CN105846918A - 一种模块化多端口散射参数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多端口散射参数测试装置及方法，属于测试技术领域，包括多个信号分离模块、开关矩阵模块、数字信号处理单元、多个测试端口，所述信号分离模块和数字信号处理单元通过线路连接，所述信号分离模块、开关矩阵模块、测试端口通过线路依次连接。本发明通过基础的开关矩阵模块可快速的形成多种类型的多端口散射参数测试装置，提高了设计的灵活性，降低了成本，减少了硬件设计的时间，并且降低了多端口散射参数测试时矢量网络分析仪的数据处理压力，提高了测试效率。

Description

一种模块化多端口散射参数测试装置及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种模块化多端口散射参数测试装置及方法。

背景技术

近年来，除了在雷达、通信等领域，在卫星导航、广播电视、微波中继等微波应用领域，众多的多端口组件和部件得到了广泛的应用，如混频器、双工器、耦合器、隔离器和环形器等，对这类器件的散射参数表征时将用到多端口的散射参数测试装置。

因为很多应用于无线通信和雷达的微波器件都带有四个甚至更多端口，如果使用两端口的矢量网络分析仪测试这些器件需要多次连接才能完成散射参数的表征。在科研生产中，需要保证高精度和高可重复性的同时完成快速测试，以提高生产效率。矢量网络分析仪的扫描速度只是影响测量多端口器件总体效率的因素之一。测试的总体效率取决于器件的连接速度，以及系统从一个测量路径转换到另一个测量路径并对数据进行处理的速度。基于多端口散射参数测试装置的矢量网络分析仪可显著的缩短总调试时间和总测试时间，因为被测件只需连接一次就可以测试多个信号路径。最大限度的减少一个被测件与测试设备之间的连接数，还可以减少工作人员的工作量，并减少连接到错误端口的可能。此外，更少的连接次数还可以减少对电缆、夹具、连接器和被测件的磨损，同时保证测试的精度和可重复性。在制造应用中，器件连接、处理和配置所需的时间远远多于测试时间，此时多端口测试仪器就显得尤为重要。在这些情况下，多端口测试仪器可帮助测试人员或器件处理人员提高生产能力。

目前，主流的几个电子测试仪器厂商均有多端口散射参数测试装置，是德公司的前身安捷伦公司，研发出适用于PNA系列矢量网络分析仪的多端口散射参数测试装置，在售的产品有U302XX、U305XX等系列共20余个品种。与PNA 522X、PNA-L 523X和PNA-X 524X系列矢量网络分析仪组合形成多端口散射参数的测试能力。德国罗德与施瓦茨公司的ZVT系列网络分析仪可与其多端口散射参数测试装置产品配置到8端口。2014年，该公司又推出了一款多端口矢量网络分析仪ZNBT，该产品频率范围覆盖9KHz到8.5GHz，最基本配置配备4个端口。根据需求可以最多扩展到24端口。日本安立公司的多端口散射参数测试装置MN4690B，配合其矢量网络分析仪完成多端口测试。

现有的技术方案主要分为两类，一种是采用开关矩阵进行信号的切换，完成多端口的散射参数测试。另外一种是对信号发生通路采用开关矩阵进行信号切换，而接收通路采用多接收机的结构，完成测试。

现有的技术方案存在以下缺点：

(1)缺乏灵活配置的能力。从环形器、T/R组件、DBF接收机、混频器等被测器件测试需求来看，需要多端口散射参数装置能够灵活配合适量网络分析仪形成三到四个或更多端口，满足大多数产品的测试需求。在生产线使用时，可以方便将一台2端口矢量网络分析仪扩展给两人使用，即降低成本又提高生产效率。但现有的方案端口数是固定的，无法针对测试实际进行灵活扩展，针对不同的测试需要，仪器的成本会大幅增加。

(2)采用多接收机形式的多端口矢量网络分析仪，尽管测试速度比采用开关矩阵的快，但代价是成本非常高，结构复杂。

(3)现有的方案中，多端口散射参数测试装置仅起到了信号切换的作用，高速多通道的数据处理的压力均在矢量网络分析仪这边，无疑会降低测试效率。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种模块化多端口散射参数测试装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模块化多端口散射参数测试装置，通过电缆连接到矢量网络分析仪的端口，测试装置包括多个信号分离模块、开关矩阵模块、数字信号处理单元、多个测试端口，所述信号分离模块和数字信号处理单元通过线路连接，所述信号分离模块、开关矩阵模块、测试端口通过线路依次连接；

所述信号分离模块，被配置为用于将矢量网络分析仪产生的信号进行信号分离；

所述开关矩阵模块，被配置为用于对信号分离模块输出的信号进行切换控制并经过测试端口传输至被测件；并且保证经过被测件后的测试信号返回至信号模块分离模块中；

所述数字信号处理单元，被配置为用于对信号分离模块输出的信号进行包括混频、滤波、数字处理在内的预处理；

从矢量网络分析仪输出的信号，经过信号分离模块后分离出参考信号和测试信号；

经过信号分离模块分离出的参考信号进入到数字信号处理单元，经过数字信号处理单元的包括混频、滤波、数字处理在内的预处理后进入到矢量网络分析仪；

经过信号分离模块分离出的测试信号进入到开关矩阵模块，通过开关矩阵模块的切换控制经过测试端口传输至被测件；经过被测件后的测试信号经过开关矩阵模块的切换控制后返回至信号分离模块，后进入到数字信号处理单元，经过数字信号处理单元的包括混频、滤波、数字处理在内的预处理后进入到矢量网络分析仪。

优选地，所述数字信号处理单元，包括混频器、中频放大器、抗混叠滤波器、模数转换器以及FPGA，所述混频器、中频放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、FPGA通过线路依次连接；

所述混频器，被配置为用于将信号进行混频得到中频信号；

所述中频放大器，被配置为用于对得到的中频信号进行放大；

所述抗混叠滤波器，被配置为用于对经过放大的中频信号进行滤波；

所述模数转换器，被配置为用于对经过滤波的中频信号进行模数转换；

所述FPGA，被配置为用于对经过模数转换的中频信号进行数字信号处理。

此外，本发明还提到一种模块化多端口散射参数测试方法，该方法采用如上所述的模块化多端口散射参数测试装置，按照如下步骤进行：

步骤1：将模块化多端口散射参数测试装置通过电缆连接到矢量网络分析仪的端口；

步骤2：矢量网络分析仪输出的信号进入到测试装置的信号分离模块，经过信号分离模块分离出参考信号和测试信号；其中的参考信号进入到数字信号处理单元进行包括下变频、滤波在内的预处理，而测试信号则进入到开关矩阵模块中；

步骤3：测试信号在开关矩阵模块中经过开关的切换控制，经过测试端口传输至被测件；

步骤4：经过被测件后的测试信号经过开关矩阵模块的切换控制后返回至信号分离模块；

步骤5：经过信号分离模块进入数字信号处理单元进行预处理后进入到矢量网络分析仪的端口。

优选地，在步骤5中，数字信号处理单元进行预处理的具体步骤包括：

步骤5.1：通过混频器将信号进行混频得到中频信号传输至中频放大器；

步骤5.2：通过中频放大器将中频信号进行放大后传输至模拟的抗混叠滤波器中；

步骤5.3：通过抗混叠滤波器进行滤波后传输至模数转换器；

步骤5.4：通过模数转换器进行模数转换后传输至FPGA中；

步骤5.5：通过FPGA进行数字信号处理后获得基带信号，通过其串行接口传输至矢量网络分析仪。

优选地，在步骤5.5中，FPGA进行数字信号处理的具体步骤包括：

步骤5.5.1：对采集的中频信号进行数字下变频，得到基频信号；

步骤5.5.2：对基频信号进行CIC抽取滤波，得到预处理的IQ基频数据；

步骤5.5.3：将预处理的IQ基频数据通过串行总线传输至矢量网络分析仪

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种模块化多端口散射参数测试装置，与现有技术相比，本发明通过基础的开关矩阵模块可快速的形成多种类型的多端口散射参数测试装置，提高了设计的灵活性，降低了成本，减少了硬件设计的时间，并且降低了多端口散射参数测试时矢量网络分析仪的数据处理压力，提高了测试效率。

附图说明

图1为本发明模块化多端口散射参数测试装置的原理框图。

图2为单入四出开关矩阵模块的示意图。

图3为双入六出开关矩阵模块的示意图。

图4为具有12端口的散射参数测试装置中的开关矩阵模块的示意图。

图5为具有18端口的散射参数测试装置中的开关矩阵模块的示意图。

图6为数字信号处理单元的硬件原理图。

图7为数字信号处理单元进行数字信号预处理的示意图。

其中，1-信号分离模块；2-开关矩阵；3-数字信号处理单元。

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：

实施例1：

本发明旨在给出一种模块化多端口散射参数测试装置，通过矢量网络分析仪的源产生测试信号，通过矢量网络分析仪的端口和电缆连接到多端口散射参数测试装置上，然后通过模块化的开关矩阵切换给各个测试端口。其中参考信号和测试信号分别通过开关切换输入到数字信号处理单元(Digital Signal Processing Unit,DSP)进行混频、滤波和数字处理等。如图1所示的模块化多端口散射参数测试装置的原理框图，主要有信号分离模块1、开关矩阵2和数字信号处理单元3三个基本模块构成，其中数字信号处理单元3的硬件原理图如图6所示，包括混频器、中频放大器、抗混叠滤波器、模数转换器以及FPGA，所述混频器、中频放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、FPGA通过线路依次连接；用于对获取的被测信号进行下变频、滤波等基本处理，并将结果传给矢量网络分析仪主机，减轻主机处理的压力。

本发明中模块化多端口散射参数测试装置通过连接到矢量网络分析仪，获得信号，经过信号分离模块1后进入开关矩阵2，开关矩阵2进行切换传给测试端口输出给被测件，经过被测件后进入其他端口，测试信号再经过开关矩阵2进入信号分离模块1，之后进入数字信号处理单元3，通过数字信号处理单元3对信号进行下变频、滤波等预处理。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明提出一种模块化多端口散射参数测试方法，其按照如下步骤进行：

步骤1：矢量网络分析仪的端口通过电缆连接到模块化多端口散射参数测试装置，矢量网络分析仪输出信号后进入到装置的信号分离模块，信号分离模块分离出参考信号和测试信号，其中的参考信号进入到数字信号处理单元进行下变频、滤波等基本处理，而测试信号则进入到开关矩阵中；

步骤2：测试信号在开关矩阵中经过开关的切换控制，进入到不同的通路中，经过测试端口传输至被测件；本发明中的开关矩阵采用模块化设计，可以方便的构成多种端口数的测试装置；其中，基础的开关模块是如图2所示的单入四出和如图3所示的双入六出两种。由图2和图3所示的基础模块构成的具有12端口和18端口的测试装置中的开关矩阵模块的结构如图4和图5所示。

经过模块化的设计，基础的模块可方便的构成各种端口的测试装置，提高了设计的灵活性，降低了成本。通过对基础模块中的开关进行切换控制，从信号分离模块输出得到的信号可以根据测试需要输出到任意端口，同时开关切换控制还能够保证经过被测件后的测试信号返回到信号模块分离模块中，以进行后续的处理。

步骤3：经过被测件后的测试信号经过开关矩阵的切换控制后返回至信号分离模块，经过信号分离模块后，进入数字信号处理单元，在本单元中首先将信号进行下变频，将得到的中频信号进行放大送入到模拟的抗混叠滤波器中，由模数转换器进行数据采集，送入到FPGA中。

为减轻矢量网络分析仪主机的数据处理压力，在多端口散射参数测试装置中的FPGA中进行数据的预处理，主要流程如图7所示。首先对采集的中频信号进行数字下变频，得到基频信号后进行CIC抽取滤波，降低数据速率，为后续的滤波计算打下基础。得到预处理的IQ基频数据后，通过高速串行总线传给矢量网络分析仪主机，进行后续处理得到散射参数。

本发明通过基础的开关矩阵模块(例如单入四出、双入六出模块)，实现信号的切换，然后通过组合实现8、12、18等多端口的散射参数的测试，提高了设计的灵活性，降低了成本，减少了硬件设计的时间；将被测信号传入到测试装置的FPGA中进行数字信号处理获得基带信号，通过高速串行接口送入矢量网络分析仪，降低了多端口散射参数测试时矢量网络分析仪的数据处理压力，提高了测试效率。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种模块化多端口散射参数测试装置，通过电缆连接到矢量网络分析仪的端口，其特征在于：测试装置包括多个信号分离模块、开关矩阵模块、数字信号处理单元、多个测试端口，所述信号分离模块和数字信号处理单元通过线路连接，所述信号分离模块、开关矩阵模块、测试端口通过线路依次连接；

所述信号分离模块，被配置为用于将矢量网络分析仪产生的信号进行信号分离；

所述开关矩阵模块，被配置为用于对信号分离模块输出的信号进行切换控制并经过测试端口传输至被测件；并且保证经过被测件后的测试信号返回至信号模块分离模块中；

所述数字信号处理单元，被配置为用于对信号分离模块输出的信号进行包括混频、滤波、数字处理在内的预处理；

从矢量网络分析仪输出的信号，经过信号分离模块后分离出参考信号和测试信号；

经过信号分离模块分离出的参考信号进入到数字信号处理单元，经过数字信号处理单元的包括混频、滤波、数字处理在内的预处理后进入到矢量网络分析仪；

经过信号分离模块分离出的测试信号进入到开关矩阵模块，通过开关矩阵模块的切换控制经过测试端口传输至被测件；经过被测件后的测试信号经过开关矩阵模块的切换控制后返回至信号分离模块，后进入到数字信号处理单元，经过数字信号处理单元的包括混频、滤波、数字处理在内的预处理后进入到矢量网络分析仪。

2.根据权利要求1所述的模块化多端口散射参数测试装置，其特征在于：所述数字信号处理单元，包括混频器、中频放大器、抗混叠滤波器、模数转换器以及FPGA，所述混频器、中频放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、FPGA通过线路依次连接；

所述混频器，被配置为用于将信号进行混频得到中频信号；

所述中频放大器，被配置为用于对得到的中频信号进行放大；

所述抗混叠滤波器，被配置为用于对经过放大的中频信号进行滤波；

所述模数转换器，被配置为用于对经过滤波的中频信号进行模数转换；

所述FPGA，被配置为用于对经过模数转换的中频信号进行数字信号处理。

3.一种模块化多端口散射参数测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的模块化多端口散射参数测试装置，按照如下步骤进行：

步骤1：将模块化多端口散射参数测试装置通过电缆连接到矢量网络分析仪的端口；

步骤2：矢量网络分析仪输出的信号进入到测试装置的信号分离模块，经过信号分离模块分离出参考信号和测试信号；其中的参考信号进入到数字信号处理单元进行包括下变频、滤波在内的预处理，而测试信号则进入到开关矩阵模块中；

步骤3：测试信号在开关矩阵模块中经过开关的切换控制，经过测试端口传输至被测件；

步骤4：经过被测件后的测试信号经过开关矩阵模块的切换控制后返回至信号分离模块；

步骤5：经过信号分离模块进入数字信号处理单元进行预处理后进入到矢量网络分析仪的端口。

4.根据权利要求3所述的一种模块化多端口散射参数测试方法，其特征在于：在步骤5中，数字信号处理单元进行预处理的具体步骤包括：

步骤5.1：通过混频器将信号进行混频得到中频信号传输至中频放大器；

步骤5.2：通过中频放大器将中频信号进行放大后传输至模拟的抗混叠滤波器中；

步骤5.3：通过抗混叠滤波器进行滤波后传输至模数转换器；

步骤5.4：通过模数转换器进行模数转换后传输至FPGA中；

步骤5.5：通过FPGA进行数字信号处理后获得基带信号，通过其串行接口传输至矢量网络分析仪。

5.根据权利要求3所述的一种模块化多端口散射参数测试方法，其特征在于：在步骤5.5中，FPGA进行数字信号处理的具体步骤包括：

步骤5.5.1：对采集的中频信号进行数字下变频，得到基频信号；

步骤5.5.2：对基频信号进行CIC抽取滤波，得到预处理的IQ基频数据；

步骤5.5.3：将预处理的IQ基频数据通过串行总线传输至矢量网络分析仪。