CN105681127B - 用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法，其中包括数个与多端口射频元件的待测端口一一对应的测试模块，各个测试模块包括信号源、切换开关和端口测试子模块，切换开关用以选择端口的工作模式为发射源信号模式或接收信号源模式；控制模块，用以控制在测量过程中各个切换开关的工作模式切换以及获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标。采用该种结构的用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法，实现改善多端口元件测量的各项关键指标、特别是扫描速度指标、大幅度降低测试成本、满足生产线对大规模多端口元件的迫切测试需求的用于多端口射频元件，具有更广泛的应用范围。

Description

用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电子测量仪器仪表技术领域，尤其涉及多端口矢量网络测量技术领域，具体是指一种用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法。

背景技术

本发明公开了一种完全多端口矢量网络分析测试装置，应用于多端口射频元件，例如4G和5G通信系统中的MIMO多天线的驻波比、增益、传输损耗、相位、通道隔离等指标测试。每个端口都是一个完全独立的射频源，创造性的实现了在N端口矢量网络测试装置中提供了N个完全独立射频源和N个完全独立射频接收机，每个射频源的和接收机的频率、功率都可以完全独立设置，大幅度提高了多端口射频元件的测量速度，解决了5G通信中多达几百个天线生产制造的测试难题。

多端口射频元件，在出厂时必须进行驻波比、增益、传输损耗、相位、通道隔离等指标的测试。例如在4G和5G通信中的关键技术大规模MIMO多天线技术，天线的端口数量达到了几百个，传统的二端口矢量网络分析仪+矩阵开关的多端口测量方案，采用了以二端口为基本单元，分时进行扫描的测量方式，测量速度慢，完全无法满足这种大规模多端口的测量需求。目前的多端口测量解决方案，都是采用二端口矢网+矩阵开关(如图1)或四端口矢量网络分析仪+矩阵开关(如图2)，通过多路开关扩展成多端口矢量网络分析仪。这种多端口矢量网络分析仪不是真正完全的多端口矢量网络分析仪，如图1所示，只有一个射频源和一个接收机，由于射频源和接收机数量少于端口数量，因此测量时每次只能测量两个端口，通过分时扫描进行多次二端口测量才能完成全部N端口测量。假设多端口元件的端口数量为N，则图1所示的多端口矢量网络分析仪需要进行的扫描测量次数Mt：

Mt＝N×(N+1) ……(1)

例如端口数量24，通过上式计算得到的扫描测量次数是552次。

外置矩阵开关式多端口测量，方案简单，大大降低了主机的研发难度，但是存在几个致命的缺点，导致该方案无法胜任几百个端口大规模多端口测试：

(1)外置开关损耗、隔离等指标严重影响了动态范围、隔离的关键指标测量。

(2)测量速度太慢。

(3)无法为每个端口同时提供射频源。

(4)开关寿命短，价格昂贵，测试成本高。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现改善多端口元件测量的各项关键指标、特别是扫描速度指标、大幅度降低测试成本、满足生产线对大规模多端口元件的迫切测试需求的用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法。

为了实现上述目的，本发明的用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法具有如下构成：

该用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置，其主要特点是，所述的装置包括：

数个与多端口射频元件的待测端口一一对应的测试模块，各个所述的测试模块包括信号源、切换开关和端口测试子模块，所述的切换开关用以选择端口的工作模式为发射源信号模式或接收信号源模式，所述的端口测试子模块用以测量所对应的端口接收信号的性能参数；

控制模块，用以控制在测量过程中各个切换开关的工作模式切换以及获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标。

较佳地，各个所述的测试模块为二端口矢量网络分析仪的一端口的矢量分析模块，所述的装置采用的二端口矢量网络分析仪的数量为多端口射频元件的端口数量的1/2。

本发明还涉及一种基于所述的装置用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的控制模块依次控制所述的多端口射频元件的端口中的一个端口为发射源信号模式；

(2)所述的控制模块控制除发射源信号模式的端口外的其他端口为接收信号源模式；

(3)所述的控制模块控制所述的发射源信号模式的端口输出频率和功率；

(4)所述的各个端口测试子模块测量各个接收信号源模式的端口接收信号的性能参数；

(5)所述的控制模块获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标。

较佳地，所述的步骤(1)，具体为：

所述的控制模块将所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口设为发射源信号模式；

所述的步骤(5)之后，还包括以下步骤：

(6-1)所述的控制模块判断当前设为发射源信号模式的端口是否为所述的多端口射频元件的最后一个端口，如果是，则结束退出，否则继续步骤(6-2)；

(6-2)所述的控制模块将当前设为发射源信号模式的端口的下一个端口设为发射源信号模式并将当前设为发射源信号模式的端口设为接收信号源模式，然后继续步骤(2)。

更佳地，所述的控制模块将所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口设为发射源信号模式，具体为：

所述的控制模块控制所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口所对应的切换开关切换至发射源信号模式。

较佳地，所述的控制模块控制除发射源信号模式的端口外的其他端口为接收信号源模式，具体为：

所述的控制模块将除发射源信号模式的端口外的其他端口所对应的切换开关切换至接收信号源模式。

采用了该发明中的用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法，通过开发完全独立的模块化矢量网络测试基本单元，通过多个基本单元进行矩阵式组合级联，开发出多模块软件硬件快速同步扫描核心技术，实现1～N端口任意端口数量的多端口矢量网络参数测试装置，端口数量不受限制，配置灵活方便，解决了目前4G、5G通信系统和未来新通信技术对大规模多端口射频元件的快速、准确、低成本测量需求；本发明也可以替代传统的一机多用测量方案，解决了传统一机多用方案速度慢、寿命短、成本高的问题；本发明在技术先进性、实用性和成本效益上，完全符合产业发展所需，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为现有技术中二端口矢网+矩阵开关测量方案的结构示意图。

图2为现有技术中四端口矢网+矩阵开关测量方案的结构示意图。

图3为本发明的用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量的装置的结构示意图。

图4为采用本发明的装置的一机多工位测量的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明涉及电子测量仪器仪表等测量设备领域，通过反射和传输方式测量多端口元件的驻波比、损耗、增益、隔离、相位、阻抗等指标，是一种针对大规模MIMO等多端口元件的完全多端口矢量网络测试装置。

如图3所示，采用矢量网络模块化设计方案，每个模块都是一个完全独立的射频信号源和独立的射频接收机，通过多个模块矩阵式组合形成端口数量为N的多端口矢量网络测试装置。矢量网络测试装置通过控制端口的开关1到开关n选择该模块是处于发射源信号模式还是接收信号源模式。

当测量一个N端口的元件时，测量方法为：

1、首先将端口1的开关1切换到a，端口1设置为源信号输出模式

2、将开关2到开关n都切换到b，其它端口都设置为源信号输入模式

3、控制信号源1的输出频率和功率，端口1输出扫频射频源信号。

4、端口2到端口N的独立接收机进行同步扫描，所有端口同时接收来自端口1的射频源信号。

5、通过数据处理计算同时得到端口1和其它端口之间的驻波比、相位、通道隔离、损耗、增益等指标。

6、将端口2的开关2切换到a，设置为源信号输出模式，其它端口的开关都切换到b，设置为接收源信号模式，重复上面的过程，得到端口2和其它端口之间的测量参数。

7、重复上述步骤，一直到端口N完成测量。

从上面的测量方法可以看出，对应N端口元件，本发明总的测量次数为N。传统的测量方案测量次数为N×(N-1)，本发明测试装置比传统方案测量速度提高了N-1倍。例如：测量一个24端口的元件，传统测量方案的扫描次数为552次，本发明的“完全多端口矢量网络测试装置”扫描测量次数等于端口数量，只需要进行24次扫描就可以完成全部多端口指标的测量。

本发明专利“完全多端口矢量网络测试装置”在5G系统中的核心部件大规模MIMO测量中优势更加明显。例如对一个200个端口的MIMO多天线系统进行测量，如果每次扫描时间为1秒钟，则传统的多端口测量方案测量时间：

St1＝200×199×1秒＝39800秒＝11.05小时 ……(2)

本发明“完全多端口矢量网络测试装置”进行同样的多端口测量，扫描测量次数为200次，测量时间为：

St2＝200×1秒＝3.3分钟 ……(3)

从上述对比中可以看出，本发明专利具有很大的技术优势，解决了4G、5G新通信技术迅速发展带来的大规模多端口元件研发、生产制造过程中面临的测试难题。

在传统的二端口矢量网络参数测量生产中，为了降低成本，有的工厂会采用一机多用的方案，采用一台二端口矢网+外置矩阵开关的方式，将一个二端口矢网当多台矢网用。例如将一台二端口矢网扩展成5台二端口矢网，5个工位分时扫描，分时扫描虽然导致扫描速度降低，但是降低了测试设备成本。由于本发明具有N个完全独立的射频信号源和N个完全独立的射频接收机，因此可以将N端口矩阵矢量网络测试装置作为多个完全独立的，端口数量小于N的多台矢网，例如多台二端口矢网,如图4所示。一台多端口矩阵矢量网络测试装置可以作为完全独立的多台二端口矢网，每台二端口矢网的频率、功率都可以完全独立设置，并且多个二端口矢网同时进行扫描，提高了扫描测量速度。配合先进的基于USB3.0接口的多屏显示技术，将一台整机作为多台整机使用，实现一机多工位测量，提高扫描速度并大幅度降低了生产测试成本，是目前一机多用的最佳替代测量解决方案。

根据上述描述，本发明的用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置包括：

数个与多端口射频元件的待测端口一一对应的测试模块，各个所述的测试模块包括信号源、切换开关和端口测试子模块，所述的切换开关用以选择端口的工作模式为发射源信号模式或接收信号源模式，所述的端口测试子模块用以测量所对应的端口接收信号的性能参数；

控制模块，用以控制在测量过程中各个切换开关的工作模式切换以及获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标。

在一种较佳的实施方式中，各个所述的测试模块为二端口矢量网络分析仪的一端口的矢量分析模块，所述的装置采用的二端口矢量网络分析仪的数量为多端口射频元件的端口数量的1/2。

本发明的基于所述的装置用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量方法包括以下步骤：

(1)所述的控制模块依次控制所述的多端口射频元件的端口中的一个端口为发射源信号模式；

(2)所述的控制模块控制除发射源信号模式的端口外的其他端口为接收信号源模式；

(3)所述的控制模块控制所述的发射源信号模式的端口输出频率和功率；

(4)所述的各个端口测试子模块测量各个接收信号源模式的端口接收信号的性能参数；

(5)所述的控制模块获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(1)，具体为：

所述的控制模块将所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口设为发射源信号模式；

所述的步骤(5)之后，还包括以下步骤：

(6-1)所述的控制模块判断当前设为发射源信号模式的端口是否为所述的多端口射频元件的最后一个端口，如果是，则结束退出，否则继续步骤(6-2)；

(6-2)所述的控制模块将当前设为发射源信号模式的端口的下一个端口设为发射源信号模式并将当前设为发射源信号模式的端口设为接收信号源模式，然后继续步骤(2)。

在一种更佳的实施方式中，所述的控制模块将所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口设为发射源信号模式，具体为：

所述的控制模块控制所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口所对应的切换开关切换至发射源信号模式。

在一种较佳的实施方式中，所述的控制模块控制除发射源信号模式的端口外的其他端口为接收信号源模式，具体为：

所述的控制模块将除发射源信号模式的端口外的其他端口所对应的切换开关切换至接收信号源模式。

综上所述，本发明“完全多端口矩阵矢量网络测试装置”完美解决了4G、5G通信技术发展带来的超大规模多端口元件的新技术测试难题，不仅大幅度提高了扫描测量速度，通过优化方案设计达到了最低成本设计，在测量速度、动态范围、温度稳定性、开关寿命等关键技术指标都有了大幅度提高。

采用了该发明中的用于多端口射频元件的完全多端口矢网测量装置及方法，通过开发完全独立的模块化矢量网络测试基本单元，通过多个基本单元进行矩阵式组合级联，开发出多模块软件硬件快速同步扫描核心技术，实现1～N端口任意端口数量的多端口矢量网络参数测试装置，端口数量不受限制，配置灵活方便，解决了目前4G、5G通信系统和未来新通信技术对大规模多端口射频元件的快速、准确、低成本测量需求；本发明也可以替代传统的一机多用测量方案，解决了传统一机多用方案速度慢、寿命短、成本高的问题；本发明在技术先进性、实用性和成本效益上，完全符合产业发展所需，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量装置，其特征在于，所述的装置包括：

数个与多端口射频元件的待测端口一一对应的测试模块，各个所述的测试模块包括信号源、切换开关和端口测试子模块，所述的切换开关用以选择端口的工作模式为发射源信号模式或接收信号源模式，所述的端口测试子模块用以测量所对应的端口接收信号的性能参数；

控制模块，用以控制在测量过程中各个切换开关的工作模式切换以及获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标；

各个所述的测试模块为二端口矢量网络分析仪的一端口的矢量分析模块，所述的装置采用的二端口矢量网络分析仪的数量为多端口射频元件的端口数量的1/2；

所述的控制模块通过控制切换开关的端口状态选择各个测试模块的状态。

2.一种基于权利要求1所述的装置用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的控制模块依次控制所述的多端口射频元件的端口中的一个端口为发射源信号模式；

(2)所述的控制模块控制除发射源信号模式的端口外的其他端口为接收信号源模式；

(3)所述的控制模块控制所述的发射源信号模式的端口输出频率和功率；

(4)所述的各个端口测试子模块测量各个接收信号源模式的端口接收信号的性能参数；

(5)所述的控制模块获取各个端口测试子模块的测量结果并进行处理得到各个端口的指标。

3.根据权利要求2所述的用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量方法，其特征在于，所述的步骤(1)，具体为：

所述的控制模块将所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口设为发射源信号模式；

所述的步骤(5)之后，还包括以下步骤：

(6-1)所述的控制模块判断当前设为发射源信号模式的端口是否为所述的多端口射频元件的最后一个端口，如果是，则结束退出，否则继续步骤(6-2)；

(6-2)所述的控制模块将当前设为发射源信号模式的端口的下一个端口设为发射源信号模式并将当前设为发射源信号模式的端口设为接收信号源模式，然后继续步骤(2)。

4.根据权利要求3所述的用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量方法，其特征在于，所述的控制模块将所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口设为发射源信号模式，具体为：

所述的控制模块控制所述的多端口射频元件的端口中的第一个端口所对应的切换开关切换至发射源信号模式。

5.根据权利要求2所述的用于多端口射频元件的完全多端口矢量网络测量方法，其特征在于，所述的控制模块控制除发射源信号模式的端口外的其他端口为接收信号源模式，具体为：

所述的控制模块将除发射源信号模式的端口外的其他端口所对应的切换开关切换至接收信号源模式。