CN105471455A - 一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，通过在仪器的信号接收通道温度敏感部位布设温度传感器，获得在环境温度发生变化时通道各部位的实时温度变化情况，同时构建由所述敏感部位所决定的信号接收通道的频率响应补偿模型，通过校准获得校准参数，再利用校准参数和补偿模型根据通道各部位的实时温度对各敏感部位进行频响补偿。本发明的补偿方法能够对仪器的信号接收通道在很宽的温度范围和很宽的频率范围进行精确的实时频率响应补偿，且补偿后的通道频率响应在全温度范围内保持相同量级的平坦度，从而保证仪器在全温度范围内的任何温度都能够提供相同的幅度测量精度，幅度测量精度提升显著。

Description

一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法。

背景技术

高性能宽带信号分析仪器通过补偿技术将常温环境下仪器的信号接收通道的频率响应补偿得十分平坦，从而保证仪器具有很高的幅度测量精度。但是，随着环境温度向高温或低温区域变化，仪器的信号接收通道的频率响应将持续恶化，幅度测量精度将降低，这是由于现有补偿方法通常在常温环境下对仪器进行频率响应补偿，获取基准补偿数据，对环境温度向高温或低温变化，只做简单的方向性修正，而无法精确补偿。

目前，在宽温环境下应用的宽带信号分析仪器主要有两种频率响应补偿方法。

补偿方法一：将仪器的整个工作温度范围分成若干段，在每段温度区间的中值温度为仪器校准一组频率响应补偿值。仪器在宽温环境下工作时，仪器根据环境温度，选择最接近的温度区间补偿值补偿频率响应。

补偿方法二：在仪器的信号接收通道设计一个具有高温度稳定性的校准源。首先，在常温环境下，对仪器进行频率响应的补偿校准，获得基准补偿数据。仪器在宽温环境下工作时，仪器通过校准源获得该频率点处频率响应的变化量，并将该变化量作为仪器在整个工作频段的频率响应修正量对基准补偿数据进行修正，再使用修正后的数据对信号接收通道的频率响应进行补偿。

现有的两种补偿方法都有明显的缺点。

补偿方法一的缺点是：采用该补偿方法的仪器若工作温度范围较小，则选取的校准温度数量有限，还在可接受的范围，但随着工作温度范围的扩大，校准量将不断加大，甚至不可忍受。

更重要的是，补偿后的仪器在工作时，环境温度与选取的校准温度在绝大部分情况下是不相同的，且温度偏移量也是随机的，这就造成仪器的频率响应误差在最大误差和零误差之间不确定，因此，只能用最大误差来评估测量结果的不确定度，幅度测量精度较差。

补偿方法二的缺点是：该补偿方法是一种准实时的校准补偿方法。相较补偿方法一，该方法对于工作频带较小的仪器，在宽温条件下的频率响应补偿效果提升明显，但当仪器的工作频带继续扩大，则远离校准源频率的频段处的频率响应补偿效果将不再理想，且恶化的量值是不确定的。

而且，该补偿方法对信号接收通道自身的频率响应平坦度设计要求很高，因此，仪器从设计到生产都需要增加不小的成本代价。

再者，高温度稳定性的校准源成本也很高。

此外，当环境温度发生变化时，采用该补偿方法的仪器需要中断当前的测试，启动实时校准流程，从而对当前测试造成干扰，在某些测试应用中，这种情况是不可接受的。

发明内容

高性能宽带信号分析仪器的信号接收通道的频率响应是决定仪器幅度测量精度的关键因素之一。本发明提出一种新的频率响应补偿方法，解决仪器在高温极限和低温极限环境下，仪器的频率响应恶化，幅度测量精度降低的问题，能够使仪器在整个宽温环境下，始终保持常温环境下的频率响应和幅度测量精度，并能够极大减小仪器的开机预热时间，提高仪器测试性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，通过在仪器的信号接收通道温度敏感部位布设温度传感器，获得在环境温度发生变化时通道各部位的实时温度变化情况，同时构建由所述敏感部位所决定的信号接收通道的频率响应补偿模型，通过校准获得校准参数，再利用校准参数和补偿模型根据通道各部位的实时温度对各敏感部位进行频响补偿。

上述宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，实施步骤如下：

(A1)构建信号接收通道的二维补偿模型；

(A2)通过模拟仪器的工作环境，校准获得所述补偿模型的所有补偿参数，并将补偿参数存储在仪器的存储器中；

(A3)调用补偿参数，利用补偿模型计算当前的补偿值，并完成通道的频率响应补偿。

可选地，仪器的工作温度范围为[T_lim-，T_lim+]，工作频带范围为[F_start，F_stop]信号接收通道由一个或数个滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器构成，共n个元件；

所述步骤(A1)具体包括：

(A101)构建信号接收通道的频率响应补偿基本模型：滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器的增益是频率和温度的函数，分别为G₁(f，T)、G₂(f，T)、…、G_n(f，T)，通道的增益函数为：

G(f，T)＝G₁(f，T)×G₂(f，T)×…×G_n(f，T)(公式1)

对公式1取反，得到信号接收通道频率响应的补偿值函数：

P(f，T)＝P₁(f，T)×P₂(f，T)×…×P_n(f，T)(公式2)

式中，P₁(f，T)、P₂(f，T)、…、P_n(f，T)分别是信号接收通道各元件的补偿值函数，P_n(f，T)＝-G_n(f，T)；

(A102)沿信号接收通道均匀的布设一组温度传感器，将仪器分别置于常温、低温极限和高温极限环境中，并使仪器处于正常测试状态，在这样的状态下，获取各个温度传感器的温度变化情况及温度变化速率，根据温度数据将温度变化一致的区域划分为一个温度分区；

(A103)确定校准补偿参数，构建实施的二维补偿模型：

同一分区的元件作为一个整体元件看待，它们的频率响应补偿值模型函数合并成一个函数，共有i个分区，则补偿值函数为：

P(f，T)＝P_a1(f，T)×P_a2(f，T)×…×P_ai(f，T)(公式3)

信号接收通道在第m个频率点处，频率响应的补偿值函数描述为：

$P\left(f_m,T_0+\mathrm{\Δ}T\right)=P\left(f_m,T_0\right)+\underset{n=1}{\overset{i}{\Σ}}\left(k_{mn}\×{\mathrm{\ΔT}}_n\right)$ (公式4)

式中，f_m为第m个频率点的频率，

T₀为选定的一个基准温度，

ΔT为环境温度的变化量，

ΔT_n为各分区元件的温度变化量，

k_mn为第m个频率点、第n个分区元件的补偿值变化率，

P(f_m，T₀+ΔT)为信号接收通道在频率f_m、温度T₀+ΔT的频率响应补偿值。

信号接收通道在全温度范围、全频段的补偿值函数用矩阵描述：

(公式5)

式中，等号右侧矩阵依次为参考补偿值矩阵P_ref、补偿值变化率矩阵K、温度变化矩阵ΔT_n。

可选地，所述步骤(A2)具体包括：

(A201)获取补偿值变化率矩阵K：

取温度步进ΔT能被T_lim+与T_lim-的差值整除；设置温度试验箱分别运行在T_lim--ΔT，T_lim-，T_lim-+ΔT，…，T_lim+-ΔT，T_lim+，T_lim++ΔTn个试验温度；在每个温度，待仪器充分预热后，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个补偿频率点，获得一个n×m的频响补偿值矩阵：

(公式6)

矩阵中，P_nm表示在第n个温度、第m个频率点的频响补偿值；

令矩阵第n行减去第n-1行，计算得到各补偿频率点在温度范围[T_lim--ΔT，T_lim++ΔT]内，温度变化ΔT时的频响补偿值增量矩阵，矩阵大小(n-1)×m：

(公式7)

矩阵中，ΔP_nm＝P_nm-P_(n-1)m，为第m个频率点在第n个温度的频响补偿值相较第n-1个温度的频响补偿值增量；

计算每个频率点在线性温度区间的频响补偿值增量平均值，对于第m个频率点，频响补偿值增量平均值为：

(公式8)

计算每个频率点在各试验温度的频响补偿值增量相较平均值的偏差，对于第m个频率点，第n个温度的偏差为：

(公式9)

在靠近温度T_lim--ΔT端，若ΔP_{offset-(n-1)m}≥10％且ΔP_offset-nm＜10％，则第n-1个温度为该频响补偿频率点的低温拐点A温度T_A-m；在靠近温度T_lim++ΔT端，若ΔP_{offset-(n-1)m}＜10％且ΔP_offset-nm≥10％，则第n-1个温度为该校准补偿频率点的高温拐点B温度T_B-m；

依据上述判据，获取所有频响补偿频率点的低温拐点A温度T_A-1，T_A-2，…，T_A-m，取它们中的最大值作为仪器在整个工作频段的低温拐点A温度T_A，即

T_A＝max（T_A-1，T_A-2，…，T_A-m)(公式10)

依据上述判据，获取所有频响补偿频率点的高温拐点B温度T_B-1，T_B-2，…，T_B-m，取它们中的最小值作为仪器在整个工作频段的高温拐点B温度T_B，即

T_B＝min(T_B-1，T_B-2，…，T_B-m)(公式11)

使用T_A、T_B将仪器的工作温度范围划分成3个工作温度区域：[T_lim-，T_A]为低温压缩区，[T_A，T_B]为线性工作温度区，[T_B，T_lim+]为高温压缩区；

(A202)获取参考补偿值矩阵P_ref和温度变化矩阵ΔT_n：

参考补偿值P_ref是一个绝对补偿量，将仪器置于温度箱内，设置温度试验箱分别运行在拐点温度T_A和T_B，在每个温度，待仪器充分预热后，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个校准补偿频率点，分别获得环境温度为T_A和T_B时的参考频响补偿值矩阵：

$P_{T_A}=\[P_{T_{A}1},P_{T_{A}2},\mathrm{...},P_{T_{A}m}\]$ (公式15)

矩阵中，表示当环境温度为T_A时，第m个频率点的参考频响补偿值；

$P_{T_B}=\[P_{T_{B}1},P_{T_{B}2},\mathrm{...},P_{T_{B}m}\]$ (公式16)

矩阵中，表示当环境温度为T_B时，第m个频率点的参考频响补偿值；

同时，通过温度传感器记录环境温度分别为T_A和T_B时i个元件的温度：

${\mathrm{Array}}_{T_A}=\[T_{T_{A}1},T_{T_{A}2},\mathrm{...},T_{T_{A}i}\]$ (公式17)

矩阵中，表示在环境温度为T_A时，第i个元件的温度；

${\mathrm{Array}}_{T_B}=\[T_{T_{B}1},T_{T_{B}2},\mathrm{...},T_{T_{B}i}\]$ (公式18)

矩阵中，表示在环境温度为T_B时，第i个元件的温度；

将参考补偿值矩阵P_ref、补偿值变化率矩阵K、温度矩阵和存储在仪器存储器中；

仪器工作时，用温度传感器测得的各元件当前温度减去或即获得温度变化矩阵ΔT_n。

可选地，所述步骤(A201)中：

若T_A＝T_lim-，则低温压缩区将不存在；

若T_B＝T_lim+，则高温压缩区将不存在。

可选地，在温度试验箱运行期间，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个频响补偿频率点；

频响补偿共进行i轮，为每个频响补偿频率点获取i组相互独立的计算参数；每组参数包括：在该频率点信号接收通道的频率响应补偿值，获得该补偿值时各元件的温度矩阵；

设在第i轮频响补偿，在第m个频响补偿频率点，获得仪器的频响补偿值为P_im，元件的温度矩阵为[T_im1，T_im2，…，T_imi]，其中T_imi表示第i个元件的温度；在第i-1轮频响补偿，在第m个频响补偿频率点，获得仪器的频响补偿值为P_(i-1）m，温度矩阵为[T_(i-1)m1，T_(i-1)m2，…，T_(i-1)mi]，其中T_(i-1)mi表示第i个元件的温度；以第i-1轮的参数为参考，令元件的频响补偿值变化率分别为k_m1，k_m2，…，k_mi，则将参数代入公式4，得

$P_{im}=P_{\left(i-1\right)m}+\underset{n=1}{\overset{i}{\Σ}}{k}_{mn}\left(T_{imn}-T_{\left(i-1\right)mn}\right)$ (公式12)

将获得的全部i轮参数互为参考，代入公式4，得到一个由i-1个方程组成的线性方程组：

(公式13)

求解该方程组，得到在第m个频响补偿频率点，全部i个元件的单位变化温度的频响补偿值变化率(k_m1，k_m2，…，k_mi)；

在其他频响补偿频率点，求解全部i个元件的单位变化温度的频响补偿值变化率，构成仪器在整个工作频段上，i个元件的单位变化温度的频响补偿值变化率矩阵：

(公式14)

矩阵中，k_mi表示第i个元件在第m个频率点的频响补偿值变化率；

同理，在其他工作温度区获取频响补偿值变化率矩阵。

可选地，所述步骤A3具体包括：

仪器工作时，在每一次测试启动前，仪器都首先通过温度传感器获取环境温度及各元件的温度，再计算得到当前温度相对于参考温度的温度变化矩阵ΔT_n；

随后，仪器调用存储器中的补偿参数参考补偿值矩阵P_ref和补偿值变化率矩阵K，代入公式5计算出当前测试频段的实时频率响应补偿值；

启动测试，使用实时补偿值直接在后台修正测试数据，获得高精度的测试结果。

本发明的有益效果是：

(1)能够对仪器的信号接收通道在很宽的温度范围和很宽的频率范围进行精确的实时频率响应补偿，且补偿后的通道频率响应在全温度范围内保持相同量级的平坦度，从而保证仪器在全温度范围内的任何温度都能够提供相同的幅度测量精度，幅度测量精度提升显著。

(2)该补偿方法的补偿参数是在仪器出厂前即校准完成并存储在仪器中，仪器工作时，补偿过程调用这些参数在后台完成频率响应补偿，不会对当前测试造成干扰，极大提高了仪器的测试效能。

(3)由于该补偿方法对温度的实时响应，还极大地减小了仪器开机预热的时间，提高了测试效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的在于提供一种在宽温条件下高性能宽带信号分析仪器信号接收通道频率响应的补偿方法。该方法是基于信号接收通道的增益相对于频率和温度的二维补偿数学模型，以及信号接收通道的温区分布，能够实现对宽带仪器的频率响应的实时精确补偿，且补偿参数的校准过程是在仪器出厂前完成，仪器在测试过程中，频率响应的补偿值是通过算法和补偿参数实时计算获得并在后台完成频率响应补偿，因此，测试过程不会被中断；且由于该补偿方法是一种全温度范围实时补偿方法，因此，仪器的开机预热时间大大减小，仪器的频率响应在全温度范围都很平坦，幅度测试精度很高，仪器对恶劣环境条件的适应性极大提高。

本发明补偿方法的基本原理是：通过在仪器的信号接收通道温度敏感部位布设温度传感器，获得在环境温度发生变化时通道各部位的实时温度变化情况，同时构建由这些敏感部位所决定的信号接收通道的频率响应补偿模型，通过校准获得一系列校准参数，再利用这些参数和补偿模型根据通道各部位的实时温度对各敏感部位进行频响补偿，从而实现对仪器信号接收通道的实时精确补偿。

本发明实现对仪器频率响应补偿参数的获取并实现对仪器在全温度范围内的实时精确频率响应补偿，实施步骤如下：

(A1)构建信号接收通道的二维补偿数学模型。高性能宽带信号分析仪器的信号接收通道通常是由一个或数个滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器等基本元件级联构成，由线性系统理论可知，这些基本元件随频率和温度的增益变化特性的线性叠加即构成信号接收通道的增益特性，该增益特性的反函数即为信号接收通道的二维补偿数学模型。该模型可由若干个参数构成的函数精确描述。

(A2)获取校准补偿参数。通过模拟一系列仪器的工作环境，校准获得上述补偿模型的所有参数，并将这些参数存储在仪器的存储器中。

(A3)调用补偿参数，实时补偿信号接收通道的频率响应。仪器工作时，根据环境温度、补偿模型确定的敏感部位的温度调用校准获得的补偿参数，利用补偿模型函数计算当前的补偿值，并在后台完成通道的频率响应补偿。

下面以仪器的工作温度范围为[T_lim-，T_lim+]，工作频带范围为[F_start，F_stop]为例详述该补偿方法的实施步骤。为叙述方便，假定高性能宽带信号分析仪器的信号接收通道由一个或数个滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器等基本元件构成，这些元件共n个。

如上面实施步骤A1所述，其具体处理步骤：

(A101)构建信号接收通道的频率响应补偿基本模型。滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器等基本元件的增益都是频率和温度的函数，且这些函数都可以用有限的几个参数线性描述。令它们的增益函数分别为G₁(f，T)、G₂(f，T)、…、G_n(f，T)，则由线性系统理论可得，通道的增益函数：

G(f，T)＝G₁(f，T)×G₂(f，T)×…×G_n(f，T)(公式1)

对公式1取反，得到信号接收通道频率响应的补偿值函数：

P(f，T)＝P₁(f，T)×P₂(f，T)×…×P_n(f，T)(公式2)

式中，P₁(f，T)、P₂(f，T)、…、P_n(f，T)分别是信号接收通道各元件的补偿值函数，P_n(f，T)＝-G_n(f，T)。

我公司已经建立了滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器等基本元件的宽温频率响应补偿值模型函数库，因此从库中调用这些模型函数可构建通道的总补偿值函数。

(A102)由于通常n的数值较大，因此需要校准的参数也会较多，不利于工程实现。为此，利用信号接收通道温度分区技术，优化上述函数，减少校准参数。信号接收通道温度分区的具体实施方法为：沿信号接收通道均匀的布设一组温度传感器，将仪器分别置于常温、低温极限和高温极限环境中，并使仪器处于正常测试状态。在这样的状态下，获取各个温度传感器的温度变化情况及温度变化速率。根据这些温度数据将温度变化一致的区域划分为一个温度分区。

(A103)确定校准补偿参数，构建可实施的二维补偿模型。同一分区的基本元件将可作为一个整体元件看待，它们的频率响应补偿值模型函数可以合并成一个函数，函数的参数将大幅减少，通常一个信号接收通道设计的分区数量小于5，对于优秀的通道设计，分区数量甚至可以减小到1。于是，信号接收通道频率响应的补偿值函数可以进一步化简，假设共有i个分区，i远小于n，则补偿值函数改写为：

P(f，T)＝P_a1(f，T)×P_a2(f，T)×…×P_ai(f，T)(公式3)

由于，信号接收通道基本元件的补偿值模型函数在温度域可以用有限的几个参数线性描述，在频率域可以通过有限频率点离散描述，令频率点数量为m，因此，信号接收通道在第m个频率点处，频率响应的补偿值函数可描述为：

$P\left(f_m,T_0+\mathrm{\Δ}T\right)=P\left(f_m,T_0\right)+\underset{n=1}{\overset{i}{\Σ}}\left(k_{mn}\×{\mathrm{\ΔT}}_n\right)$ (公式4)

式中，f_m为第m个频率点的频率，

T₀为选定的一个基准温度，

ΔT为环境温度的变化量，

ΔT_n为各分区元件的温度变化量，

k_mn为第m个频率点、第n个分区元件的补偿值变化率，

P(f_m，T₀+ΔT)为信号接收通道在频率f_m、温度T₀+ΔT的频率响应补偿值。

于是，信号接收通道在全温度范围、全频段的补偿值函数可用矩阵描述：

(公式5)

式中，等号右侧矩阵依次为参考补偿值矩阵P_ref、补偿值变化率矩阵K、温度变化矩阵ΔT_n，它们即为需要的校准补偿参数。

显然，只要能够获取这三个校准补偿参数，就可实现在全温度范围、全频带对信号接收通道频率响应的精确补偿。公式5即为频率响应的二维补偿数学模型。

如上面实施步骤A2所述，其具体处理步骤：

(A201)获取补偿值变化率矩阵K。补偿值变化率矩阵K中的各元素在一定温度段内是一常数，因此首先获取仪器工作温度范围内的拐点温度。

取温度步进ΔT能被T_lim+与T_lim-的差值整除。设置温度试验箱分别运行在T_lim--ΔT，T_lim-，T_lim-+ΔT，…，T_lim+-ΔT，T_lim+，T_lim++ΔT等n个试验温度。在每个温度，待仪器充分预热后，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个补偿频率点，则可以获得一个n×m的频响补偿值矩阵：

(公式6)

矩阵中，P_nm表示在第n个温度、第m个频率点的频响补偿值。

令矩阵第n行减去第n-1行，计算得到各补偿频率点在温度范围[T_lim--ΔT，T_lim++ΔT]内，温度变化ΔT时的频响补偿值增量矩阵，矩阵大小(n-1)×m：

(公式7)

矩阵中，ΔP_nm＝P_nm-P_(n-1)m，即第m个频率点在第n个温度的频响补偿值相较第n-1个温度的频响补偿值增量。

计算每个频率点在线性温度区间的频响补偿值增量平均值。对于第m个频率点，频响补偿值增量平均值为：

(公式8)

计算每个频率点在各试验温度的频响补偿值增量相较平均值的偏差。对于第m个频率点，第n个温度的偏差为：

(公式9)

在靠近温度T_lim--ΔT端，若ΔP_{offset-(n-1)m}≥10％且ΔP_offset-nm＜10％，则第n-1个温度为该频响补偿频率点的低温拐点A温度T_A-m；在靠近温度T_lim++ΔT端，若ΔP_{offset-(n-1)m}＜10％且ΔP_offset-nm≥10％，则第n-1个温度为该校准补偿频率点的高温拐点B温度T_B-m。

依据上述判据，获取所有频响补偿频率点的低温拐点A温度T_A-1，T_A-2，…，T_A-m，取它们中的最大值作为仪器在整个工作频段的低温拐点A温度T_A，即

T_A＝max(T_A-1，T_A-2，…，T_A-m)(公式10)

依据上述判据，获取所有频响补偿频率点的高温拐点B温度T_B-1，T_B-2，…，T_B-m，取它们中的最小值作为仪器在整个工作频段的高温拐点B温度T_B，即

T_B＝min(T_B-1，T_B-2，…，T_B-m)(公式11)

使用T_A、T_B将仪器的工作温度范围划分成3个工作温度区域：[T_lim-，T_A]为低温压缩区，[T_A，T_B]为线性工作温度区，[T_B，T_lim+]为高温压缩区。若T_A＝T_lim-，则低温压缩区将不存在；若T_B＝T_lim+，则高温压缩区将不存在。在各工作温度区域，补偿值变化率矩阵K中的各元素为常数。

以线性工作温度区[T_A，T_B]为例说明矩阵K的获取方法。将仪器置于温度箱内，温度箱按一定速率循环升温降温，温度变化速率1～10℃/min。在温度试验箱运行期间，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个频响补偿频率点。频响补偿共进行i轮，为每个频响补偿频率点获取i组相互独立的计算参数。每组参数包括：在该频率点信号接收通道的频率响应补偿值，获得该补偿值时各元件的温度矩阵。

设在第i轮频响补偿，在第m个频响补偿频率点，获得仪器的频响补偿值为P_im，元件的温度矩阵为[T_im1，T_im2，…，T_imi]，其中T_imi表示第i个元件的温度；在第i-1轮频响补偿，在第m个频响补偿频率点，获得仪器的频响补偿值为P_(i-1)m，关键元件的温度矩阵为[T_(i-1)m1，T_(i-1)m2，…，T_(i-1)mi]，其中T_(i-1)mi表示第i个元件的温度。以第i-1轮的参数为参考，令元件的频响补偿值变化率分别为k_m1，k_m2，…，k_mi，则将参数代入公式4，得

$P_{im}=P_{\left(i-1\right)m}+\underset{n=1}{\overset{i}{\Σ}}{k}_{mn}\left(T_{imn}-T_{\left(i-1\right)mn}\right)$ (公式12)

将获得的全部i轮参数互为参考，代入公式4，得到一个由i-1个方程组成的线性方程组：

(公式13)

求解该方程组，得到在第m个频响补偿频率点，全部i个关键元件的单位变化温度的频响补偿值变化率(k_m1，k_m2，…，k_mi)。

在其他频响补偿频率点，求解全部i个关键元件的单位变化温度的频响补偿值变化率，构成仪器在整个工作频段上，i个关键元件的单位变化温度的频响补偿值变化率矩阵：

(公式14)

矩阵中，k_mi表示第i个元件在第m个频率点的频响补偿值变化率。

采用相同的方法，在其他工作温度区获取频响补偿值变化率矩阵。

(A202)获取参考补偿值矩阵P_ref和温度变化矩阵ΔT_n。参考补偿值P_ref是一个绝对补偿量。将仪器置于温度箱内，设置温度试验箱分别运行在拐点温度T_A和T_B。在每个温度，待仪器充分预热后，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个校准补偿频率点，则可以分别获得环境温度为T_A和T_B时的参考频响补偿值矩阵：

$P_{T_A}=\[P_{T_{A}1},P_{T_{A}2},\mathrm{...},P_{T_{A}m}\]$ (公式15)

矩阵中，表示当环境温度为T_A时，第m个频率点的参考频响补偿值；

$P_{T_B}=\[P_{T_{B}1},P_{T_{B}2},\mathrm{...},P_{T_{B}m}\]$ (公式16)

矩阵中，表示当环境温度为T_B时，第m个频率点的参考频响补偿值。

同时，还需要通过温度传感器记录环境温度分别为T_A和T_B时i个元件的温度：

${\mathrm{Array}}_{T_A}=\[T_{T_{A}1},T_{T_{A}2},\mathrm{...},T_{T_{A}i}\]$ (公式17)

矩阵中，表示在环境温度为T_A时，第i个元件的温度；

${\mathrm{Array}}_{T_B}=\[T_{T_{B}1},T_{T_{B}2},\mathrm{...},T_{T_{B}i}\]$ (公式18)

矩阵中，表示在环境温度为T_B时，第i个元件的温度。

将参考补偿值矩阵P_ref、补偿值变化率矩阵K、温度矩阵和存储在仪器存储器中。

仪器工作时，用温度传感器测得的各元件当前温度减去或即获得温度变化矩阵ΔT_n。

如上面实施步骤A3所述，其具体处理步骤：

(A301)仪器工作时，在每一次测试启动前，仪器都首先通过温度传感器获取环境温度及各元件的温度，再计算得到当前温度相对于参考温度的温度变化矩阵ΔT_n，随后，仪器调用存储器中的补偿参数参考补偿值矩阵P_ref和补偿值变化率矩阵K，代入公式5计算出当前测试频段的实时频率响应补偿值。启动测试，使用实时补偿值直接在后台修正测试数据，获得高精度的测试结果。测试过程和频率响应补偿过程同时完成。测试前的计算过程仅耗时微秒量级，因此不影响测试速度。

本发明的补偿方法能够对仪器的信号接收通道在很宽的温度范围和很宽的频率范围进行精确的实时频率响应补偿，且补偿后的通道频率响应在全温度范围内保持相同量级的平坦度，从而保证仪器在全温度范围内的任何温度都能够提供相同的幅度测量精度，幅度测量精度提升显著。

此外，该补偿方法的补偿参数是在仪器出厂前即校准完成并存储在仪器中，仪器工作时，补偿过程调用这些参数在后台完成频率响应补偿，不会对当前测试造成干扰，极大提高了仪器的测试效能。

而且，由于该补偿方法对温度的实时响应，还极大地减小了仪器开机预热的时间，提高了测试效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，

通过在仪器的信号接收通道温度敏感部位布设温度传感器，获得在环境温度发生变化时通道各部位的实时温度变化情况，同时构建由所述敏感部位所决定的信号接收通道的频率响应补偿模型，通过校准获得校准参数，再利用校准参数和补偿模型根据通道各部位的实时温度对各敏感部位进行频响补偿。

2.如权利要求1所述的宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，实施步骤如下：

(A1)构建信号接收通道的二维补偿模型；

(A2)通过模拟仪器的工作环境，校准获得所述补偿模型的所有补偿参数，并将补偿参数存储在仪器的存储器中；

(A3)调用补偿参数，利用补偿模型计算当前的补偿值，并完成通道的频率响应补偿。

3.如权利要求2所述的宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，仪器的工作温度范围为[T_lim-，T_lim+]，工作频带范围为[F_start，F_stop]信号接收通道由一个或数个滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器构成，共n个元件；

所述步骤(A1)具体包括：

(A101)构建信号接收通道的频率响应补偿基本模型：滤波器、射频开关、放大器、衰减器、混频器的增益是频率和温度的函数，分别为G₁(f，T)、G₂(f，T)、…、G_n(f，T)，通道的增益函数为：

G(f，T)＝G₁(f，T)×G₂(f，T)×…×G_n(f，T)(公式1)

对公式1取反，得到信号接收通道频率响应的补偿值函数：

P(f，T)＝P₁(f，T)×P₂(f，T)×…×P_n(f，T)(公式2)

式中，P₁(f，T)、P₂(f，T)、…、P_n(f，T)分别是信号接收通道各元件的补偿值函数，P_n(f，T)＝-G_n(f，T)；

(A102)沿信号接收通道均匀的布设一组温度传感器，将仪器分别置于常温、低温极限和高温极限环境中，并使仪器处于正常测试状态，在这样的状态下，获取各个温度传感器的温度变化情况及温度变化速率，根据温度数据将温度变化一致的区域划分为一个温度分区；

(A103)确定校准补偿参数，构建实施的二维补偿模型：

同一分区的元件作为一个整体元件看待，它们的频率响应补偿值模型函数合并成一个函数，共有i个分区，则补偿值函数为：

P(f，T)＝P_a1(f，T)×P_a2(f，T)×…×P_ai(f，T)(公式3)

信号接收通道在第m个频率点处，频率响应的补偿值函数描述为：

$P(f_m,T_0+\mathrm{\Δ}T)=P(f_m,T_0)+\underset{n=1}{\overset{i}{\Σ}}(k_{mn}\×{\mathrm{\ΔT}}_n)$ (公式4)

式中，f_m为第m个频率点的频率，

T₀为选定的一个基准温度，

ΔT为环境温度的变化量，

ΔT_n为各分区元件的温度变化量，

k_mn为第m个频率点、第n个分区元件的补偿值变化率，

P(f_m，T₀+ΔT)为信号接收通道在频率f_m、温度T₀+ΔT的频率响应补偿值。

信号接收通道在全温度范围、全频段的补偿值函数用矩阵描述：

(公式5)

式中，等号右侧矩阵依次为参考补偿值矩阵P_ref、补偿值变化率矩阵K、温度变化矩阵ΔT_n。

4.如权利要求2所述的宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，

所述步骤(A2)具体包括：

(A201)获取补偿值变化率矩阵K：

取温度步进ΔT能被T_lim+与T_lim-的差值整除；设置温度试验箱分别运行在T_lim--ΔT，T_lim-，T_lim-+ΔT，…，T_lim+-ΔT，T_lim+，T_lim++ΔTn个试验温度；在每个温度，待仪器充分预热后，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个补偿频率点，获得一个n×m的频响补偿值矩阵：

(公式6)

矩阵中，P_nm表示在第n个温度、第m个频率点的频响补偿值；

令矩阵第n行减去第n-1行，计算得到各补偿频率点在温度范围[T_lim--ΔT，T_lim++ΔT]内，温度变化ΔT时的频响补偿值增量矩阵，矩阵大小(n-1)×m：

(公式7)

矩阵中，ΔP_nm＝P_nm-P_(n-1)m，为第m个频率点在第n个温度的频响补偿值相较第n-1个温度的频响补偿值增量；

计算每个频率点在线性温度区间的频响补偿值增量平均值，对于第m个频率点，频响补偿值增量平均值为：

(公式8)

计算每个频率点在各试验温度的频响补偿值增量相较平均值的偏差，对于第m个频率点，第n个温度的偏差为：

${\mathrm{\ΔP}}_{offset-nm}=\left|\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{nm}-{\mathrm{\ΔP}}_{ave-m}}{{\mathrm{\ΔP}}_{ave-m}}\right|$ (公式9)

在靠近温度T_lim--ΔT端，若ΔP_{offset-(n-1)m}≥10％且ΔP_offset-nm＜10％，则第n-1个温度为该频响补偿频率点的低温拐点A温度T_A-m；在靠近温度T_lim++ΔT端，若ΔP_{offset-(n-1)m}＜10％且ΔP_offset-nm≥10％，则第n-1个温度为该校准补偿频率点的高温拐点B温度T_B-m；

依据上述判据，获取所有频响补偿频率点的低温拐点A温度T_A-1，T_A-2，…，T_A-m，取它们中的最大值作为仪器在整个工作频段的低温拐点A温度T_A，即

T_A＝max(T_A-1，T_A-2，…，T_A-m)(公式10)

依据上述判据，获取所有频响补偿频率点的高温拐点B温度T_B-1，T_B-2，…，T_B-m，取它们中的最小值作为仪器在整个工作频段的高温拐点B温度T_B，即

T_B＝min(T_B-1，T_B-2，…，T_B-m)(公式11)

使用T_A、T_B将仪器的工作温度范围划分成3个工作温度区域：[T_lim-，T_A]为低温压缩区，[T_A，T_B]为线性工作温度区，[T_B，T_lim+]为高温压缩区；

(A202)获取参考补偿值矩阵P_ref和温度变化矩阵ΔT_n：

参考补偿值P_ref是一个绝对补偿量，将仪器置于温度箱内，设置温度试验箱分别运行在拐点温度T_A和T_B，在每个温度，待仪器充分预热后，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个校准补偿频率点，分别获得环境温度为T_A和T_B时的参考频响补偿值矩阵：

$P_{T_A}=\[P_{T_{A}1},P_{T_{A}2},...,P_{T_{A}m}\]$ (公式15)

矩阵中，表示当环境温度为T_A时，第m个频率点的参考频响补偿值；

$P_{T_B}=\[P_{T_{B}1},P_{T_{B}2},...,P_{T_{B}m}\]$ (公式16)

矩阵中，表示当环境温度为T_B时，第m个频率点的参考频响补偿值；

同时，通过温度传感器记录环境温度分别为T_A和T_B时i个元件的温度：

${\mathrm{Array}}_{T_A}=\[T_{T_{A}1},T_{T_{A}2},...,T_{T_{A}i}\]$ (公式17)

矩阵中，表示在环境温度为T_A时，第i个元件的温度；

${\mathrm{Array}}_{T_B}=\[T_{T_{B}1},T_{T_{B}2},...,T_{T_{B}i}\]$ (公式18)

矩阵中，表示在环境温度为T_B时，第i个元件的温度；

将参考补偿值矩阵P_ref、补偿值变化率矩阵K、温度矩阵和存储在仪器存储器中；

仪器工作时，用温度传感器测得的各元件当前温度减去或即获得温度变化矩阵ΔT_n。

5.如权利要求4所述的宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，所述步骤(A201)中：

若T_A＝T_lim-，则低温压缩区将不存在；

若T_B＝T_lim+，则高温压缩区将不存在。

6.如权利要求5所述的宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，

在温度试验箱运行期间，对仪器按频率步进Δf进行全频段频响补偿，共有m个频响补偿频率点；

频响补偿共进行i轮，为每个频响补偿频率点获取i组相互独立的计算参数；每组参数包括：在该频率点信号接收通道的频率响应补偿值，获得该补偿值时各元件的温度矩阵；

设在第i轮频响补偿，在第m个频响补偿频率点，获得仪器的频响补偿值为P_im，元件的温度矩阵为[T_im1，T_im2，…，T_imi]，其中T_imi表示第i个元件的温度；在第i-1轮频响补偿，在第m个频响补偿频率点，获得仪器的频响补偿值为P_(i-1)m，温度矩阵为[T_(i-1)m1，T_(i-1)m2，…，T_(i-1)mi]，其中T_(i-1)mi表示第i个元件的温度；以第i-1轮的参数为参考，令元件的频响补偿值变化率分别为k_m1，k_m2，…，k_mi，则将参数代入公式4，得

$P_{im}=P_{(i-1)m}+\underset{n=1}{\overset{i}{\Σ}}{k}_{mn}(T_{imn}-T_{(i-1)mn})$ (公式12)

将获得的全部i轮参数互为参考，代入公式4，得到一个由i-1个方程组成的线性方程组：

(公式13)

求解该方程组，得到在第m个频响补偿频率点，全部i个元件的单位变化温度的频响补偿值变化率(k_m1，k_m2，…，k_mi)；

在其他频响补偿频率点，求解全部i个元件的单位变化温度的频响补偿值变化率，构成仪器在整个工作频段上，i个元件的单位变化温度的频响补偿值变化率矩阵：

(公式14)

矩阵中，k_mi表示第i个元件在第m个频率点的频响补偿值变化率；

同理，在其他工作温度区获取频响补偿值变化率矩阵。

7.如权利要求2所述的宽温条件下信号接收通道频率响应的补偿方法，其特征在于，所述步骤A3具体包括：

仪器工作时，在每一次测试启动前，仪器都首先通过温度传感器获取环境温度及各元件的温度，再计算得到当前温度相对于参考温度的温度变化矩阵ΔT_n；

随后，仪器调用存储器中的补偿参数参考补偿值矩阵P_ref和补偿值变化率矩阵K，代入公式5计算出当前测试频段的实时频率响应补偿值；

启动测试，使用实时补偿值直接在后台修正测试数据，获得高精度的测试结果。