈回路，实现了对待测件输入端口参考面输入功率的实时闭环的监控和调整，可实现任何频段内的功率实时闭环功率校准和电路、器件的精确测量，大大提高了系统的通用型、有效性、一致性及精确性。

附图说明

图1显示为现有技术中的开环系统模式的功率校准系统示意图。

图2显示为现有技术中的半开环系统模式的功率校准系统示意图。

图3显示为本发明的功率校准测试系统示意图。

图4显示为本发明的功率校准测试系统应用于毫米波频段的示意图。

图5显示为本发明的功率校准测试系统应用于W波频段进行测量的示意图。

元件标号说明

0 待测件输入端口参考面

1 系统设置装置

2 功率计

3 微波矢量网络分析仪

4 倍频器

41 毫米波倍频器

42 W波段八次倍频器

5 三端口定向耦合器

51 毫米波三端口定向耦合器

52 W波段三端口定向耦合器

6 谐波混频器

61 毫米波谐波混频器

62 W波段八次谐波混频器

7 功率传感器

71 毫米波功率传感器

72 W波段功率传感器

8 信号源

9 毫米波检波器

10 待测件

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3所示，本发明提供一种功率校准测试系统，所述功率校准测试系统至少包括：系统设置装置1、功率计2、微波矢量网络分析仪3、倍频器4、三端口定向耦合器5、谐波混频器6及功率传感器7。

所述系统设置装置1连接于所述功率计2，在本实施例中，所述系统设置装置1为计算机系统。所述系统设置装置1内设置有实时闭环校准测试程序集，可通过所述实时闭环校准测试程序集来设定所需的目标功率及目标频段。

所述功率计2连接于所述系统设置装置1及所述功率传感器7，结合所述功率传感器对待测件输入端口参考面0的输出功率进行测量；所述待测件输入端口参考面0为所述三端口定向耦合器5的直通端口输出面。

所述微波矢量网络分析仪3连接于所述功率计2，用于产生微波连续波信号，分别作为所述倍频器4的射频激励及所述谐波混频器6的本振激励，所述微波矢量网络分析仪3还接收所述谐波混频器6的反馈信号，并根据所述反馈信号实时调节所述倍频器4的射频激励及所述谐波混频器6的本振激励，进而调整所述待测件输入端口参考面0输出功率在要求范围内。

所述倍频器4连接于所述微波矢量网络分析仪3，用于将所述微波矢量网络分析仪3输出信号的频率转换至系统工作频段。

所述三端口定向耦合器5连接于所述倍频器4，用于实现信号的分离，分别输出耦合信号和原始信号，所述原始信号为所述倍频器4的输出信号。

所述谐波混频器6连接于所述微波矢量网络分析仪3及所述三端口定向耦合器5，用于对所述微波矢量网络分析仪3及所述三端口定向耦合器5输出的所述本振激励及所述耦合信号进行混频，并将混频后的信号反馈至所述微波矢量网络分析仪3。所述谐波混频器6相较于检波器，抗干扰、通用性、动态范围等性能更加优越，可以使得输入到待测件输入端口参考面0的功率可控制在非常高的精度范围内。

所述功率传感器7连接于所述三端口定向耦合器5，用于检测所述三端口定向耦合器5输出的原始信号，所述原始信号为所述倍频器4的输出信号。

所述微波矢量网络分析仪3与所述功率计2通过通用接口总线(General-PurposeInterfaceBus，GPIB)实现级联，所述通用接口总线的转换速率快、兼容性强，能有效提高所述功率校准测试系统的处理速度和兼容性。

所述待测件输入端口参考面0的输出功率可通过功率传感器7、功率计2或频谱分析仪等仪器读出，在本实施例中，所述待测件输入端口参考面0的输出功率通过功率计2直接读取。

实施例一：

本发明的功率校准测试系统可工作在任何频段范围内，只需将各模块选用相应频段即可，在本实施例中，所述工作频段设定为毫米波频段，即频段设置为30GHZ～300GHZ。因此，如图4所示，为了匹配工作频段，所述倍频器4为毫米波倍频器41、所述三端口定向耦合器5为毫米波三端口定向耦合器51、所述谐波混频器6为毫米波谐波混频器61、所述功率传感器7为毫米波功率传感器71，其连接关系与上述功率校准测试系统一致，在此不一一赘述。

上述毫米波功率校准测试系统的工作原理如下：

首先，在所述系统设置装置1内通过所述实时闭环校准测试程序集设定待测件10测试所需校准的目标频率及目标功率；所述微波矢量网络分析仪3根据所述实时闭环校准测试程序集设定的目标频率及目标功率输出两组信号，分别为所述毫米波倍频器41的射频激励及所述毫米波谐波混频器61的本振激励；所述微波矢量网络分析仪3输出的射频激励为微波连续波信号，所述毫米波倍频器41将所述微波连续波信号扩频至毫米波，所述毫米波三端口定向耦合器51的直通端口将所述毫米波倍频器41输出的信号直接输出，同时所述毫米波三端口定向耦合器51将直通端口输出信号部分耦合至所述毫米波三端口定向耦合器51的耦合端口，并将该耦合信号输出给所述毫米波谐波混频器61，所述输出毫米波谐波混频器61将所述耦合信号和所述微波矢量网络分析仪3输出的本振信号进行混频，产生中频信号并反馈至所述微波矢量网络分析仪3，所述中频信号进入所述微波矢量网络分析仪3后可直接被其内部的接收机处理，所述微波矢量网络分析仪3根据所述中频信号调整所述毫米波倍频器41输出的射频激励及所述毫米波谐波混频器61的本振激励，进而调整所述待测件输入端口参考面0的输出频率；所述微波矢量网络分析仪3再通过反馈的中频信号对输出给所述毫米波倍频器41的射频激励进行调整，实现实时闭环功率校准；所述毫米波三端口定向耦合器51的直通端口将所述毫米波倍频器41的输出信号直接输出给所述毫米波功率传感器71，并结合所述功率计2完成所述待测件输入端口参考面0输出功率的测量。这样就构成了实时闭环反馈，实现了实时对待测件输入端口参考面0输入功率激励信号的监控和调整。

所述的新型毫米波实时闭环功率校准测试系统的控制部分，通过GPIB总线将微波矢量网络分析仪3、功率计2互连，通过实时闭环校准测试程序集设定待测件10测试所需校准的目标频率、目标功率，通过校准环节得到所述微波矢量网络分析仪3的射频激励信号的频率与功率、功率计2的频率与功率、毫米波谐波混频器61中频输出信号的频率与功率信息，即通过毫米波功率传感器71实施反馈待测件输入端口参考面0的频率与功率信息，反馈信息进而通过改变所述微波矢量网络分析仪3射频激励信号的频率与功率，最终获得待测件输入端口参考面0的频率与功率的调整，整套系统从校准环节到最终的测试环节都是一个实时闭环系统。

实施例二：

本发明提供一种功率校准测量方法，所述功率校准测量方法至少包括：

首先，搭建上述功率校准测试系统，在所述系统设置装置1内利用所述实时闭环校准测试程序集设定目标功率与目标频段。

在本实施例中，将工作频段设置为W波段，所述W波段的频率为75GHZ～110GHZ，W波段功率校准测试系统的硬件部分连接关系与上述功率校准测试系统基本一致，只是将其中的倍频器4选择为W波段六次倍频器42、三端口定向耦合器5选择为W波段三端口定向耦合器52、谐波混频器6选择为W波段八次谐波混频器62、功率传感器7选择为W波段功率传感器72。

然后，检测所述待测件输入端口参考面0输出功率，若所述待测件输入端口参考面0输出功率与所述目标功率的误差超出误差允许范围，则基于所述微波矢量网络分析仪3产生相应的射频激励及本振激励，基于所述W波段六次倍频器42将所述射频激励转换频率至W波段，并基于所述W波段三端口定向耦合器52将所述W波段六次倍频器42的输出信号进行耦合，所述耦合信号基于所述W波段八次谐波混频器62产生所述微波矢量网络分析仪3的调整信号，用于调整所述微波矢量网络分析仪3的输出信号，进而调整所述待测件输入端口参考面0的输出功率；若所述待测件输入端口参考面0输出功率与所述目标功率的误差在允许范围内则完成校准。

所述待测件输入端口参考面0输出功率与所述目标功率的误差允许范围设定在±0.15dB。

最后，将待测件10接入所述三端口定向耦合器5及所述功率传感器7之间，通过反馈系统微调待测件输入端口参考面0输出功率，待所述待测件输入端口参考面0输出功率稳定后做精确测量。

如图5所示，将待测件10接入所述W波段三端口定向耦合器5及所述W波段功率传感器7之间，所述待测件10可以是电路、器件，在本实施例中，所述待测件10为电路。所述功率校准测试系统通过闭环反馈对所述待测件输入端口参考面0输出功率进行调整，避免温度、湿度、时间、频率等因素对其稳定性的影响，确保对待测件10的增益、输出功率、功率附加效率、以及频谱等相关指标测量的精确性。

在本实施例中，通过微波矢量网络分析仪3为W波段六次倍频器4射频输入端口的激励信号，以及W波段八次谐波混频器62本振输入端口的激励信号。微波矢量网络分析仪3提供的射频激励信号通过W波段六次倍频器42进行频率变换，进而进入W波段三端口定向耦合器52的输入端口，W波段三端口定向耦合器52的直通端口连接W波段功率传感器72与功率计2完成输出信号功率的测量，耦合端口连接W波段八次谐波混频器62的射频输入端口，即将直通端口输出信号部分耦合至耦合端口，W波段八次谐波混频器62中频输出端口输出的中频信号，进入微波矢量网络分析仪3提供输出信号的实时闭环反馈，这样搭建的W波段实时闭环功率校准测试系统就构成了实时闭环反馈，实现了实时对W波段待测件输入端口参考面0输入功率激励信号的监控和调整，最终W波段待测件输入端口参考面10输入功率的实时校准和待测件10(电路、器件)的精确测试。

本发明的功率校准测试系统通过实施闭环反馈回路，实现了对待测件输入端口参考面输入功率的实时闭环的监控和调整，可实现任何频段内的功率实时闭环功率校准和电路、器件的精确测量，大大提高了系统的通用型、有效性、一致性及精确性。

综上所述，本发明提供一种功率校准测试系统，所述功率校准测试系统至少包括：设定目标功率与目标频段的系统设置装置、连接于所述系统设置装置与功率传感器测量输出功率的功率计、连接于所述功率计产生微波信号的微波矢量网络分析仪、连接于所述微波矢量网络分析仪的倍频器、连接于所述倍频器的三端口定向耦合器、连接于所述微波矢量网络分析仪及所述三端口定向耦合器的谐波混频器。本发明通过实施闭环反馈回路，实现了对待测件输入端口参考面输入功率的实时闭环的监控和调整，可实现任何频段内的功率实时闭环功率校准和电路、器件的精确测量，大大提高了系统的通用型、有效性、一致性及精确性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种功率校准测试系统，其特征在于，所述功率校准测试系统至少包括：

系统设置装置、功率计、微波矢量网络分析仪、倍频器、三端口定向耦合器、谐波混频器及功率传感器；

所述系统设置装置连接于所述功率计，用于设定目标功率与目标频段；

所述功率计连接于所述系统设置装置及所述功率传感器，用于测量功率值；

所述微波矢量网络分析仪连接于所述功率计，用于产生微波连续波信号，分别作为所述倍频器的射频激励及所述谐波混频器的本振激励，所述微波矢量网络分析仪还接收所述谐波混频器的反馈信号，并根据所述反馈信号实时调节所述倍频器的射频激励及所述谐波混频器的本振激励，进而调整所述三端口定向耦合器直通端口输出信号；

所述倍频器连接于所述微波矢量网络分析仪，用于将所述微波矢量网络分析仪输出信号的频率转换至系统工作频段；

所述三端口定向耦合器连接于所述倍频器，用于实现信号的分离，分别输出耦合信号和原始信号，所述原始信号为所述倍频器的输出信号；

所述谐波混频器连接于所述微波矢量网络分析仪及所述三端口定向耦合器，用于对所述微波矢量网络分析仪及所述三端口定向耦合器输出的所述本振激励及所述耦合信号进行混频，并将混频后的信号反馈至所述微波矢量网络分析仪；

所述功率传感器连接于所述三端口定向耦合器，用于检测所述三端口定向耦合器直通端口输出的原始信号，所述原始信号为所述倍频器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的功率校准测试系统，其特征在于：所述系统工作频段设定为毫米波频段。

3.根据权利要求2所述的功率校准测试系统，其特征在于：所述倍频器为毫米波倍频器、所述三端口定向耦合器为毫米波三端口定向耦合器、所述谐波混频器为毫米波谐波混频器、所述功率传感器为毫米波功率传感器。

4.根据权利要求1所述的功率校准测试系统，其特征在于：所述微波矢量网络分析仪与所述功率计通过通用接口总线实现级联。

5.根据权利要求1所述的功率校准测试系统，其特征在于：所述三端口定向耦合器的直通端口输出面为待测件输入端口参考面。

6.根据权利要求5所述的功率校准测试系统，其特征在于：所述待测件输入端口参考面的输出功率可通过功率传感器、功率计或频谱分析仪读出。

7.一种功率校准测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任意一项所述的功率校准测试系统，所述功率校准测量方法包括：

基于所述系统设置装置，设定目标功率与目标频段；

检测待测件输入端口参考面输出功率，若所述待测件输入端口参考面输出功率与所述目标功率的误差超出误差允许范围，则基于所述微波矢量网络分析仪产生相应的射频激励及本振激励，基于所述倍频器将所述射频激励转换频率至系统工作频段，并基于所述三端口定向耦合器将所述倍频器的输出信号进行耦合，所述耦合信号基于所述谐波混频器产生所述微波矢量网络分析仪的调整信号，用于调整所述微波矢量网络分析仪的输出信号，进而调整所述待测件输入端口参考面输出功率；若所述待测件输入端口参考面输出功率与所述目标功率的误差在允许范围内则完成校准；

将待测件接入所述三端口定向耦合器及所述功率传感器之间，通过反馈系统微调待测件输入端口参考面输出功率，待所述待测件输入端口参考面输出功率稳定后做精确测量。

8.根据权利要求7所述的功率校准测量方法，其特征在于：所述系统设置装置内设置有实时闭环校准测试程序集，通过所述实时闭环校准测试程序集实现目标功率与目标频段的设置。

9.根据权利要求7所述的功率校准测量方法，其特征在于：所述待测件输入端口参考面输出功率与所述目标功率的误差允许范围设定在±0.15dB。