CN106771650A - 一种差分多端口器件测试建模方法 - Google Patents

一种差分多端口器件测试建模方法 Download PDF

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李立功
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Abstract

本发明提出了一种差分多端口器件测试建模方法，通过矢量网络分析仪和多端口散射参数测试装置对多端口被测件进行测试，获取参考信号和测试信号后，在矢量网络仪中进行处理。本发明的测试建模方法支持多端口器件(端口数＞4)的RLCG参数测试建模；实现了多端口器件RLCG参数测试建模使一体化方案，无需将测试结果导入仿真分析软件进行分析，提供测试效率，降低测试成本。

Description

一种差分多端口器件测试建模方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种差分多端口器件测试建模方法。
背景技术
近年来，在雷达、通信、卫星导航、广播电视和微波传输等微波应用领域，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测试建模对系统的构建非常重要。
多端口矢量网络分析仪可用于测试这类器件的散射参数(即S参数)，表征其频域特征是否满足应用的指标要求。在多入多出器件的设计调试过程中，技术人员需要用到器件的RLCG(电阻，电感、电容和电导模型)参数模型，但现有仪器的测试功能只能提供单端和4端口差分器件的测试建模功能，对于多端口器件的测试建模无能为力。
现有技术方案存在以下不足：
(1)现有的矢量网络分析仪只能支持单端或4端口差分器件的RLCG参数测试建模，对于多端口器件测试建模无能为力；
(2)使用矢量网络分析仪+仿真分析软件的方案成本高，而且需要将测试结果导入仿真分析软件中，实现复杂且消耗时间，无疑会降低测试效率；
(3)多端口器件的测试建模大多采用4端口矢量网络分析仪多次测试散射参数完成，时间长且测试效率低。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种差分多端口器件测试建模方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种差分多端口器件测试建模方法，通过矢量网络分析仪和多端口散射参数测试装置对多端口被测件进行测试，获取参考信号和测试信号后，在矢量网络仪中进行处理，包括：
数据获取模块，用于从矢量网络分析仪的计算机内存中读取SNP格式的多端口参数数据，并将其以S参数矩阵的形式进行存储；
特性检查模块，用于判断数据获取模块得到的S参数矩阵是否满足无源性、稳定性和因果性，如果S参数矩阵不满足稳定性和因果性时，提示需要重新测试，不满足无源性时利用差值补偿算法对S参数矩阵进行特性修正；
参数计算模块，利用矩阵算法将多端口的S参数矩阵转换为频率依赖的RLCG参数模型；
格式变换模块，根据用户设置将得到的多端口器件的RLCG参数模型转换为Spice兼容格式、W-Element兼容格式、Self/Mutual格式和差模/共模数据格式。
上述差分多端口器件测试建模方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)：矢量网络分析仪的端口通过电缆连接到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多端口散射参数测试装置的信号分离模块，参考信号随之进入到数字信号信号处理单元进行后续的处理，而测试信号则经过开关矩阵后到达测试端口；信号到达测试端口后，通过测试电缆链接到被测件；
多端口被测件的数学模型用式(1)给出：
其中，v(x，t)是多端口被测件中沿传输方向位置x的电压矢量，i(x，t)是多端口被测件中沿传输方向位置x的电流矢量，R，L，G，C分别代表频率依赖的单位长度的电阻、电感、电导和电容矩阵；
通过矢量网络分析仪对被测件进行测试，获取它的S参数，矢量网络分析仪以SNP格式对S参数进行存储，将S参数以矩阵的形式进行存储；
步骤(2)：对步骤(1)中获得的S参数矩阵进行特性测试，看其是否满足无源性、稳定性和因果性，如果S参数矩阵不满足稳定性和因果性时，提示需要重新测试，不满足无源性时利用差值补偿算法对S参数矩阵进行特性修正；
判断稳定性通过验证S参数所有极点是否都在复平面的左半平面，如果在，S参数是稳定的，否则是不稳定的；
判断因果性通过求取S参数的时域响应，判断在零时刻之前系统是否有输出来判断，即满足S(t)＝0 for t＜0，如果有输出则不满足因果性；
判断无源性通过如下的公式(2)得到：
S*(s)S(s)＜I (2)
其中，I代表维数匹配的单位矩阵，*代表求取矩阵的转置；如果检测后发现S参数矩阵不满足无源性，则进行内插补偿保证S参数的无源特性；
步骤(3)，当S参数经过特性的判断和内插补偿后，进入参数计算模块，在参数计算模块中利用矩阵算法将多端口的S参数矩阵转换为频率依赖的RLCG参数模型；
式(1)的偏微分方程求解后，用电压电流传输矩阵的形式进行描述，具体如下：
其中，Z0＝Zγ-1，
S参数与电压电流传输矩阵间的转换关系通过下式得到：
结合式(3)-(5)，得到RLCG模型参数的求解公式，即
R＝Re(Z0γ) (6)
L＝Im(Z0γ)/ω (7)
C＝Im(γZ-1)/ω (9)
在本步骤中，首先通过式(4)将S参数转换为Z矩阵，然后利用Z矩阵和电压电流传输矩阵的关系式(5)获得式(3)的具体值，再利用公式(6)-(8)求出R，L，G，C矩阵的具体值；
步骤(4)，根据用户设置将得到的多端口器件的RLCG参数模型转换为Spice兼容格式、W-Element兼容格式、Self/Mutual格式和差模/共模数据格式。
可选地，差模参数和共模参数的求取，利用下式(10)混合模S参数与单端的S参数的关系，首先得到对应的混合模S参数，然后提供差模矩阵和共模矩阵，利用式(3)-(9)求取对应子矩阵的RLCG模型参数，得到差模/共模格式的数据；
SMM＝M·S·M-1 (10)
奇/偶格式与差模/共模的转换关系由式(11)-(12)给出，
本发明的测试建模方法运行于矢量网络分析仪整机软件中，作为矢量网络分析仪整机软件的一个选件。
本发明的测试建模方法作为独立的分析软件进行数据处理。
本发明的有益效果是：
(1)支持多端口器件(端口数＞4)的RLCG参数测试建模；
(2)实现了多端口器件RLCG参数测试建模使一体化方案，无需将测试结果导入仿真分析软件进行分析，提供测试效率，降低测试成本。
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为本发明差分多端口器件测试建模原理框图；
图2为本发明的多端口被测件示意图；
图3为本发明的传输线耦合关系示意图；
图4为本发明的格式转换关系图；
图5为本发明的测试建模方法流程图。
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做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。
本发明旨在给出一种基于矢量网络分析仪的差分多端口器件测试建模方法，该方法运行于矢量网络分析仪整机软件中，作为矢量网络分析仪整机软件的一个选件，也可作为独立的分析软件进行数据处理。
如图1所示，本发明的测试建模方法通过矢量网络分析仪和多端口散射参数测试装置对多端口被测件进行测试，获取参考信号和测试信号后，在矢量网络仪中进行处理，包括：数据获取模块，用于从矢量网络分析仪的计算机内存中读取SNP格式的多端口散射参数(即S参数)数据，并将其以S参数矩阵的形式进行存储；特性检查模块，主要用于数据获取模块得到的S参数矩阵是否满足无源性、稳定性和因果性等，如果S参数矩阵不满足稳定性和因果性时，提示需要重新测试，不满足无源性时利用差值补偿算法对S参数矩阵进行特性修正；参数计算模块，利用矩阵算法将多端口的S参数矩阵转换为频率依赖的RLCG(电阻，电感、电容和电导模型)参数模型；格式变换模块，根据用户设置将得到的多端口器件的RLCG参数模型转换为Spice兼容格式、W-Element兼容格式、Self/Mutual模式和差模/共模等多种数据格式，方便用户在其他软件中调用。
下面结合说明书附图对本发明的测试建模方法进行详细说明。
本发明的测试建模方法共包括4个步骤，如图5所示，具体如下：
步骤1：矢量网络分析仪的端口通过电缆连接到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多端口散射参数测试装置的信号分离模块，参考信号随之进入到数字信号信号处理单元进行后续的处理，而测试信号则经过开关矩阵后到达测试端口；信号到达测试端口后，通过测试电缆链接到被测件，具体的连接形式如图1中所示。
图1中的多端口被测件及其中的耦合关系如图2和图3所示，多端口被测件的数学模型可用式(1)给出
其中，v(x，t)式多端口被测件中沿传输方向位置x的电压矢量，i(x，t)多端口被测件中沿传输方向位置x的电流矢量，R，L，G，C分别代表频率依赖的单位长度的电阻、电感、电导和电容矩阵。
通过矢量网络分析仪对如图2所示的被测件进行测试，获取它的S参数，通常矢量网络分析仪以SNP格式对S参数进行存储，为方便后续使用，将S参数以矩阵的形式进行存储。
步骤2：对步骤1中获得的S参数矩阵进行特性测试，看其是否满足无源性、稳定性和因果性等，如果S参数矩阵不满足稳定性和因果性时，提示需要重新测试，不满足无源性时利用差值补偿算法对S参数矩阵进行特性修正；
判断稳定性可通过验证S参数所有极点是否都在复平面的左半平面，如果在，S参数是稳定的，否则是不稳定的；而因果性的判断则可通过求取S参数的时域响应，判断在零时刻之前系统是否有输出来判断，即满足S(t)＝0 for t＜0，如果有输出则不满足因果性。
S参数无源性的判断，可通过如下的公式(2)得到
S*(s)S(s)＜I (2)
其中，I代表维数匹配的单位矩阵，*代表求取矩阵的转置。如果检测后发现S参数矩阵不满足无源性，则进行内插补偿保证S参数的无源特性。
步骤3，当S参数经过特性的判断和内插补偿后，进入参数计算模块，在本模块中利用矩阵算法将多端口的S参数矩阵转换为频率依赖的RLCG(电阻，电感、电容和电导模型)参数模型。
式(1)的偏微分方程求解后，可用电压电流传输矩阵(即ABCD矩阵)的形式进行描述，具体如下
其中，Z0＝Zγ-1，
S参数与电压电流传输矩阵间的转换关系可通过下式得到
结合式(3)-(5)，可得到RLCG模型参数的求解公式，即
R＝Re(Z0γ) (6)
L＝Im(Z0γ)/ω (7)
C＝Im(γZ-1)/ω (9)
在本步骤中，首先通过式(4)将S参数转换为Z矩阵，然后利用Z矩阵和ABCD矩阵的关系式(5)获得式(3)的具体值，再利用公式(6)-(8)求出R，L，G，C矩阵的具体值。
步骤4中根据用户设置将得到的多端口器件的RLCG参数模型转换为Spice兼容格式、W-Element兼容格式、Self/Mutual模式和差模/共模等多种数据格式，方便用户在其他软件中调用。其中，Spice兼容格式和W-Element兼容格式是存储RLCG参数模型标准化的文件格式，可将步骤3得到数据按格式要求进行存储。
差模参数和共模参数的求取，可利用式(10)混合模S参数与单端的S参数的关系，首先得到对应的混合模S参数，然后提供差模矩阵和共模矩阵，利用式(3)-(9)求取对应子矩阵的RLCG模型参数，即可得到差模/共模格式的数据。
SMM＝M·S·M-1 (10)
奇/偶格式与差模/共模的转换关系由式(11)-(12)给出，
格式的转换流程由图4给出，最终可获得多端口器件的不同格式RLCG模型参数。
本发明的测试建模方法支持多端口器件(端口数＞4)的RLCG参数测试建模；实现了多端口器件RLCG参数测试建模使一体化方案，无需将测试结果导入仿真分析软件进行分析，提供测试效率，降低测试成本。
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 (5)

1.一种差分多端口器件测试建模方法，其特征在于，通过矢量网络分析仪和多端口散射参数测试装置对多端口被测件进行测试，获取参考信号和测试信号后，在矢量网络仪中进行处理，包括：
数据获取模块，用于从矢量网络分析仪的计算机内存中读取SNP格式的多端口参数数据，并将其以S参数矩阵的形式进行存储；
特性检查模块，用于判断数据获取模块得到的S参数矩阵是否满足无源性、稳定性和因果性，如果S参数矩阵不满足稳定性和因果性时，提示需要重新测试，不满足无源性时利用差值补偿算法对S参数矩阵进行特性修正；
参数计算模块，利用矩阵算法将多端口的S参数矩阵转换为频率依赖的RLCG参数模型；
格式变换模块，根据用户设置将得到的多端口器件的RLCG参数模型转换为Spice兼容格式、W-Element兼容格式、Self/Mutual格式和差模/共模数据格式。
2.如权利要求1所述的一种差分多端口器件测试建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤(1)：矢量网络分析仪的端口通过电缆连接到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多端口散射参数测试装置的信号分离模块，参考信号随之进入到数字信号信号处理单元进行后续的处理，而测试信号则经过开关矩阵后到达测试端口；信号到达测试端口后，通过测试电缆链接到被测件；
多端口被测件的数学模型用式(1)给出：
其中，v(x，t)是多端口被测件中沿传输方向位置x的电压矢量，i(x，t)是多端口被测件中沿传输方向位置x的电流矢量，R，L，G，C分别代表频率依赖的单位长度的电阻、电感、电导和电容矩阵；
通过矢量网络分析仪对被测件进行测试，获取它的S参数，矢量网络分析仪以SNP格式对S参数进行存储，将S参数以矩阵的形式进行存储；
步骤(2)：对步骤(1)中获得的S参数矩阵进行特性测试，看其是否满足无源性、稳定性和因果性，如果S参数矩阵不满足稳定性和因果性时，提示需要重新测试，不满足无源性时利用差值补偿算法对S参数矩阵进行特性修正；
判断稳定性通过验证S参数所有极点是否都在复平面的左半平面，如果在，S参数是稳定的，否则是不稳定的；
判断因果性通过求取S参数的时域响应，判断在零时刻之前系统是否有输出来判断，即满足S(t)＝0 for t＜0，如果有输出则不满足因果性；
判断无源性通过如下的公式(2)得到：
S*(s)S(s)＜I (2)
其中，I代表维数匹配的单位矩阵，*代表求取矩阵的转置；如果检测后发现S参数矩阵不满足无源性，则进行内插补偿保证S参数的无源特性；
步骤(3)，当S参数经过特性的判断和内插补偿后，进入参数计算模块，在参数计算模块中利用矩阵算法将多端口的S参数矩阵转换为频率依赖的RLCG参数模型；
式(1)的偏微分方程求解后，用电压电流传输矩阵的形式进行描述，具体 如下：
其中，Z0＝Zγ-1，
S参数与电压电流传输矩阵间的转换关系通过下式得到：
结合式(3)-(5)，得到RLCG模型参数的求解公式，即
R＝Re(Z0γ) (6)
L＝Im(Z0γ)/ω (7)
C＝Im(γZ-1)/ω (9)
在本步骤中，首先通过式(4)将S参数转换为Z矩阵，然后利用Z矩阵和电压电流传输矩阵的关系式(5)获得式(3)的具体值，再利用公式(6)-(8)求出R，L，G，C矩阵的具体值；
步骤(4)，根据用户设置将得到的多端口器件的RLCG参数模型转换为Spice兼容格式、W-Element兼容格式、Self/Mutual格式和差模/共模数据格式。
3.如权利要求2所述的一种差分多端口器件测试建模方法，其特征在于，
差模参数和共模参数的求取，利用下式(10)混合模S参数与单端的S参数的关系，首先得到对应的混合模S参数，然后提供差模矩阵和共模矩阵，利用式(3)-(9)求取对应子矩阵的RLCG模型参数，得到差模/共模格式的数据；
SMM＝M·S·M-1 (10)
奇/偶格式与差模/共模的转换关系由式(11)-(12)给出，
γ∝＝γe
。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种差分多端口器件测试建模方法，其特征在于，该方法运行于矢量网络分析仪整机软件中，作为矢量网络分析仪整机软件的一个选件。
5.如权利要求1至3任一项所述的一种差分多端口器件测试建模方法，其特征在于，该方法作为独立的分析软件进行数据处理。
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