CN105092973B - 多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法。该方法通过混合模S参数与传统S参数关系的公式推导，在原有多端口矢量网络分析仪测量多端口器件S参数基础上，可以直接得到混合模S参数，无需硬件的更改；该方法还可以对平衡器件的端口阻抗进行变换，方便设计人员观察阻抗变换后的参数值。本发明方法适用于任意端口的平衡参数转换、平衡和单端组合方式的参数转换以及阻抗值的参数转换，便于设计人员测试设计的电路。

Description

多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法

技术领域

本发明涉及一种多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法。

背景技术

目前器件测试向着多端口、高频率的方向发展。采用差分电路设计的通信系统无论在性能指标还是电磁兼容方面都明显比传统的基于单端设计的系统性能优越。近年来，具有差分端口的微波器件越来越多地出现在无线通信系统中。但是，由于目前用来测试微波器件的网络分析仪大多只有基于单端设计的测试通道，只能用于非平衡器件的测试。随着抗干扰性能优良的差分端口(两条信号线互为参考点)平衡器件的大量出现，传统网络分析仪测量方法已经不能满足这些器件测量的需要，加上差分器件的校准标准至今未得到解决，因此无法通过直接测量得到差分器件的混合模散射参数。要想用传统的单端网络分析仪实现平衡器件混合模S参数的测量，必须进行适当的平衡-不平衡转换，这里的平衡器件指四端口差分器件、单端转差分或差分转单端的巴伦及多种形式组合的多端口器件。然而，现有的混合模S参数都是针对三端口或四端口的平衡器件的计算，没有扩展至更多端口；而且，对于阻抗非50欧姆的器件，没有实现不同阻抗的转换。由此可见，现有技术需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法，该方法通过混合模S参数与传统S参数关系的公式推导，在原有多端口矢量网络分析仪测量多端口器件S参数基础上，可以直接得到混合模S参数，无需硬件的更改；该方法还可以对平衡器件的端口阻抗进行变换，方便设计人员观察阻抗变换后的参数值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法，包括如下步骤：

a、构造拓扑结构

定义一个N端口网络，共有n个端口；每个端口的端口电压为V₁、V₂、…V_n，端口电流为I₁、I₂、…I_n；

该N端口网络有p个差分端口和(n-p)个单端端口；

定义差分端口j、k的差分电压为V_djk、差分电流为I_djk、共模电压为V_cjk、共模电流为I_cjk；

将差分端口划分到N端口网络的一端，将单端端口划分到N端口网络的另一端；

b、根据上述拓扑结构，针对平衡端口构建阻抗矩阵：

式(1)中，X_ajk是入射波阻抗矩阵；X_bjk是反射波阻抗矩阵；Z_j、Z_k是端口j、k单端阻抗值；R_j、R_k是端口j、k单端阻抗实部值；Z_djk是平衡端口j、k的差模阻抗值；Z_cjk是平衡端口j、k的共模阻抗值；R_djk是平衡端口j、k的差模阻抗实部值；R_cjk是平衡端口j、k的共模阻抗实部值；

c、获取单端口S参数下，端口i的阻抗值Z_i，平衡端口j、k下差模阻抗为Z_djk，共模阻抗为Z_cjk；

d、根据上述拓扑结构，构造矩阵构造过程使用公式(2)～(8)；

对于整体的混合模S参数，波量表示为：

式(2)中，是混合模下的反射波量、入射波量；w是单端口下的反射波、入射波向量；w_i是单端口下的发射波、入射波的单个分量；b_djk、b_cjk是平衡端口反射波的差模波量、共模波量；a_djk、a_cjk是平衡端口如射波的差模波量、共模波量；b_i、a_i是单端口的反射波量、入射波量；X_a、X_b、Q₁、P₁是中间复杂矩阵的简化表示；

对于混合模S参数，其与入射波、反射波的关系如下：

其中：是混合模S参数；

对于单端口参数：

根据矩阵理论，矩阵Q₁、Q₂满足如下关系：

Z^-1＝Z^T (6)

其中，Z为Q₁或Q₂矩阵；

对于平衡的反射波、入射波：

其中，0为元素全为0的矩阵；

将公式(2)和(5)代入上式(7)得到：

e、使用矢量网络分析仪测量平衡器件，得到器件的全部S参数；

f、由于

所以：

利用上述公式(9)、(10)，计算得到混合模S参数。

本发明具有如下优点：

1、本发明方法适用于任意端口的平衡参数转换，网络仪可以测量多少端口的器件，本发明方法就能完成多少端口的平衡器件测试；

2、本发明方法适用于平衡、单端组合方式的参数转换；

3、本发明方法适用于阻抗值的参数转换，便于设计人员测试设计的电路，目前平衡参数转换，都是按照端口相同的阻抗进行计算的，没有将不同阻抗问题考虑进去；

4、本发明方法是通过软件方面设计实现的，而无需进行硬件方面的更改。

附图说明

图1为针对本发明多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法构建的拓扑结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法，包括如下步骤：

a、构造拓扑结构

构造如图1所示的拓扑结构，一个N端口网络，共有n个端口，每个端口的端口电压为V₁、V₂、…V_n，端口电流为I₁、I₂、…I_n。

此N端口网络有p个差分端口(对差分端口)和(n-p)个单端端口。

差分端口以1、2,3、4，…，p-1、p的形式成对出现，两两差分端口，如端口j、k的差分电压为V_djk、差分电流为I_djk、共模电压为V_cjk、共模电流为I_cjk。

将差分端口划分到网络的左端，将单端端口划分到网络的右端，构成了图1的拓扑结构。

b、根据上述拓扑结构，针对平衡端口构建阻抗矩阵：

式(1)中，X_ajk是入射波阻抗矩阵；X_bjk是反射波阻抗矩阵；Z_j、Z_k是端口j、k单端阻抗值；R_j、R_k是端口j、k单端阻抗实部值；Z_djk是平衡端口j、k的差模阻抗值；Z_cjk是平衡端口j、k的共模阻抗值；R_djk是平衡端口j、k的差模阻抗实部值；R_cjk是平衡端口j、k的共模阻抗实部值；

c、获取单端口S参数下，端口i的阻抗值Z_i，平衡端口j、k下差模阻抗为Z_djk，共模阻抗为Z_cjk；

d、根据上述拓扑结构，构造矩阵

构造过程使用公式(2)～(8)；

对于整体的混合模S参数，波量表示为：

式(2)中，是混合模下的反射波量、入射波量；w是单端口下的反射波、入射波向量；w_i是单端口下的发射波、入射波的单个分量；b_djk、b_cjk是平衡端口反射波的差模波量、共模波量；a_djk、a_cjk是平衡端口如射波的差模波量、共模波量；b_i、a_i是单端口的反射波量、入射波量；X_a、X_b、Q₁、P₁是中间复杂矩阵的简化表示；

对于混合模S参数，其与入射波、反射波的关系如下：

其中：是混合模S参数；

对于单端口参数：

根据矩阵理论，矩阵Q₁、Q₂满足如下关系：

Z^-1＝Z^T (6)

其中，Z为Q₁或Q₂矩阵；

对于平衡的反射波、入射波：

其中，0为元素全为0的矩阵；

将公式(2)和(5)代入上式(7)得到：

e、使用矢量网络分析仪测量平衡器件，得到器件的全部S参数；

f、由于

所以：

利用公式(9)、(10)，计算得到混合模S参数。

本方法通过软件技术，在原有矢量网络分析仪多端口器件测试基础上扩展出平衡器件的测试及平衡参数的阻抗转换方法，方便了平衡器件的设计、测试、验证。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.多端口平衡器件测试及任意阻抗转换方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、构造拓扑结构

定义一个N端口网络，共有n个端口；每个端口的端口电压为V₁、V₂、…V_n，端口电流为I₁、I₂、…I_n；

该N端口网络有p个差分端口和(n-p)个单端端口；

定义差分端口j、k的差分电压为V_djk、差分电流为I_djk、共模电压为V_cjk、共模电流为I_cjk；

将差分端口划分到N端口网络的一端，将单端端口划分到N端口网络的另一端；

b、根据上述拓扑结构，针对平衡端口构建阻抗矩阵：

式(1)中，X_ajk是入射波阻抗矩阵；X_bjk是反射波阻抗矩阵；Z_j、Z_k是端口j、k单端阻抗值；R_j、R_k是端口j、k单端阻抗实部值；Z_djk是平衡端口j、k的差模阻抗值；Z_cjk是平衡端口j、k的共模阻抗值；R_djk是平衡端口j、k的差模阻抗实部值；R_cjk是平衡端口j、k的共模阻抗实部值；

c、获取单端口S参数下，端口i的阻抗值Z_i，平衡端口j、k下差模阻抗为Z_djk，共模阻抗为Z_cjk；

d、根据上述拓扑结构，构造矩阵构造过程使用公式(2)～(8)；

对于整体的混合模S参数，波量表示为：

式(2)中，是混合模下的反射波量、入射波量；w是单端口下的反射波、入射波向量；w_i是单端口下的发射波、入射波的单个分量；b_djk、b_cjk是平衡端口反射波的差模波量、共模波量；a_djk、a_cjk是平衡端口如射波的差模波量、共模波量；b_i、a_i是单端口的反射波量、入射波量；X_a、X_b、Q₁、P₁是中间复杂矩阵的简化表示；

对于混合模S参数，其与入射波、反射波的关系如下：

其中：是混合模S参数；

对于单端口参数：

根据矩阵理论，矩阵Q₁、Q₂满足如下关系：

Z^-1＝Z^T (6)

其中，Z为Q₁或Q₂矩阵；

对于平衡的反射波、入射波：

其中，0为元素全为0的矩阵；

将公式(2)和(5)代入上式(7)得到：

e、使用矢量网络分析仪测量平衡器件，得到器件的全部S参数；

f、由于

所以：

利用上述公式(9)、(10)，计算得到混合模S参数。