CN108614162A - 微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数的测量方法 - Google Patents

微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数的测量方法 Download PDF

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Abstract

一种微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数的测量方法，装置包括微波源，沿该微波源的信号输出方向依次是信号加载模块、光采样模块和信号处理模块，所述的信号处理模块的输出端分别与所述的微波源和光采样模块的控制端相连；所述的信号加载模块的两个测试端口与待测器件的两端相连。本发明能对微波信号直接采样与变频，抛弃了传统网络分析仪中的超外差结构和/或直接变频结构，在提高测量频率范围、避免镜像干扰等问题的同时，简化了系统的结构，降低了系统的复杂度、成本和功耗等。

Description

微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数的测量方法
技术领域
本发明涉及光信息处理技术，特别是一种微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数的测量方法。
背景技术
矢量网络分析装置是电子以及通信等领域的基本测试仪器。主要用于测量微波端口网络的散射参数，即S参数。现代微波矢量网络分析装置在诸多方面都有了较大的提升。但由于幅相接收机带宽有限，无法对高频信号直接获取，在测量微波器件时，通常要采用外差和/或直接变频的方式实现高频部分信号的接收。外差方式接收采用混频原理，为了实现镜像抑制、本振隔离及高灵敏度接收，需要采用多级混频结构、选频特性好的滤波器与锁相单元。这种架构结构复杂的，大量分离元件降低了集成度，使得价格、尺寸、重量和功耗大大增加。直接变频技术直接将接收到的信号变频为基带信号，省略了镜像抑制滤波器以及中频滤波器，使系统的体积、功耗等有所下降。但又引入了I/Q平衡、LO泄漏和直流失调、带内谐波、1/f噪声等问题(参见Mirabbasi S,Martin K.Classical and modern receiverarchitectures[J].Communications Magazine IEEE,2000,38(11):132-139.)。
光子器件比电子器件具有大带宽、高精度、低抖动等优势。微波光子学技术结合了光子学与电子学两者的优势，具备突破传统微波测量与信号处理“电子瓶颈”的巨大潜力，引起了广泛的关注。目前，已提出多种基于光子学技术的微波测量与信号处理方案，如微波无源测向(Pan S,Yao J.Photonics-Based Broadband Microwave Measurement[J].Journal of Lightwave Technology,2017,35(16):3498-3513.)、微波光子滤波器(Qi C,Pei L,Guo L,et al.Microwave photonic filter[J].Journal of Beijing JiaotongUniversity,2009,33(3):83-87.)、光模数转换(Su F,Wu G,Ye L,et al.Effects of thephotonic sampling pulse width and the photodetection bandwidth on the channelresponse of photonic ADCs[J].Optics Express,2016,24(2):924.)等。Frankel M Y等提出了一种基于外部电光采样的超宽带矢量网络分析装置(Frankel M Y,Whitaker J F,Mourou G A,et al.Ultrahigh-bandwidth vector network analyzer based onexternal electro-optic sampling[J].Solid-State Electronics,1992,35(3):325-332.)，采用飞秒级的光脉冲控制高速光电导开关产生的ps级的电脉冲作为激励信号，经过时域电光采样获得被测微波器件的冲激响应，并通过傅里叶变换得到频域特性。但该方法中所需的傅里叶变换计算复杂且精度受到窗函数的影响，从而限制了其在高精度测量下的应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数的测量方法，该仪器利用光采样技术，实现对微波信号直接采样与变频，抛弃了传统网络分析仪中的超外差结构和/或直接变频结构，在提高测量频率范围、避免镜像干扰等问题的同时，简化了系统的结构，降低了系统的复杂度、成本和功耗等。
本发明的技术解决方案如下：
一种微波光子矢量网络分析装置，其特点在于，包括微波源，沿该微波源的信号输出方向依次是信号加载模块、光采样模块和信号处理模块，所述的信号处理模块的输出端分别与所述的微波源和光采样模块的控制端相连；所述的信号加载模块的两个测试端口与待测器件的两端相连。
所述的微波光子矢量网络分析装置有两种具体结构：
所述的微波光子矢量网络分析装置之一的具体结构如下：
所述的信号加载模块包括功分器、微波开关、第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述的光采样模块包括光脉冲序列发生器、光耦合器、参考支路调制器、第一测试支路调制器、第二测试支路调制器、光电探测模块、电模数转换模块和同步模块；
所述的功分器的输入端与所述的微波源的输出端相连，所述的功分器有两个输出端：一个输出端与所述的微波开关的输入端相连，该微波开关分为2个输出端：第①输出端与第一定向耦合器的输入端相连，第一定向耦合器的一个输出端为所述的信号加载模块的测试端口一，与待测微波器件的一端相连，第一定向耦合器的另一输出端与所述的第一测试支路调制器的射频输入端相连；所述的微波开关的第②输出端与所述的第二定向耦合器的输入端相连，第二定向耦合器的一个输出端为所述的信号加载模块的测试端口二，与待测微波器件的另一端相连，第二定向耦合器的另一输出端与所述的第二测试支路调制器的射频输入端相连；所述的功分器的另一输出端与所述的的参考支路调制器的射频输入端口相连；
所述的光脉冲序列发生器的输出端与所述的光耦合器的输入端相连，该光耦合器的三个输出端分别与所述的参考支路调制器、第一测试支路调制器、第二测试支路调制器的输入端相连，三路调制器的输出端各与所述的光电探测模块中的一个光电探测器的输入端相连，该光电探测模块中的每一光电探测器与所述的电模数转换模块中的一个电模数转换器相连，三个电模数转换器的输出端与所述的信号处理模块的输入端相连，所述的信号处理模块的两个输出端分别与所述的光脉冲序列发生器的控制端、微波源的控制端相连，使所述的光脉冲序列发生器产生周期性光脉冲序列，单个光脉冲时域外形的傅立叶带宽大于测量的微波频率范围，光脉冲序列的周期由信号处理模块配置，使光脉冲序列的重复频率不为微波源输出信号频率的整数倍；所述的同步模块分别与所述的光脉冲序列发生器及电模数转换模块相连，使光脉冲序列发生器与电模数转换模块同步，以保证电模数转换模块采样率与光脉冲序列发生器输出脉冲序列的重复频率相同。
所述的微波光子矢量网络分析装置之二的具体结构如下：
所述的信号加载模块包括：微波开关、第一功分器、第一定向耦合器、第二功分器、第二定向耦合器；所述的光采样模块包括光脉冲序列发生器、光耦合器、第一参考支路调制器、第一测试支路调制器、第二测试支路调制器、第二参考支路调制器、光电探测模块、电模数转换模块和同步模块；
所述的微波开关的输入端与所述的微波源的微波输出端相连，该微波开关分为2个输出端：第①输出端与第一功分器的输入端相连，第一功分器的输出分为两路：一路输出与第一定向耦合器的输入端相连，第一定向耦合器的一个输出端为所述的信号加载模块的测试端口一，与待测微波器件的一端相连，第一定向耦合器的另一输出端与所述的第一测试支路调制器的射频输入端相连，第一功分器的另一路输出端与第一参考支路调制器的射频输入端相连；所述的微波开关的第②输出端与第二功分器输入端相连，第二功分器的输出分为两路：一路输出与第二定向耦合器的输入端相连，第二定向耦合器的一个输出端为所述的信号加载模块的测试端口二，与待测微波器件的另一端相连，第二定向耦合器的另一路输出端与所述的第二测试支路调制器的射频输入端相连，第二功分器的另一个输出端与所述的第二参考支路调制器的射频输入端相连；
所述的光脉冲序列发生器与所述的光耦合器的输入端相连，该光耦合器分为四个输出端，分别与所述的第一参考支路调制器、第一测试支路调制器、第二测试支路调制器、第二参考支路调制器的输入端相连，四路调制器的输出端各与所述的光电探测模块中的一个光电探测器的输入端相连，所述的光电探测模块中的每一光电探测器与所述的电模数转换模块中的一个电模数转换器相连，各电模数转换器的输出端与所述的信号处理模块相连，所述的信号处理模块与所述的微波源和光脉冲序列发生器的控制端相连，在所述的信号处理模块的控制下，所述的光脉冲序列发生器产生周期性光脉冲序列，单个光脉冲时域外形的傅立叶带宽大于测量的微波频率范围，光脉冲序列的周期由信号处理模块配置，使光脉冲序列的重复频率不为微波源输出信号频率的整数倍，所述的同步模块分别与光脉冲序列发生器及电模数转换模块相连，使光脉冲序列发生器与电模数转换模块同步，以保证电模数转换模块采样率与光脉冲序列发生器输出脉冲序列的重复频率相同。
利用所述的微波光子矢量网络分析装置之一对微波器件散射参数的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设定测试频率范围为fM～fN，分辨率为Δf，令fi＝fM；
2)将被测微波器件的两个端口分别连接到信号加载模块的测试端口一和测试端口二之间；
3)所述的信号处理模块指令微波源产生频率fi的单频信号，该单频信号被功分器分为两路：一路输入光采样模块的参考支路调制器的射频输入端口；另一路加载到所述的微波开关输入端；
4)所述的微波开关切换至第①输出端，将输入的信号经所述的第一定向耦合器加载到待测微波器件的一个端口上，透过待测微波器件的信号经第二定向耦合器输入所述的第二测试支路调制器的射频输入端口；被待测微波器件反射的信号，经第一定向耦合器输入所述的第一测试支路调制器的射频输入端口；
5)所述的光脉冲序列发生器输出的光脉冲序列经所述的光耦合器功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器对功分器输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器、第二测试支路调制器分别对被测器件反射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块、电模数转换模块得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块；
6)所述的信号处理模块计算第一测试支路的信号幅度A11,以及第一测试支路信号与参考支路信号的相位差θ11,得到待测微波器件在该频点的S11参数：A11exp(jθ11)，其中j为虚数单位；
7)所述的信号处理模块计算第二测试支路信号的幅度A21，以及第二测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ21，得到待测微波器件在该频点S21参数，该参数可以表示为A21exp(jθ21)，其中j为虚数单位；
8)将所述的微波开关切换至第②输出端，将输入的信号经第二定向耦合器加载到待测微波器件的另一端口上，透过待测微波器件的信号经第一定向耦合器输入所述的第一测试支路调制器的射频输入端口；被待测微波器件反射的信号，经第二定向耦合器输入所述的第二测试支路调制器的射频输入端口；
9)所述的光脉冲序列发生器输出的光脉冲序列经所述的光耦合器功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器对功分器输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器、第二测试支路调制器分别对被测器件透射和反射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块、电模数转换模块得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块；
10)所述的信号处理模块计算第一测试支路的信号幅度A12，以及第一测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ12，得到待测微波器件在该频点S12参数，该参数可以表示为A12exp(jθ12)，其中j为虚数单位；
11)所述的信号处理模块计算第二测试支路的信号的幅度A22，以及第二测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ22，得到待测微波器件在该频点S22参数，该参数可以表示为A22exp(jθ22)，其中j为虚数单位；
12)令fi＝fi+Δf，当fi≤fN,返回步骤3)；否则，则进入下一步；
13)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22进行校准。
利用微波光子矢量网络分析装置之二对微波器件散射参数的测试方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
1)设定测试频率范围为fM～fN，分辨率为Δf，令fi＝fM；
2)将被测微波器件的两个端口分别连接到信号加载模块的测试端口一和测试端口二之间；
3)所述的信号处理模块指令微波源产生频率fi的单频信号，该信号被送入微波开关；
4)所述的微波开关切换至①侧，单频信号被第一功分器分为两路，一路输入光采样模块的第一参考支路调制器的射频输入端口；另一路加载到第一定向耦合器上；
5)所述的第一定向耦合器将输入的信号加载到被测微波器件的一个端口上，透过被测微波器件的信号输入光采样模块的第二测试支路调制器的射频输入端口；被被测微波器件反射的信号，经第一定向耦合器输入光采样模块的第二测试支路调制器的射频输入端口。
6)所述的光脉冲序列发生器输出的光脉冲序列经所述的光耦合器功分为四路，分别作为第一参考支路、第一测试支路、第二测试支路、第二参考支路的采样脉冲序列；第一参考支路调制器对第一功分器输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器、第二测试支路调制器分别对被测器件反射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块、电模数转换模块得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块；
7)所述的信号处理模块计算第一测试支路信号的幅度A11，以及第一测试支路的信号与第一参考支路信号的相位差θ11，得到待测微波器件在该频点S11参数，该参数表示为A11exp(jθ11)，其中j为虚数单位；
8)所述的信号处理模块计算第二测试支路的信号的幅度A21以及第二测试支路的信号与第一参考支路信号的相位差θ21，得到待测微波器件在该频点S21参数，该参数表示为A21exp(jθ21)，其中j为虚数单位；
9)所述的微波开关切换至②侧，单频信号被第二功分器分为两路，一路输入光采样模块的第二参考支路调制器的射频输入端口；另一路加载到第二定向耦合器上；
10)所述的光脉冲序列发生器输出的光脉冲序列经所述的光耦合器功分为四路，分别作为第一参考支路、第一测试支路、第二测试支路、第二参考支路的采样脉冲序列；参考支路调制器二对第二功分器输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器、第二测试支路调制器分别对被测器件透射和反射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块、电模数转换模块得到相应的数字化的采样结果送入所述的信号处理模块；
11)所述的信号处理模块计算第一测试支路的信号的幅度A12，以及第一测试支路的信号与第二参考支路信号的相位差θ12，得到待测微波器件在该频点S12参数，该参数表示为A12exp(jθ12)，其中j为虚数单位；
12)所述的信号处理模块计算第二测试支路的信号的幅度A22，以及第二测试支路的信号与第二参考支路端口信号的相位差θ22，得到待测微波器件在该频点S22参数，该参数表示为A22exp(jθ22)，其中j为虚数单位；
13)令fi＝fi+Δf，当fi≤fN,返回步骤3)；否则，则进入下一步；
14)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22进行校准。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1)本发明利用光子采样技术，无需使用外差结构或直接变频结构接收信号，抛弃了混频器、锁相环以及滤波器等器件，可有效降低系统的复杂性、尺寸、重量、功耗等，提高了系统带宽，扩大了测试频率范围，并且不存在镜像抑制、I/Q平衡、LO泄漏和直流失调等问题。
2)利用成熟商用的光电子器件，具有成本较低、实现相对简单、易于集成的特点。
附图说明
图1为本发明微波光子矢量网络分析装置的结构示意图。
图2为本发明微波光子矢量网络分析装置实施例1的结构示意图。
图3为本发明微波光子矢量网络分析装置实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图2、3给出本发明的两个最佳实施例。本最佳实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
请参见图2，图2为本发明微波光子矢量网络分析装置实施例1的结构示意图。由图可见，本实施例微波光子矢量网络分析装置，包括微波源1，沿该微波源1的信号输出方向依次是信号加载模块2、光采样模块3和信号处理模块4，所述的信号处理模块4的输出端分别与所述的微波源1和光采样模块3的控制端相连；所述的信号加载模块2的两个测试端口与待测器件的两端相连。
所述的信号加载模块2包括功分器2-1、微波开关2-2、第一定向耦合器2-3和第二定向耦合器2-4，所述的光采样模块3包括光脉冲序列发生器3-1、光耦合器3-2、参考支路调制器3-3、第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5、光电探测模块3-6、电模数转换模块3-7和同步模块3-8；
所述的功分器2-1的输入端与所述的微波源1的输出端相连，所述的功分器2-1有两个输出端：一个输出端与所述的微波开关2-2的输入端相连，该微波开关2-2分为2个输出端①②：第①输出端与第一定向耦合器2-3的输入端相连，第一定向耦合器2-3的一个输出端为所述的信号加载模块2的测试端口一，与待测微波器件的一端相连，第一定向耦合器2-3的另一输出端与所述的第一测试支路调制器3-4的射频输入端相连；所述的微波开关2-2的第②输出端与所述的第二定向耦合器2-4的输入端相连，第二定向耦合器2-4的一个输出端为所述的信号加载模块2的测试端口二，与待测微波器件的另一端相连，第二定向耦合器2-4的另一输出端与所述的第二测试支路调制器3-5的射频输入端相连；所述的功分器2-1的另一输出端与所述的的参考支路调制器3-3的射频输入端口相连；
所述的光脉冲序列发生器3-1的输出端与所述的光耦合器3-2的输入端相连，该光耦合器3-2的三个输出端分别与所述的参考支路调制器3-3、第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5的输入端相连，三路调制器的输出端各与所述的光电探测模块3-6中的一个光电探测器的输入端相连，该光电探测模块3-6中的每一光电探测器与所述的电模数转换模块3-7中的一个电模数转换器相连，三个电模数转换器的输出端与所述的信号处理模块4的输入端相连，所述的信号处理模块4的两个输出端分别与所述的光脉冲序列发生器3-1的控制端、微波源1的控制端相连，使所述的光脉冲序列发生器3-1产生周期性光脉冲序列，单个光脉冲时域外形的傅立叶带宽大于测量的微波频率范围，光脉冲序列的周期由信号处理模块4配置，使光脉冲序列的重复频率不为微波源1输出信号频率的整数倍；所述的同步模块3-8分别与所述的光脉冲序列发生器3-1及电模数转换模块3-7相连，使光脉冲序列发生器3-1与电模数转换模块3-7同步，以保证电模数转换模块3-7采样率与光脉冲序列发生器3-1输出脉冲序列的重复频率相同。
本实施例的测试过程包括以下步骤：
1)设定测试频率范围为fM～fN，分辨率为Δf，令fi＝fM；
2)将被测微波器件的两个端口分别连接到信号加载模块2的测试端口一和测试端口二之间；
3)所述的信号处理模块4指令微波源1产生频率fi的单频信号，该单频信号被功分器2-1分为两路：一路输入光采样模块3的参考支路调制器3-3的射频输入端口；另一路加载到所述的微波开关2-2输入端；
4)所述的微波开关2-2切换至第①输出端，将输入的信号经所述的定向耦合器一2-3加载到待测微波器件的一个端口上，透过待测微波器件的信号经定向耦合器二2-4输入所述的第二测试支路调制器3-5的射频输入端口；被待测微波器件反射的信号，经第一定向耦合器2-3输入所述的第一测试支路调制器3-4的射频输入端口；
5)所述的锁模激光器3-1输出的光脉冲序列经所述的光耦合器3-2分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器3-3对功分器2-1输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5分别对被测器件反射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块3-6、电模数转换模块3-7得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块4；
6)所述的信号处理模块4计算第一测试支路信号的幅度A11,以及第一测试支路信号与参考支路信号的相位差θ11,从而得到待测微波器件在该频点的S11参数：A11exp(jθ11)，其中j为虚数单位；
7)所述的信号处理模块4计算第二测试支路信号的幅度A21，以及第二测试支路信号与参考支路信号的相位差θ21，从而得到待测微波器件在该频点S21参数，该参数可以表示为A21exp(jθ21)，其中j为虚数单位；
8)将所述的微波开关2-2切换至第②输出端，将输入的信号经定向耦合器二2-4加载到待测微波器件的另一端口上，透过待测微波器件的信号经定向耦合器一2-3输入所述的第一测试支路调制器3-3的射频输入端口；被待测微波器件反射的信号，经定向耦合器二2-3输入所述的第二测试支路调制器3-4的射频输入端口；
9)所述的光脉冲序列发生器3-1输出的光脉冲序列经所述的光耦合器3-2功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器3-3对功分器2-1输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5分别对被测器件透射/反射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块3-6、电模数转换模块3-7得到相应的数字化的采样结果送入所述的信号处理模块4；
10)所述的信号处理模块4计算第一测试支路信号的幅度A12，以及第一测试支路信号与参考支路信号的相位差θ12，从而得到待测微波器件在该频点S12参数，该参数可以表示为A12exp(jθ12)，其中j为虚数单位；
11)所述的信号处理模块4计算第二测试支路的信号的幅度A22，以及第二测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ22，得到待测微波器件在该频点S22参数，该参数可以表示为A22exp(jθ22)，其中j为虚数单位；
12)令fi＝fi+Δf，当fi≤fN,返回步骤3)；否则，则进入下一步；
13)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22进行校准。
实施例2：
系统结构如图3所示，该系统依次包括：微波源1、信号加载模块2、光采样模块3和信号处理模块4。其中，信号加载模块2包括：微波开关2-1、第一功分器2-2、第一定向耦合器2-3、第二定向耦合器2-4、第二功分器2-5。光采样模块3包括：锁模激光器3-1、光耦合器3-2、第一参考支路调制器3-3、第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5、第二参考支路调制器3-9、光电探测模块3-6、电模数转换模块3-7、同步模块3-8。
本实施例的测试过程包括以下步骤：
1)设定测试频率范围为fM～fN，分辨率为Δf，令fi＝fM；
2)将被测微波器件的两个端口分别连接到信号加载模块2的测试端口一和测试端口二之间；
3)所述的信号处理模块4指令微波源1产生频率fi的单频信号，该信号被送入微波开关2-1。
4)所述的微波开关2-1切换至①侧，单频信号被第一功分器2-2分为两路，一路输入光采样模块3的第一参考支路调制器3-3的射频输入端口；另一路加载到第一定向耦合器2-3上；
5)所述的第一定向耦合器2-3将输入的信号加载到被测微波器件的一个端口上，透过被测微波器件的信号输入光采样模块3的第二测试支路调制器3-5的射频输入端口；被被测微波器件反射的信号，经第一定向耦合器2-3输入光采样模块3的第二测试支路调制器3-4的射频输入端口；
6)所述的锁模激光器3-1输出的光脉冲序列经所述的光耦合器3-2功分为四路，分别作为第一参考支路、第一测试支路、第二测试支路、第二参考支路的采样脉冲序列；第一参考支路调制器3-3对第一功分器2-2输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5分别对被测器件反射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块3-7、电模数转换模块3-8得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块4；
7)所述的信号处理模块4计算第一测试支路的信号的幅度A11，以及第一测试支路的信号与第一参考支路信号的相位差θ11，从而得到待测微波器件在该频点S11参数，该参数可以表示为A11exp(jθ11)，其中j为虚数单位；
8)所述的信号处理模块4计算第二测试支路的信号的幅度A21以及第二测试支路的信号与第一参考支路信号的相位差θ21，从而得到待测微波器件在该频点S21参数，该参数可以表示为A21exp(jθ21)，其中j为虚数单位；
9)所述的微波开关2-1切换至②侧，单频信号被第二功分器2-4分为两路，一路输入光采样模块3的第二参考支路调制器3-9的射频输入端口；另一路加载到定向耦合器二2-5上；
10)所述的锁模激光器3-1输出的光脉冲序列经所述的光耦合器3-2功分为四路，分别作为第一参考支路、第一测试支路、第二测试支路、第二参考支路的采样脉冲序列；参考支路调制器二3-6对第二功分器2-4输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器3-4、第二测试支路调制器3-5分别对被测器件透射和反射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块3-7、电模数转换模块3-8得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块4；
11)所述的信号处理模块4计算第一测试支路的信号的幅度A12，以及第一测试支路的信号与第二参考支路信号的相位差θ12，从而得到待测微波器件在该频点S12参数，该参数可以表示为A12exp(jθ12)，其中j为虚数单位；
12)所述的信号处理模块4计算第二测试支路的信号的幅度A22，以及第二测试支路的信号与第二参考支路端口信号的相位差θ22，从而得到待测微波器件在该频点S22参数，该参数可以表示为A22exp(jθ22)，其中j为虚数单位；
13)令fi＝fi+Δf，当fi≤fN,返回步骤3)；否则，则进入下一步；
14)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22进行校准。
实验表明，本发明利用光子采样技术，无需使用外差结构或直接变频结构接收信号，抛弃了混频器、锁相环以及滤波器等器件，可有效降低系统的复杂性、尺寸、重量、功耗等，提高了系统带宽，扩大了测试频率范围，并且不存在镜像抑制、I/Q平衡、LO泄漏和直流失调等问题。本发明具有成本较低、实现相对简单、易于集成的特点。

Claims (5)

1.一种微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，包括微波源(1)，沿该微波源(1)的信号输出方向依次是信号加载模块(2)、光采样模块(3)和信号处理模块(4)，所述的信号处理模块(4)的输出端分别与所述的微波源(1)和光采样模块(3)的控制端相连；所述的信号加载模块(2)的两个测试端口与待测器件的两端相连。
2.根据权利要求1所述的微波光子矢量网络分析装置，其特征在于：所述的信号加载模块(2)包括功分器(2-1)、微波开关(2-2)、第一定向耦合器(2-3)和第二定向耦合器(2-4)，所述的光采样模块(3)包括光脉冲序列发生器(3-1)、光耦合器(3-2)、参考支路调制器(3-3)、第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)、光电探测模块(3-6)、电模数转换模块(3-7)和同步模块(3-8)；
所述的功分器(2-1)的输入端与所述的微波源(1)的输出端相连，所述的功分器(2-1)有两个输出端：一个输出端与所述的微波开关(2-2)的输入端相连，该微波开关(2-2)分为2个输出端(①②)：第①输出端与第一定向耦合器(2-3)的输入端相连，第一定向耦合器(2-3)的一个输出端为所述的信号加载模块(2)的测试端口一，与待测微波器件的一端相连，第一定向耦合器(2-3)的另一输出端与所述的第一测试支路调制器(3-4)的射频输入端相连；所述的微波开关(2-2)的第②输出端与所述的第二定向耦合器(2-4)的输入端相连，第二定向耦合器(2-4)的一个输出端为所述的信号加载模块(2)的测试端口二，与待测微波器件的另一端相连，第二定向耦合器(2-4)的另一输出端与所述的第二测试支路调制器(3-5)的射频输入端相连；所述的功分器(2-1)的另一输出端与所述的的参考支路调制器(3-3)的射频输入端口相连；
所述的光脉冲序列发生器(3-1)的输出端与所述的光耦合器(3-2)的输入端相连，该光耦合器(3-2)的三个输出端分别与所述的参考支路调制器(3-3)、第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)的输入端相连，三路调制器的输出端各与所述的光电探测模块(3-6)中的一个光电探测器的输入端相连，该光电探测模块(3-6)中的每一光电探测器与所述的电模数转换模块(3-7)中的一个电模数转换器相连，三个电模数转换器的输出端与所述的信号处理模块(4)的输入端相连，所述的信号处理模块(4)的两个输出端分别与所述的光脉冲序列发生器(3-1)的控制端、微波源(1)的控制端相连，使所述的光脉冲序列发生器(3-1)产生周期性光脉冲序列，单个光脉冲时域外形的傅立叶带宽大于测量的微波频率范围，光脉冲序列的周期由信号处理模块(4)配置，使光脉冲序列的重复频率不为微波源(1)输出信号频率的整数倍；所述的同步模块(3-8)分别与所述的光脉冲序列发生器(3-1)及电模数转换模块(3-7)相连，使光脉冲序列发生器(3-1)与电模数转换模块(3-7)同步，以保证电模数转换模块(3-7)采样率与光脉冲序列发生器(3-1)输出脉冲序列的重复频率相同。
3.根据权利要求1所述的微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，所述的信号加载模块(2)包括：微波开关(2-1)、第一功分器(2-2)、第一定向耦合器(2-3)、第二功分器(2-5)、第二定向耦合器(2-4)；所述的光采样模块(3)包括光脉冲序列发生器(3-1)、光耦合器(3-2)、第一参考支路调制器(3-3)、第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)、第二参考支路调制器(3-9)、光电探测模块(3-6)、电模数转换模块(3-7)和同步模块(3-8)；
所述的微波开关(2-1)的输入端与所述的微波源(1)的微波输出端相连，该微波开关(2-1)分为2个输出端(①②)：第①输出端与第一功分器(2-2)的输入端相连，第一功分器(2-2)的输出分为两路：一路输出与第一定向耦合器(2-3)的输入端相连，第一定向耦合器(2-3)的一个输出端为所述的信号加载模块(2)测试端口一，与待测微波器件的一端相连，第一定向耦合器(2-3)的另一输出端与所述的第一测试支路调制器(3-4)的射频输入端相连，第一功分器(2-2)的另一路输出端与第一参考支路调制器(3-3)的射频输入端相连；所述的微波开关(2-1)的第②输出端与第二功分器(2-5)输入端相连，第二功分器(2-5)的输出分为两路：一路输出与第二定向耦合器(2-4)的输入端相连，第二定向耦合器(2-4)的一个输出端为所述的信号加载模块(2)的测试端口二，与待测微波器件的另一端相连，第二定向耦合器(2-4)的另一路输出端与所述的第二测试支路调制器(3-5)的射频输入端相连，第二功分器(2-5)的另一个输出端与所述的第二参考支路调制器(3-9)的射频输入端相连；
所述的光脉冲序列发生器(3-1)与所述的光耦合器(3-2)的输入端相连，该光耦合器(3-2)分为四个输出端，分别与所述的第一参考支路调制器(3-3)、第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)、第二参考支路调制器(3-9)的输入端相连，四路调制器的输出端各与所述的光电探测模块(3-6)中的一个光电探测器的输入端相连，所述的光电探测模块(3-6)中的每一光电探测器与所述的电模数转换模块(3-7)中的一个电模数转换器相连，各电模数转换器的输出端与所述的信号处理模块(4)相连，所述的信号处理模块(4)与所述的微波源(1)和光脉冲序列发生器(3-1)的控制端相连，在所述的信号处理模块(4)的控制下，所述的光脉冲序列发生器(3-1)调整输出脉冲序列的周期(所述的光脉冲序列发生器(3-1)产生周期性光脉冲序列，单个光脉冲时域外形的傅立叶带宽大于测量的微波频率范围，光脉冲序列的周期由信号处理模块(4)配置，使光脉冲序列的重复频率不为微波源(1)输出信号频率的整数倍，所述的同步模块(3-8)分别与光脉冲序列发生器(3-1)及电模数转换模块(3-7)相连，使光脉冲序列发生器(3-1)与电模数转换模块(3-7)同步，以保证电模数转换模块(3-7)采样率与光脉冲序列发生器(3-1)输出脉冲序列的重复频率相同。
4.利用权利要求2所述的微波光子矢量网络分析装置对微波器件散射参数的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设定测试频率范围为fM～fN，分辨率为Δf，令fi＝fM；
2)将被测微波器件的两个端口分别连接到信号加载模块(2)的测试端口一和测试端口二之间；
3)所述的信号处理模块(4)指令微波源(1)产生频率fi的单频信号，该单频信号被功分器(2-1)分为两路：一路输入光采样模块(3)的参考支路调制器(3-3)的射频输入端口；另一路加载到所述的微波开关(2-2)输入端；
4)所述的微波开关(2-2)切换至第①输出端，将输入的信号经所述的第一定向耦合器(2-3)加载到待测微波器件的一个端口上，透过待测微波器件的信号经第二定向耦合器(2-4)输入所述的第二测试支路调制器(3-5)的射频输入端口；被待测微波器件反射的信号，经第一定向耦合器(2-3)输入所述的第一测试支路调制器(3-4)的射频输入端口；
5)所述的光脉冲序列发生器(3-1)输出的光脉冲序列经所述的光耦合器(3-2)功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器(3-3)对功分器(2-1)输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)分别对被测器件反射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块(3-6)、电模数转换模块(3-7)得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块(4)；
6)所述的信号处理模块(4)计算第一测试支路的信号幅度A11,以及第一测试支路信号与参考支路信号的相位差θ11,得到待测微波器件在该频点的S11参数：A11exp(jθ11)，其中j为虚数单位；
7)所述的信号处理模块(4)计算第二测试支路信号的幅度A21，以及第二测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ21，得到待测微波器件在该频点S21参数，该参数可以表示为A21exp(jθ21)，其中j为虚数单位；
8)将所述的微波开关(2-2)切换至第②输出端，将输入的信号经第二定向耦合器(2-4)加载到待测微波器件的另一端口上，透过待测微波器件的信号经第一定向耦合器(2-3)输入所述的第一测试支路调制器(3-4)的射频输入端口；被待测微波器件反射的信号，经第二定向耦合器(2-3)输入所述的第二测试支路调制器(3-5)的射频输入端口；
9)所述的光脉冲序列发生器(3-1)输出的光脉冲序列经所述的光耦合器(3-2)功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器(3-3)对功分器(2-1)输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)分别对被测器件透射和反射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块(3-6)、电模数转换模块(3-7)得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块(4)；
10)所述的信号处理模块(4)计算第一测试支路的信号幅度A12，以及第一测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ12，得到待测微波器件在该频点S12参数，该参数可以表示为A12exp(jθ12)，其中j为虚数单位；
11)所述的信号处理模块(4)计算第二测试支路的信号的幅度A22，以及第二测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ22，得到待测微波器件在该频点S22参数，该参数可以表示为A22exp(jθ22)，其中j为虚数单位；
12)令fi＝fi+Δf，当fi≤fN,返回步骤3)；否则，则进入下一步；
13)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22进行校准。
5.利用权利要求3所述的微波光子矢量网络分析装置对微波器件散射参数的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设定测试频率范围为fM～fN，分辨率为Δf，令fi＝fM；
2)将被测微波器件的两个端口分别连接到信号加载模块(2)的测试端口一和测试端口二之间；
3)所述的信号处理模块(4)指令微波源(1)产生频率fi的单频信号，该信号被送入微波开关(2-1)；
4)所述的微波开关(2-1)切换至①侧，单频信号被第一功分器(2-2)分为两路，一路输入光采样模块(3)的第一参考支路调制器(3-3)的射频输入端口；另一路加载到第一定向耦合器(2-3)上；
5)所述的第一定向耦合器(2-3)将输入的信号加载到被测微波器件的一个端口上，透过被测微波器件的信号输入光采样模块(3)的第二测试支路调制器(3-5)的射频输入端口；被被测微波器件反射的信号，经第一定向耦合器(2-3)输入光采样模块(3)的第二测试支路调制器(3-4)的射频输入端口。
6)所述的光脉冲序列发生器(3-1)输出的光脉冲序列经所述的光耦合器(3-2)功分为四路，分别作为第一参考支路、第一测试支路、第二测试支路、第二参考支路的采样脉冲序列；参考支路调制器一(3-3)对第一功分器(2-2)输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)分别对被测器件反射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块(3-6)、电模数转换模块(3-7)得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块(4)；
7)所述的信号处理模块(4)，计算第一测试支路信号的幅度A11，以及第一测试支路的信号与第一参考支路信号的相位差θ11，得到待测微波器件在该频点S11参数，该参数表示为A11exp(jθ11)，其中j为虚数单位；
8)所述的信号处理模块(4)，计算第二测试支路的信号的幅度A21以及第二测试支路的信号与第一参考支路信号的相位差θ21，得到待测微波器件在该频点S21参数，该参数表示为A21exp(jθ21)，其中j为虚数单位；
9)所述的微波开关(2-1)切换至②侧，单频信号被第二功分器(2-5)分为两路，一路输入光采样模块(3)的第二参考支路调制器(3-9)的射频输入端口；另一路加载到第二定向耦合器(2-4)上；
10)所述的光脉冲序列发生器(3-1)输出的光脉冲序列经所述的光耦合器(3-2)功分为四路，分别作为第一参考支路、第一测试支路、第二测试支路、第二参考支路的采样脉冲序列；第二参考支路调制器(3-9)对第二功分器(2-5)输出的微波信号直接采样；第一测试支路调制器(3-4)、第二测试支路调制器(3-5)分别对被测器件透射和反射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块(3-6)、电模数转换模块(3-7)得到相应的数字化的采样结果送入所述的信号处理模块(4)；
11)所述的信号处理模块(4)，计算第一测试支路的信号的幅度A12，以及第一测试支路的信号与第二参考支路信号的相位差θ12，得到待测微波器件在该频点S12参数，该参数表示为A12exp(jθ12)，其中j为虚数单位；
12)所述的信号处理模块(4)计算第二测试支路的信号的幅度A22，以及第二测试支路的信号与第二参考支路的信号相位差θ22，得到待测微波器件在该频点S22参数，该参数表示为A22exp(jθ22)，其中j为虚数单位；
13)令fi＝fi+Δf，当fi≤fN,返回步骤3)；否则，则进入下一步；
14)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22进行校准。
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