CN106053945A - 一种短时s函数史密斯圆图分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短时S函数史密斯圆图分析装置及方法，属于测试领域，本发明将网络分析仪中的固态史密斯圆图分析分解为相关电距离的瞬态史密斯圆图，用以分析电缆、连接器、夹具等器部件连阻抗的连续性变化，可以便捷、直观、准确的进行连续阻抗测试，快速直观的给出连续阻抗变换，并补偿了常规方法的测试误差。

Description

一种短时S函数史密斯圆图分析装置及方法

技术领域

本发明属于测试领域，具体涉及一种短时S函数史密斯圆图分析装置及方法。

背景技术

目前矢量网络分析仪中，使用“黑箱理论”，将电缆、连接器、夹具等具有一定电长度的器部件统一当做被测件测试一组S参数，对连续阻抗的变换一般采用频时分析方法，观察脉冲响应函数和阶跃响应函数，不能直观的表达阻抗的连续变化，且响应幅度有误差。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种短时S函数史密斯圆图分析装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，可以便捷、直观、准确的进行连续阻抗测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种短时S函数史密斯圆图分析装置，包括信号发生器、耦合器、接收机和负载；

所述信号发生器，被配置为用于产生激励信号；

所述接收机，包括用于第一I/Q接收机和第二I/Q接收机；

所述第一I/Q接收机，被配置为用于测试信号发生器的发射信号；

所述第二I/Q接收机，被配置为用于测试被测件的反射信号；

所述耦合器，被配置为用于从信号发生器的激励信号耦合部分信号送入第一I/Q接收机，以及从被测件的反射信号耦合部分信号送入第二I/Q接收机；

所述负载，被配置为用于吸收被测件的输出信号；

信号发生器输出激励信号，其中一小部分激励信号经过耦合器的耦合进入第一I/Q接收机，大部分激励信号经过被测件的输入端进入被测件，其中产生的反射信号经过被测件的输入端输出，经过耦合器的耦合进入第二I/Q接收机，产生的输出信号经过被测件的输出端加载至负载被负载吸收。

此外，本发明还提到一种短时S函数史密斯圆图分析方法，该方法采用如上所述的一种短时S函数史密斯圆图分析装置，包括如下步骤：

步骤1：测试被测件的反射S函数，具体包括如下步骤：

步骤1.1：信号发生器发射信号激励被测件；

步骤1.2：通过第一I/Q接收机测试信号发生器的发射信号的矢量，读数记为R(f₀+nΔf)；

步骤1.3：通过第二I/Q接收机测试被测件的反射信号的矢量，读数记为A(f₀+nΔf)；

步骤1.4：被测件的反射S函数表示为S′₁₁(f₀+nΔf)＝A(f₀+nΔf)/R(f₀+nΔf)；其中，f₀表示测试的初始频率，Δf表示频率变化间隔；

步骤2：根据公式(1)对被测件的反射S函数进行包括时间轴在内的修正，修正结果表示为

S₁₁(f₀+nΔf)＝FFT([IFFT(S′₁₁(f₀+nΔf))*δ(t-t₀)]·u(t)) (1)；

其中，FFT(·)为快速傅里叶变换计算；IFFT(·)为拟傅里叶变换计算；*为卷积计算；δ(t-t₀)为单位脉冲函数；t₀是测试空置，即信号发生器不连接被测件和负载时最大波峰对应的时延值；u(t)为单位阶跃函数；

步骤3：采用频时转换技术并根据公式(2)求解脉冲响应Pluse(kΔT_s)

$Pluse\left({\mathrm{k\ΔT}}_s\right)=W^{k^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(n\right)W^{-{(k-n)}^2/2},k=0,1,\mathrm{...},N-1---\left(2\right);$

其中，A＝A₀exp(jθ₀)，A₀为取样点的半径长度；θ₀为取样点的相角；W₀为螺旋线的伸展曲率；为相邻两取样点间的等分角，为变换的中间变量；N为取样点数；ΔT_s＝L/[C(N-1)]为采样的时间间隔；L为被测件的物理长度；C为被测件的微波传播速度；

步骤4：根据公式(3)对脉冲响应Pluse(kΔT_s)进行修正，得到修正数据Pluse′(kΔT_s)

Pluse′(kΔT_s)＝Pluse(kΔT_s)·B(kΔT_s) (3)；

其中，B(kΔT_s)＝σΔT_s/C，B(kΔT_S)为脉冲响应的修正系数，σ为被测件单位长度的损耗；

步骤5：设置窗函数及滑动门函数，采用短时S函数分析显示动态史密斯圆图。

优选地，在步骤5中，具体包括

步骤5.1：设置窗函数Window及滑动门函数Gate_q(n,ΔN,Δt)，Window选用汉宁窗或贝塞尔窗，滑动门函数Gate_q(n,ΔN,Δt)的取值如下：

${\mathrm{Gate}}_q(n,\mathrm{\Δ}N,\mathrm{\Δ}t)=\left\{\begin{array}{c}1,(t_0+q\mathrm{\Δ}t)/{\mathrm{\ΔT}}_s-\mathrm{\Δ}N/2+1\≤n\≤(t_0+q\mathrm{\Δ}t)/{\mathrm{\ΔT}}_s+\mathrm{\Δ}N/2+1\\ 0,else\end{array}\right.;$

其中，n＝0,1,2,...,N-1，ΔN为门的长度，Δt为分析的步长，t₀为拟分析的初始时刻，q＝0,1,2,...为自然数，Gate_q表示第q个滑动门；

步骤5.2：令q＝0，分析被测件在t₀C处的S函数；

步骤5.3：令短时脉冲函数Pluse_short＝Pluse′(kΔT_s)·Window·Gate_q(n,ΔN,Δt)；

步骤5.4：根据步骤5.3中的脉冲函数Pluse_short计算被测件在(t₀+qΔt)C处的短时S函数短时S函数＝FFT(Pluse_short)；其中，FFT为傅里叶变换；

步骤5.5：根据步骤5.4中的短时S函数计算并显示被测件在(t₀+qΔt)C处的短时史密斯圆图，史密斯圆图为短时S函数的极坐标表示；

步骤5.6：判断Δt与Δt_term-ΔT_sΔN/2的大小关系；其中，Δt_term为分析终止长度的对应时刻，设置为Δt_term＝L/C；

若：判断结果是Δt≤Δt_term-ΔT_sΔN/2，则令q＝q+1，然后执行步骤5.3；

或判断结果是Δt＞Δt_term-ΔT_sΔN/2，则分析结束。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种短时S函数史密斯圆图分析装置及方法，与现有技术相比，本发明将网络分析仪中的固态史密斯圆图分析分解为相关电距离的瞬态史密斯圆图，用以分析电缆、连接器、夹具等器部件连阻抗的连续性变化，可以便捷、直观、准确的进行连续阻抗测试，快速直观的给出连续阻抗变换，并补偿了常规方法的测试误差。

附图说明

图1为本发明一种短时S函数史密斯圆图分析装置的硬件原理图。

图2为本发明一种短时S函数史密斯圆图分析方法的流程框图。

图3为本发明双端口非线性网络的示意图。

图4为采用短时S函数分析显示动态史密斯圆的流程框图。

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：

实施例1：

如图1所示的一种短时S函数史密斯圆图分析装置，包括信号发生器、耦合器、接收机和负载；

所述信号发生器，被配置为用于产生激励信号；

所述接收机，包括用于第一I/Q接收机和第二I/Q接收机；

所述第一I/Q接收机，被配置为用于测试信号发生器的发射信号；

所述第二I/Q接收机，被配置为用于测试被测件的反射信号；

所述耦合器，被配置为用于从信号发生器的激励信号耦合部分信号送入第一I/Q接收机，以及从被测件的反射信号耦合部分信号送入第二I/Q接收机；

所述负载，被配置为用于吸收被测件的输出信号；

信号发生器输出激励信号，其中一小部分激励信号经过耦合器的耦合进入第一I/Q接收机，大部分激励信号经过被测件的输入端进入被测件，其中产生的反射信号经过被测件的输入端输出，经过耦合器的耦合进入第二I/Q接收机，产生的输出信号经过被测件的输出端加载至负载被负载吸收。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明还提到一种短时S函数史密斯圆图分析方法(如图2所示)，包括如下步骤：

步骤1：测试被测件的反射S函数

此步骤为借用网络参数分析理论，双端口非线性网络的示意图如图3所示，校准后，使用网络分析仪测试被测件的S参数。S参数应表达为对应频率下的幅度与相位响应格式，采用对数幅度，线性相位，保存S参数。这里推荐使用S₁₁。

$S_{11}=\frac{b_1}{a_1}{|}_{a_2=0}$

具体包括如下步骤：

步骤1.1：信号发生器发射信号激励被测件；

步骤1.2：通过第一I/Q接收机测试信号发生器的发射信号的矢量，读数记为R(f₀+nΔf)；

步骤1.3：通过第二I/Q接收机测试被测件的反射信号的矢量，读数记为A(f₀+nΔf)；

步骤1.4：被测件的反射S函数表示为S′₁₁(f₀+nΔf)＝A(f₀+nΔf)/R(f₀+nΔf)；

其中，f₀表示测试的初始频率，Δf表示频率变化间隔；

步骤2：根据公式(1)对被测件的反射S函数进行包括时间轴在内的修正，修正结果表示为

S₁₁(f₀+nΔf)＝FFT([IFFT(S′₁₁(f₀+nΔf))*δ(t-t₀)]·u(t)) (1)；

其中，FFT(·)为快速傅里叶变换计算；IFFT(·)为拟傅里叶变换计算；*为卷积计算；δ(t-t₀)为单位脉冲函数；t₀是测试空置，即信号发生器不连接被测件和负载时最大波峰对应的时延值；u(t)为单位阶跃函数；

步骤3：采用频时转换技术并根据公式(2)求解脉冲响应Pluse(kΔT_s)

使用时频转换技术求得微波器部件的脉冲响应。因本发明目的在于进行短时动态分析，因此选用CHIRPZ变换代替常用的IFFT变换。

$Pluse\left({\mathrm{k\ΔT}}_s\right)=W^{k^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(n\right)W^{-{(k-n)}^2/2},k=0,1,\mathrm{...},N-1---\left(2\right);$

其中，A＝A₀exp(jθ₀)，A₀为取样点的半径长度；θ₀为取样点的相角；W₀为螺旋线的伸展曲率；为相邻两取样点间的等分角，为变换的中间变量；N为取样点数；ΔT_s＝L/[C(N-1)]为采样的时间间隔；L为被测件的物理长度；C为被测件的微波传播速度。

步骤4：脉冲响应修正。

得到的滑动脉冲响应需要进行修正。

根据公式(3)对脉冲响应Pluse(kΔT_s)进行修正，得到修正数据Pluse′(kΔT_s)

Pluse′(kΔT_s)＝Pluse(kΔT_s)·B(kΔT_s) (3)；

其中，B(kΔT_s)＝σΔT_s/C，B(kΔT_S)为脉冲响应的修正系数，σ为被测件单位长度的损耗；

步骤5：设置窗函数及滑动门函数，采用短时S函数分析显示动态史密斯圆，具体包括如下步骤(如图4所示)：

步骤5.1：设置窗函数Window及滑动门函数Gate_q(n,ΔN,Δt)，Window选用汉宁窗或贝塞尔窗，滑动门函数Gate_q(n,ΔN,Δt)的取值如下：

${\mathrm{Gate}}_q(n,\mathrm{\Δ}N,\mathrm{\Δ}t)=\left\{\begin{array}{c}1,(t_0+q\mathrm{\Δ}t)/{\mathrm{\ΔT}}_s-\mathrm{\Δ}N/2+1\≤n\≤(t_0+q\mathrm{\Δ}t)/{\mathrm{\ΔT}}_s+\mathrm{\Δ}N/2+1\\ 0,else\end{array}\right.;$

其中，n＝0,1,2,...,N-1，ΔN为门的长度，Δt为分析的步长，t₀为拟分析的初始时刻，q＝0,1,2,...为自然数，Gate_q表示第q个滑动门；

步骤5.2：令q＝0，分析被测件在t₀C处的S函数；

步骤5.3：令短时脉冲函数Pluse_short＝Pluse′(kΔT_s)·Window·Gate_q(n,ΔN,Δt)；

步骤5.4：根据步骤5.3中的脉冲函数Pluse_short计算被测件在(t₀+qΔt)C处的短时S函数短时S函数＝FFT(Pluse_short)；其中，FFT为傅里叶变换；

步骤5.5：根据步骤5.4中的短时S函数计算并显示被测件在(t₀+qΔt)C处的短时史密斯圆图，史密斯圆图为短时S函数的极坐标表示；

步骤5.6：判断Δt与Δt_term-ΔT_sΔN/2的大小关系；其中，Δt_term为分析终止长度的对应时刻，设置为Δt_term＝L/C；

若：判断结果是Δt≤Δt_term-ΔT_sΔN/2，则令q＝q+1，然后执行步骤5.3；

或判断结果是Δt＞Δt_term-ΔT_sΔN/2，则分析结束。

本发明一种短时S函数史密斯圆图分析方法，将网络分析仪中的固态史密斯圆图分析分解为相关电距离的瞬态史密斯圆图，用以分析电缆、连接器、夹具等器部件连阻抗的连续性变化，可以便捷、直观、准确的进行连续阻抗测试，快速直观的给出连续阻抗变换，并补偿了常规方法的测试误差。

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 (3)

1.一种短时S函数史密斯圆图分析装置，其特征在于：包括信号发生器、耦合器、接收机和负载；

所述信号发生器，被配置为用于产生激励信号；

所述接收机，包括用于第一I/Q接收机和第二I/Q接收机；

所述第一I/Q接收机，被配置为用于测试信号发生器的发射信号；

所述第二I/Q接收机，被配置为用于测试被测件的反射信号；

所述耦合器，被配置为用于从信号发生器的激励信号耦合部分信号送入第一I/Q接收机，以及从被测件的反射信号耦合部分信号送入第二I/Q接收机；

所述负载，被配置为用于吸收被测件的输出信号；

信号发生器输出激励信号，其中一小部分激励信号经过耦合器的耦合进入第一I/Q接收机，大部分激励信号经过被测件的输入端进入被测件，其中产生的反射信号经过被测件的输入端输出，经过耦合器的耦合进入第二I/Q接收机，产生的输出信号经过被测件的输出端加载至负载被负载吸收。

2.一种短时S函数史密斯圆图分析方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种短时S函数史密斯圆图分析装置，包括如下步骤：

步骤1：测试被测件的反射S函数，具体包括如下步骤：

步骤1.1：信号发生器发射信号激励被测件；

步骤1.2：通过第一I/Q接收机测试信号发生器的发射信号的矢量，读数记为R(f₀+nΔf)；

步骤1.3：通过第二I/Q接收机测试被测件的反射信号的矢量，读数记为A(f₀+nΔf)；

步骤1.4：被测件的反射S函数表示为S′₁₁(f₀+nΔf)＝A(f₀+nΔf)/R(f₀+nΔf)；

其中，f₀表示测试的初始频率，Δf表示频率变化间隔；

步骤2：根据公式(1)对被测件的反射S函数进行包括时间轴在内的修正，修正结果表示为

S₁₁(f₀+nΔf)＝FFT([IFFT(S′₁₁(f₀+nΔf))*δ(t-t₀)]·u(t)) (1)；

其中，FFT(·)为快速傅里叶变换计算；IFFT(·)为拟傅里叶变换计算；*为卷积计算；δ(t-t₀)为单位脉冲函数；t₀是测试空置，即信号发生器不连接被测件和负载时最大波峰对应的时延值；u(t)为单位阶跃函数；

步骤3：采用频时转换技术并根据公式(2)求解脉冲响应Pluse(kΔT_s)

$Pluse\left({\mathrm{k\ΔT}}_s\right)=W^{k^2/2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}g\left(n\right)W^{-{(k-n)}^2/2},k=0,1,...,N-1---\left(2\right);$

其中，A＝A₀exp(jθ₀)，A₀为取样点的半径长度；θ₀为取样点的相角；W₀为螺旋线的伸展曲率；为相邻两取样点间的等分角，为变换的中间变量；N为取样点数；ΔT_s＝L/[C(N-1)]为采样的时间间隔；L为被测件的物理长度；C为被测件的微波传播速度；

步骤4：根据公式(3)对脉冲响应Pluse(kΔT_s)进行修正，得到修正数据Pluse′(kΔT_s)

Pluse′(kΔT_s)＝Pluse(kΔT_s)·B(kΔT_s) (3)；

其中，B(kΔT_s)＝σΔT_s/C，B(kΔT_S)为脉冲响应的修正系数，σ为被测件单位长度的损耗；

步骤5：设置窗函数及滑动门函数，采用短时S函数分析显示动态史密斯圆图。

3.根据权利要求2所述的短时S函数史密斯圆图分析方法，其特征在于：在步骤5中，具体包括

步骤5.1：设置窗函数Window及滑动门函数Gate_q(n,ΔN,Δt)，Window选用汉宁窗或贝塞尔窗，滑动门函数Gate_q(n,ΔN,Δt)的取值如下：

${\mathrm{Gate}}_q(n,\mathrm{\Δ}N,\mathrm{\Δ}t)=\left\{\begin{array}{c}1,(t_0+q\mathrm{\Δ}t)/{\mathrm{\ΔT}}_s-\mathrm{\Δ}N/2+1\≤n\≤(t_0+q\mathrm{\Δ}t)/{\mathrm{\ΔT}}_s+\mathrm{\Δ}N/2+1\\ 0,else\end{array}\right.;$

其中，n＝0,1,2,...,N-1，ΔN为门的长度，Δt为分析的步长，t₀为拟分析的初始时刻，q＝0,1,2,...为自然数，Gate_q表示第q个滑动门；

步骤5.2：令q＝0，分析被测件在t₀C处的S函数；

步骤5.3：令短时脉冲函数Pluse_short＝Pluse′(kΔT_s)·Window·Gate_q(n,ΔN,Δt)；

步骤5.4：根据步骤5.3中的脉冲函数Pluse_short计算被测件在(t₀+qΔt)C处的短时S函数短时S函数＝FFT(Pluse_short)；其中，FFT为傅里叶变换；

步骤5.5：根据步骤5.4中的短时S函数计算并显示被测件在(t₀+qΔt)C处的短时史密斯圆图，史密斯圆图为短时S函数的极坐标表示；

步骤5.6：判断Δt与Δt_term-ΔT_sΔN/2的大小关系；其中，Δt_term为分析终止长度的对应时刻，设置为Δt_term＝L/C；

若：判断结果是Δt≤Δt_term-ΔT_sΔN/2，则令q＝q+1，然后执行步骤5.3；

或判断结果是Δt＞Δt_term-ΔT_sΔN/2，则分析结束。