CN109120253A - 模拟信号隔离器 - Google Patents

Abstract

公开了一种诸如电子器件测试探针的信号隔离测试仪器。该仪器包括用来接收浮置模拟信号的输入。采用上转换器来将浮置模拟信号调制至微波频率模拟信号。该仪器中的隔离势垒防止浮置模拟信号至地面接地的耦合。该仪器采用微波结构来经由电磁耦合跨隔离势垒传输微波频率模拟信号。然后采用下转换器来对微波频率模拟信号解调以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。

Description

模拟信号隔离器

相关申请的交叉引用

本申请要求来自2017年6月23日提交且题为“Analog Signal Isolator”的美国临时专利申请序列号62/524295的权益，通过引用将其并入本文，如同以其整体复制一样。

技术领域

本公开针对与测试和测量系统的方面相关联的系统和方法，并且更特别地针对用于在信号测试期间提供浮置信号（floating signal）和接地参考信号之间的隔离的系统和方法。

背景技术

测试和测量系统被设计成例如从被测设备（DUT）接收信号输入，对信号采样和将结果显示为波形。诸如示波器之类的测试和测量系统可以包含至接地的连接。该示波器还可以测量作为输入电压和接地之间的差的电压。然而，在一些情况下，用户可能希望测量节点相对于另一个节点的电压，其两者可能相对于接地浮置。在其他情况下，DUT可能被设计有浮置接地，以使得DUT在没有至示波器的接地的直接连接的情况下采用部件。在此类情况下，DUT和示波器之间的直接连接导致参考错误接地进行测量，这可能导致错误数据、不适当定标（scaling）并且可能超过示波器的设计约束。例如，在接近100伏特（V）下操作的一对节点将需要示波器测量并且显示100伏特值，即使该两个信号之间的差大约是一伏特。这可导致由于大的基极电压值（base voltage value）而使精细差分测量混乱。为了克服这些顾虑，可以采用隔离系统来防止DUT中的信号变成直接连接至示波器的接地。

本公开中的示例解决这些和其他问题。

附图说明

根据参考附图的实施例的以下描述，本公开的实施例的方面、特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1是包括浮置信号和接地参考测试和测量系统之间的隔离势垒的示例测试网络的示意图。

图2是示例模拟隔离器的示意图。

图3是用于模拟隔离器的示例基于波导的微波结构的示意图。

图4是用于微波结构的具有法兰的示例对接间隙波导布局的截面。

图5是用于微波结构的示例重叠间隙波导布局的截面。

图6是用于微波结构的不具有法兰的示例对接间隙波导布局的截面。

图7是用于微波结构的示例电介质波导布局的截面。

图8A-8C是用于模拟隔离器的示例基于耦合线的微波结构的示意图。

图9是经由电磁耦合将信号在模拟隔离器上传输的示例方法的流程图。

图10是作为频率的函数的通过模拟隔离器耦合的示例信号的曲线图。

具体实施方式

可以采用各种隔离机制来使浮置信号与接地测试仪器隔离。例如，光纤系统可以采用浮置信号来调制DUT处的光学信号。然后在测试仪器处将该光学信号转换回到电域。这样的系统可能需要DUT处的单独电源，并且因此可能增加系统的复杂性。进一步地，光学技术可能实施起来是昂贵的。作为另一示例，变压器可以在提供隔离的同时将DUT磁耦合至测试仪器。这样的系统通过变压器内的寄生电容而被限制到相对低的频率。

本文中公开了一种用于通过隔离势垒将浮置模拟信号电磁耦合至接地参考的测试和测量仪器的机制。例如在信号探针、链路、和/或测试和测量系统输入端口/附件中，在DUT与测试和测量系统之间实施隔离势垒。该机制采用用来接收浮置模拟信号的输入和用来将浮置模拟信号调制至期望微波频带（例如在约1千兆赫兹（GHz）和约100 GHz之间）的上转换器。采用隔离势垒来使电路的DUT侧与接地隔离。微波结构跨隔离势垒来电磁耦合微波频率模拟信号，但是并不跨隔离势垒来耦合期望微波频带之外的信号（例如亚微波信号）。下转换器然后对微波频率模拟信号解调以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。示例微波结构可以包括在隔离势垒处具有间隙的导电波导。该间隙可以包括具有高击穿电压的电介质，诸如聚酰亚胺（KAPTON）。作为另一示例，微波结构可以包括被选择以保持在微波频带下的全内反射的电介质波导，并且因此在防止电荷跨隔离势垒的带外移动的同时约束波导中的微波频率模拟信号。作为另一示例，该微波结构可以包括跨隔离势垒电磁耦合至一对差分输出导电迹线的一对差分输入导电迹线。该迹线可以被定位成共享虚拟接地。该虚拟接地可以是电压针对期望差分微波信号抵消（cancel out）的区域，并且因此充当接地，而没有抵消来自浮置模拟信号的共模，并且因此充当开路。该差分导电迹线可以包括短截线（stub）迹线，其可以充当针对上转换器/下转换器的偏置连接。该短截线迹线还可以执行阻抗匹配功能，这可以增加可跨隔离势垒耦合的微波频带的范围。

图1是包括浮置信号和接地参考测试和测量系统之间的隔离势垒125的示例测试网络100的示意图。该测试网络100包括DUT 110、信号探针113、链路115和测试系统117，其可以如所示的那样耦合。测试信号131可以在DUT 110处生成并且被传达至测试系统117以用于测试。

DUT 110是被配置成传导电信号（诸如测试信号131）的任何信号源。该DUT 110可以是用户可能期望测试以便确定相关电特性的任何设备。该测试信号131可以是由DUT 110生成的任何电信号并且被转发至测试系统117以用于测试。该DUT 110可以包括浮置接地121。浮置接地121描述不存在至地面接地的直接连接的任何电路。当用户期望测试两个节点相对彼此的电特性而不是相对于接地的电特性时，可发生浮置接地121。在将底盘（chassis）用作本地接地的电池供电的设备中还可能存在浮置接地121。当因为降噪原因而将DUT部件接地至作为本地接地的底盘时还可能存在浮置接地121。在任何情况下，如果不适当地隔离，将DUT 110与浮置接地121耦合可能对用户和/或测试装备变得危险。具体来说，当接地的测试系统完全耦合至这样的DUT 110时，DUT 110中的电流（除了测试信号131之外）可经由测试系统117和/或经由用户寻求地面接地。这可能对用户造成伤害和/或对测试装备造成损坏。

测试系统117可以是被配置成测试DUT 110的电特性的任何系统。例如，测试系统117可以包括具有用来基于测试信号131生成波形、显示这样的波形、执行频域变换、基于测试信号131来存储所计算的值等等的部件的示波器。该测试系统117可以是接地参考123。接地参考123系统是具有耦合至地面接地的电子器件的任何系统。

该测试系统117可以经由信号探针113和/或链路115耦合至DUT 110。信号探针113是被设计成耦合至DUT 110以为测试信号131提供连接的任何设备。该信号探针113可以包含用来将链路115固定至DUT 110的适当区段以保持与测试信号131的接触的附接。该链路115可以是任何电缆或能够将测试信号131传达至测试系统117的其他导电材料。

如上面指出的，当在DUT 110处采用浮置接地121时，可以采用隔离势垒125来防止DUT 110中的电流经由接地参考123测试系统117寻求接地。该隔离势垒125可以包括充当开路并且因此经由测试系统117否定至接地的当前路径的任何非导电材料。该隔离势垒125可以在DUT 110的信号输出处、信号探针113中、链路115中和/或测试系统117的输入端口处实施。如下面讨论的，采用微波结构来在否定DUT 110处的直流（DC）跨隔离势垒125的至接地的直接路径的同时传达跨隔离势垒125的测试信号131。为了简单的目的，隔离势垒125通常在下面被讨论为在信号探针113中实施。然而，可以在DUT 110中的连接和测试系统117的输入之间的任何点处（包括在测试系统117的输入端口处）实施该隔离势垒125和伴随的微波结构。

图2是示例模拟隔离器200的示意图，可以采用该模拟隔离器200来穿过（traverse）测试网络（诸如测试网络100）中的隔离势垒。可以在信号探针中和/或在测试仪器输入端口中实施该模拟隔离器200。例如，该模拟隔离器200电路可以安装（fit）在信号探针部件盒（comp box）中。该模拟隔离器200包括如所示的那样耦合的输入241、前置放大器242、上转换器243、输入振荡器244、跨隔离势垒247定位的微波结构250、下转换器249和输出振荡器248。

该输入241被配置成接收模拟隔离器200的输入侧271处的浮置模拟信号232。该输入241的实施可以基于模拟隔离器200的实现来改变。例如，输入241可以包括被设计成耦合至DUT的探针尖端。作为另一示例，该模拟隔离器200可以是耦合在探针和示波器之间的附件，在该情况下输入241可以是信号探针连接器。该浮置模拟信号232可以是不耦合至用于测试目的的地面接地的任何测试信号。该浮置模拟信号232可以是在测试期间针对其来丢弃共模电压差的差分信号、本地底盘接地参考信号和/或与要通过隔离势垒247从地面接地隔离的浮置接地（诸如浮置接地121）相关联的任何其他信号的一部分。

该前置放大器242可以是被配置成增大或减小浮置模拟信号232的增益以便优化信号振幅以用于进一步处理的任何放大器。该前置放大器242还可以提供直流（DC）偏移（offset）至浮置模拟信号232以帮助优化信号振幅。

该上转换器243经由前置放大器242耦合至输入241。该上转换器243是被配置成增大信号的频率的任何部件。该上转换器243还可以被称为混频器/上混频器。该上转换器243被设计成将浮置模拟信号232调制成微波频率模拟信号233。具体来说，该上转换器243增加浮置模拟信号232的频率。如下面讨论的，该微波结构250被设计成在允许跨隔离势垒的指定频率信号（例如微波频率信号）同时阻挡低频信号。因此，该上转换器243增加浮置模拟信号232的频率以将信号置于能够通过微波结构250的波段（band）中。该上转换器243还耦合至输入振荡器244。该输入振荡器244是能够生成周期振荡电信号的任何设备。该上转换器243采用来自输入振荡器244的电信号来增加浮置模拟信号232的频率。例如，该上转换器243可以使浮置模拟信号232乘以来自输入振荡器244的电信号以获得微波频率模拟信号233。作为具体示例，1GHz带宽的浮置模拟信号232和以6GHz操作的输入振荡器244可导致占用约5至7GHz的范围的微波频率模拟信号233。

隔离势垒247被设计成阻止浮置模拟信号232至地面接地的耦合。例如，该隔离势垒247可以是不包括从模拟隔离器200的输入侧271（例如从输入241）至模拟隔离器200的输出侧272的导电路径的区域。因此，该隔离势垒247通过确保电荷不具有输入侧271和输出侧272之间的直接导电路径来使输入侧271从输出侧272隔离。该隔离势垒247可以将微波结构250二等分。而且，因为下面讨论的原因，该隔离势垒247可以被选择成小于跨微波结构250的微波频率模拟信号233的约四分之一波长。

该微波结构250是被设计成经由电磁耦合跨隔离势垒247来传输微波频率模拟信号233的电路。该微波结构250包括被非导电材料的间隙分开的发射元件和接收元件。例如，非导电材料的间隙可以被选择为微波频率模拟信号233的波长的约四分之一或者更少。这允许微波频率模拟信号233在防止亚微波信号跨势垒247通过的同时穿过隔离势垒247。这允许信号在保持隔离且防止浮置模拟信号232变成接地的同时跨过。亚微波信号可以是具有低于约1GHz的频率的任何信号（例如包括直流和低频信号）。该微波结构250可以充当模拟滤波器。因此，可以将该微波结构250调谐成允许期望频带跨过（例如基于输入振荡器244来选择，例如5至7GHz）。进一步地，可以将该上转换器243和输入振荡器244调谐成确保微波频率模拟信号233占用可以由微波结构250通过的频带。例如，该微波结构250可以被设计成使微波波段的某一范围内的任何信号通过，其可以从约1GHz和约100GHz之间延伸。照此，该上转换器243可以将浮置模拟信号232的频率增加至微波波段，并且微波结构250可以跨隔离势垒247传播微波频率信号（例如微波频率模拟信号233）。

该模拟隔离器200包括输出侧272上的下转换器249。该下转换器249耦合至微波结构250并且通过隔离势垒247与浮置模拟信号232隔离。该下转换器249还可以被称为混频器/下混频器。该下转换器249是被配置成减小信号的频率的任何部件。该下转换器249被配置成对微波频率模拟信号233解调以获得对应于浮置模拟信号232的接地参考测试信号234。换言之，该下转换器249被配置成将频率降低至上转换器243增加频率的相同程度（extent）。这确保模拟隔离器200对穿过隔离器200的信号具有最小化的影响。照此，接地参考测试信号234可以是与浮置模拟信号232基本上相同的信号，但是电路的输入侧271仍可以与连接至电路的输出侧272的接地隔离。该下转换器249可以连接至输出振荡器248，其可以基本上类似于输入隔离器244。该输出隔离器248可以提供被下转换器249采用（例如相乘、混频等等）来将微波频率模拟信号233恢复至浮置模拟信号232的频率的周期振荡信号。应该指出，该输入振荡器244可以是跨隔离势垒247利用输出振荡器248来频率锁定的。这允许上转换通过下转换而是完全可逆的。可以例如通过在设计上类似于微波结构250的微波结构、变压器、电容器和/或光学隔离器来实现输入振荡器244和输出振荡器248之间的频率锁定。

图3是用于模拟隔离器（诸如模拟隔离器200）的示例基于波导的微波结构300的示意图。例如，基于波导的微波结构300可以实施微波结构250。结构300被构建在衬底357上。该衬底357可以是用来保持电路部件的任何非导电结构，诸如印刷电路板（PCB）。该衬底357包括输入侧371和输出侧372，其可以基本上分别类似于输入侧271和输出侧272。该衬底357还包括位于输入侧371和输出侧372之间的非导电材料的隔离势垒347。该隔离势垒347可以是穿过整个设备的更大隔离势垒（诸如隔离势垒247）的子区段（subsection）。

该结构300可以包括从衬底357的输入侧371朝向隔离势垒347延伸的导电材料的输入波导发射（launch）351。该波导发射（诸如输入波导发射351）是将来自链路（例如同轴线）的信号导电地转变成电磁波以进入到波导（诸如波导353）中的任何部件。该结构300还可以包括从衬底357的输出侧372朝向隔离势垒347延伸的导电材料的输出波导发射355。该输出波导发射355可能基本上类似于输入波导发射351，但是可使来自波导353的电磁波导电地转变回到链路。例如，该输入波导发射351和输出波导发射355可以由黄铜片制成。该输入波导发射351接收输入侧371上的微波频率模拟信号333。该微波频率模拟信号333可基本上类似于微波频率模拟信号233。该微波频率模拟信号333可以是如上面讨论的上转换的浮置信号。经由波导353跨隔离势垒347转发该微波频率模拟信号333，并且经由输出侧372上的输出波导发射355离开衬底357转发该微波频率模拟信号333以用于如上面讨论的下转换。

该结构300还包括波导353。该波导353耦合至输入波导发射351和输出波导发射355。跨隔离势垒347来定位该波导353。该波导353被结构化成以微波频率（例如1至100GHz）来在输入波导发射351和输出波导发射355之间提供电磁耦合。该波导353还被结构化成当传导直流时在输入波导发射351和输出波导发射355之间提供隔离。该波导353可以采用各种结构来提供此功能。例如，可以通过在输入侧371上采用一个或多个导电结构以及在输出侧372上采用一个或多个对应导电结构来实施波导353。这样的导电结构在隔离势垒357处被非导电材料和/或电介质的间隙分开。下面关于图4-7来讨论这样的实现的示例。这样的间隙可以是微波频率模拟信号333的约四分之一波长或更小，这允许微波频率在为DC信号提供隔离并因此防止浮置接地信号的接地的同时跨过该间隙。

在另一示例中，该波导353由跨隔离势垒347定位的介电材料制成，并且不由导电材料制成。选择该电介质来在微波频率下向信号提供电介质边界处的全内反射，并且因此将任何耦合信号约束在波导内。换言之，该电介质波导353可以经由内反射跨隔离势垒347来传播微波频率模拟信号333。此方法提供隔离并且传播信号。进一步地，此方法可以耦合比四分之一波长更远的微波频率模拟信号333。这可允许以更小的所需精度来构建结构300，并允许物理上比基于带间隙的导体的波导更长的隔离断裂。例如，在缺少导体的情况下，电介质波导353可以通过使得波导353任意长来提供任意高的隔离电压和任意低的耦合电容。

如下面讨论的，图4-7描绘可以被采用作为波导353的一部分和/或作为微波结构250的一部分的各种波导。在这些示例中，实心黑表示导体（例如金属），并且有界白框表示电介质。在这样的情况下，电介质表示隔离势垒。在示例布局400、500和600中，微波能量沿着上导体和下导体之间的开放空间行进，其中导体用来将微波能量反射回到波导中，否则该微波能量将向外散布。在示例布局700中，没有采用导体，但是电介质的表面处的全内反射用来以类似的方式引导微波。在某些情况下，所示的相对尺度可能是重要的。例如，波导壁之间的开放空间可以包括约λ/2的尺度以支持波传播，而间隙/电介质/隔离器可以包括小于λ/4的尺度，以将通过间隙的能量泄漏最小化。在此上下文中，λ是要通过间隙/电介质/隔离器传播的微波信号的波长。应该指出，电介质波导被描绘成具有较小的尺度，因为通过电介质的对于指定频率的波长比在空气中对于相同频率信号的波长更短。而且，在制造期间电介质的表面可粘连一些环境污染，并且因此可能比固体电介质经受更少的电场。照此，在布局400、500和600中的每一个中的电介质放置允许沿电介质表面的隔离距离比通过电介质的块体（bulk）的隔离距离更长。导体之间的间隙可能是小的以将微波泄漏最小化，但是电介质可以延伸超过间隙以增加表面隔离距离。

图4是用于微波结构（诸如微波结构250）的具有法兰的示例对接间隙波导布局400的截面。例如，可以采用布局400来构造波导353。对接间隙波导布局400是跨隔离势垒447具有间隙的示例波导。该波导布局400包括在隔离势垒447处具有间隙的输入波导材料461和输出波导材料463。在布局400中，输入波导材料461和输出波导材料463每一个包括被金属壁围绕的空心部分（例如用空气填充）。穿过波导材料461和/或463的信号可穿过空心区域并由于内反射而弹离壁。

该间隙可被称为对接间隙，因为波导材料461和463的末端通常对齐以在之间具有间隙的情况下靠着彼此一直对接至隔离势垒447。这可与隔离势垒147、247和/或347基本上类似。该输入波导材料461和输出波导材料463可以在隔离势垒447处跨间隙电磁耦合。因此，微波频率模拟信号433可以穿过输入波导材料461并经由输入波导材料461与输出波导材料463之间的电磁耦合穿过隔离势垒。微波频率模拟信号433可以与微波频率模拟信号233和/或333基本上类似。

在图4中将该间隙示出为隔离器465。该隔离器465是防止直流流动并且因此防止在布局400的输入侧上的信号的接地的任何部件。在一些示例中，隔离器465可以包括没有导电迹线（例如没有导电壁）的PCB的区域。这也可以被称为气隙。在另一示例中，隔离器465可以包括跨隔离势垒447的介电材料。采用电介质作为隔离器465提供了用于使其他部件耦合的结构部件，并且因此提供了额外的稳定性以及隔离。照此，包括在隔离器465中的电介质可允许较不精确的制造过程。可以采用具有高击穿电压的电介质（诸如聚酰亚胺）。该方法可以提供多个千伏特（kV）的电流隔离，具有约为5毫米的间隙。如上面所提到的，隔离器465可能小于微波频率模拟信号433的约四分之一波长。

图5是用于微波结构（诸如微波结构250）的示例重叠间隙波导布局500的截面。例如，可以以与布局400类似的方式采用布局500来构造波导353。布局500包括输入波导材料561、输出波导材料563、隔离势垒547和隔离器565，其可以分别基本上类似于输入波导材料461、输出波导材料463、隔离势垒447和隔离器465。微波频率模拟信号533（其可以与微波频率模拟信号433基本上类似）行进通过布局500。然而，波导布局500包括在隔离势垒547处具有重叠间隙的波导材料561和563。输入波导材料561和输出波导材料563可以延伸到隔离势垒547。在一些示例中，输入波导材料561和输出波导材料563甚至可以在隔离势垒547上延伸。然而，隔离器565保持隔离势垒547，即使当这样的重叠发生时。当执行电磁耦合时所示的重叠间隙波导布局500可具有某些有益的性质。例如，由于导电材料的物理结构，重叠间隙配置中的电磁耦合可导致非常小的信号泄漏。与布局400一样，输入波导材料561和输出波导材料563每一个包括被金属壁围绕的空心部分（例如用空气填充）。穿过波导材料561和/或563的信号可以穿过空心区域并由于内反射而弹离壁，在此情况下不穿过隔离器565。

图6是用于微波结构（诸如微波结构250）的不具有法兰的示例对接间隙波导布局600的截面。例如，可以以与布局400和500类似的方式采用布局600来构造波导353。布局600包括输入波导材料661、输出波导材料663、隔离势垒647和隔离器665，其可以分别基本上类似于输入波导材料461、输出波导材料463、隔离势垒447和隔离器465。微波频率模拟信号633（其可以与微波频率模拟信号433基本上类似）行进通过布局600。与布局400不同，布局600在输入波导材料661和输出波导材料663之间采用隔离器665。在布局400中，输入波导材料661和输出波导材料663每一个包括被金属壁围绕的空心部分（例如用空气填充）。在此情况下，空心部分跨隔离势垒647延伸。照此，微波频率模拟信号633在不穿过隔离器665的情况下穿过空心部分。

图7是用于微波结构（诸如微波结构250）的示例电介质波导布局700的截面。例如，可以以与布局400、500和600类似的方式采用布局700来构造波导353。布局700包括穿过隔离势垒747的隔离器765。在此情况下，输入波导材料761和输出波导材料763包括隔离器765。微波频率模拟信号733可以穿过隔离器765。该隔离器765包括非导电材料，并且包括被选择成在防止亚微波频率信号交叉的同时允许微波频率模拟信号733跨隔离器765延伸的长度。

图8A-8C是用于模拟隔离器（诸如模拟隔离器200）的示例基于耦合线的微波结构800的示意图。例如，基于耦合线的微波结构800可以实施微波结构250。图8A、8B和8C分别图示基于耦合线的微波结构800的顶视图、底视图和截面视图。结构800被构建在衬底857（诸如PCB）上。为了讨论的目的，衬底857包括如图8A中示出的输入侧871和如图8B中示出的输出侧872。衬底857还包括近端873和远端874。基于耦合线的微波结构800图示在隔离势垒的输入侧上包括输入导体的示例微波结构，该输入导体被实施为差分输入迹线。该结构800还包括在被实施为差分输出迹线的隔离势垒的输出侧上的输出导体。然后，输入导体和输出导体跨隔离势垒电磁耦合。首先对如图8A中示出的输入侧871进行参考。

结构800被实施为差分系统。在差分系统中，传播信号值被表示为一对信号值之间的差。因此，结构800包括从衬底857的输入侧871的近端873延伸的一对差分输入迹线。该对差分输入迹线包括正输入迹线854和负输入迹线855。分别地，该正输入迹线854耦合至正输入852，并且负输入迹线855耦合到负输入851。例如，正输入852可以从上转换器的正输出接收正浮置模拟信号。同样地，负输入851可以从上转换器的负输出接收负浮置模拟信号。

正输入迹线854和负输入迹线855包括导电材料，并从近端873朝向隔离势垒847延伸，该隔离势垒847可以基本上类似于隔离势垒247。照此，分别地，正输入迹线854传导正浮置模拟信号并且负输入迹线855传导负浮置模拟信号。参考图8C，隔离势垒847包括非导电材料（例如PCB材料）。隔离势垒847被包括在衬底857中，并且在输入侧871和输出侧872之间延伸。通过隔离势垒847将正输入迹线854和负输入迹线855施加至衬底857的输入侧871。返回参考图8A，该正输入迹线854和负输入迹线855载送互补且相对的（opposite）信号。照此，在正输入迹线854和负输入迹线855之间感应的电压在迹线之间的区域中抵消。这导致零电压的区域，其充当用于差分信号的虚拟共用接地861。从电的观点来看，该虚拟共用接地861充当接地但不是导电的，并且因此不充当对于直流电压的相对于隔离势垒847的接地连接。

现在参考图8B，输出侧872实质上镜像（mirror）输入侧871。该结构800包括从衬底857的输出侧872的远端874延伸的一对差分输出迹线。该差分输出迹线包括正输出迹线858以传导对应于正浮置模拟信号的正接地参考测试信号。该差分输出迹线还包括负输出迹线856以传导对应于负浮置模拟信号的负接地参考测试信号。分别地，该正输出迹线858耦合到正输出863并且负输出迹线856耦合到负输出862。例如，正输出863可以向下转换器的正输入输出正浮置模拟信号。同样，负输出862可以向下转换器的负输入输出负浮置模拟信号。如上面指出的，隔离势垒847位于差分输入迹线和差分输出迹线之间。该差分输入迹线和差分输出迹线以微波频率跨隔离势垒电磁耦合。例如，正输入迹线854跨隔离势垒847传输正浮置模拟信号，以用于在正输出迹线858处作为正接地参考测试信号的接收。同样，负输入迹线855跨隔离势垒847传输负浮置模拟信号，以用于在负输出迹线856处作为负接地参考测试信号的接收。然而，隔离势垒847是非导电的。照此，隔离势垒847提供抵抗传导直流的差分输入迹线与差分输出迹线的隔离。因此，隔离势垒847在允许微波频率信号跨过（例如在如参考图2讨论的上转换之后）的同时防止输入侧上的浮置模拟信号变成接地。进一步地，以与输入迹线相同的方式来定位该正输出迹线858和负输出迹线856以创建虚拟接地861。照此，该差分输入迹线和差分输出迹线被定位成为差分微波模拟信号创建虚拟共用接地861平面并且为来自浮置输入的共模信号创建虚拟开路。换句话说，该输入导体包括共享虚拟接地的一对差分导体，并且输出导体包括共享相同的虚拟接地的一对差分导体。因此正输入迹线854和正输出迹线858在共用虚拟接地上形成耦合传输线带通滤波器，并且可以被调谐成跨隔离势垒耦合微波模拟信号。类似地，负输入迹线855和负输出迹线856在共用虚拟接地上形成耦合传输线带通滤波器，并且可以类似地被调谐成跨隔离势垒耦合微波模拟信号。

参考图8C，衬底857包含在近端上充当浮置接地865的导电层。该衬底857还包括在远端上充当地面接地864的导电层。该浮置接地865和地面接地864通过隔离势垒847分开以保持输入侧871和输出侧872之间的隔离。接地865和864被各种部件用来完成导电电路。例如，来自上转换器243的已完成电路可能需要至浮置接地的路径，而来自下转换器249的已完成电路可能需要至地面接地的路径。浮置接地865和地面接地864可以提供这样的接地路径。如图8A中示出的，输入短截线迹线853可以提供从差分输入迹线至浮置接地865的连接。而且，如图8B中示出的，输出短截线迹线859可以提供从差分输出迹线至地面接地864的连接。该短截线迹线853和859可以由导电材料制成。进一步地，该短截线迹线853和859可以被大小确定（size）为在隔离势垒847和对应短截线迹线通过衬底层分别连接至对应接地865和864的点之间的长度上的四分之一波长处。该差分输入迹线和差分输出迹线包括四分之一波长短截线迹线853和859以提供载波频率处的阻抗匹配和载波频率以外的本地接地短路。例如，四分之一波短截线可以提供载波频率下的高阻抗，但是当频率从载波偏离时可能在阻抗方面下降，并且在DC或载波频率的两倍下可能变成短路。然而，耦合线带通滤波器可以在频率从载波偏离时提供增加的阻抗，并且可以在DC或载波频率的两倍下变成开路。该两个阻抗改变（shift）用来部分地彼此抵消，从而允许在更宽的带宽上的更好的阻抗匹配。

作为具体示例，在每侧50欧姆的阻抗下，在两侧具有约100欧姆的差分阻抗的情况下，每个耦合线对可以具有比其奇模阻抗大100欧姆的偶模阻抗，两者是关于跨虚拟共用接地861延伸的虚拟接地平面得到的。该短截线迹线853和859可以充当针对穿过隔离势垒847的微波频率信号的滤波器。例如，当被大小确定为约四分之一波长时，该短截线迹线853和859可增加能够穿过隔离势垒的微波频带的大小。因此，短截线迹线853和859可充当宽带滤波器，并且可增加隔离器的有效微波频率范围。换句话说，微波结构800包括针对上转换器操作为DC路径且针对微波频率模拟信号操作为阻抗匹配滤波器的短截线853。而且，微波结构800包括针对下转换器操作为DC路径且针对微波频率模拟信号操作为阻抗匹配滤波器的短截线859。应该指出，在一些示例中，可以省略短截线迹线853和859，有利于上面提到的差分输入迹线和差分输出迹线的对偶（dual），其中耦合线的未连接末端短路至接地。此类配置可以以类似的方式工作，但可由于几何约束而难以实施。

图9是经由电磁耦合将信号在模拟隔离器上传输的示例方法900的流程图。例如，可以在操作于测试网络100中的模拟隔离器200中实施方法900。方法900可以在采用波导布局400、500、600、700中的任一个的微波结构300上操作。方法900还可以在基于耦合线的微波结构800上操作。在块901处，在输入（诸如输入241）处接收浮置模拟信号。然后在块903处通过前置放大器来对浮置模拟信号预放大。该浮置模拟信号被放大以便优化对于后续电路（诸如上转换器和/或下转换器）的动态范围的信号振幅。在块905处，将浮置模拟信号调制成微波频率模拟信号。例如，上转换器243可以通过使浮置模拟信号与来自输入振荡器的振荡信号混频/卷积来增加浮置模拟信号的频率。在块907处，经由微波结构（诸如微波结构300和/或800）跨隔离势垒来传输微波频率模拟信号。在块909处，可以对微波频率模拟信号解调以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。例如，下转换器249可以通过使微波频率模拟信号与来自输出振荡器248的振荡信号混频/卷积来减小微波频率模拟信号的频率。这导致在保持防止设备之间的接地的隔离势垒的同时基本上类似于且对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。

图10是作为频率的函数的通过模拟隔离器（诸如模拟隔离器200）耦合的示例信号的曲线图1000。曲线图1000描绘以分贝（dB）为单位的隔离势垒处的电压增益对以千兆赫兹（GHz）为单位的信号频率。如所示的，在约1GHz以下存在非常小的传输。随着频率增加到微波范围中（例如在1GHz以上），增益接近0dB或完全传输。对于所示的示例，大部分的功率是在约2 GHz和约6 GHz之间跨势垒传输的。这支持在4GHz中点的任一侧上的2GHz调制。然而，应该指出调谐（例如调整电路配置的物理尺度）可以改变允许通过隔离滤波器的频带。本文中讨论的各种模拟隔离器可以在微波频率范围的基本上任何部分中操作。

本公开的示例可以在特定创建的硬件上、在固件、数字信号处理器上、或在包括根据编程指令进行操作的处理器的专用编程通用计算机上操作。如在本文中使用的术语“控制器”或“处理器”旨在包括微处理器、微计算机、ASIC和专用硬件控制器。本公开的一个或多个方面可以被包含在由一个或多个计算机（包括监视模块）或其他设备来执行的计算机可用数据和计算机可执行指令中（诸如在一个或多个程序模块中）。一般来说，程序模块包括当由计算机或其他设备中的处理器执行时实行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等等。该计算机可执行指令可以被存储在非瞬时计算机可读介质（诸如硬盘、光盘、可移动存储介质、固态存储器、RAM等等）上。如本领域技术人员将认识到的，程序模块的功能可以在不同的示例中按照需要组合或分配。此外，该功能可以整体地或部分地包含在固件或硬件等同物（诸如集成电路、现场可编程门阵列（FPGA）等等）中。特定数据结构可以被用来更有效地实施本公开的一个或多个方面，并且这样的数据结构被考虑在本文中描述的计算机可执行指令和计算机可用数据的范围内。

利用各种修改并且以替代形式来操作本公开的各方面。已经在绘图中作为示例示出了具体方面并且下面在本文中详细地对其进行描述。然而，应该指出，本文中公开的示例是为了清楚讨论的目的呈现，并且其不旨在将所公开的一般概念的范围限制到本文中描述的具体示例，除非明确限制。照此，本公开旨在覆盖根据附图和权利要求的描述的方面的所有修改、等同物和替代。

在说明书中对实施例、方面、示例等等的参考指示所述条目可以包括特定特征、结构或特性。然而，每个公开的方面可能一定或者可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指的是相同方面，除非特别地指出。进一步地，当结合特定方面来描述特定特征、结构或特性时，可以结合另一公开的方面来采用这样的特征、结构或特性，而不管是否结合这样其他公开的方面来明确描述这样的特征。

在某些情况下，所公开的方面可以以硬件、固件、软件或其任何组合来实施。所公开的方面还可以被实施为由一个或多个或非瞬时计算机可读介质承载或存储在其上的指令，所述指令可以由一个或多个处理器来读取和执行。这样的指令可以被称为计算机程序产品。如本文中讨论的，计算机可读介质意指可以被计算设备访问的任何介质。作为示例并且不是限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。

计算机存储介质意指可以被用来存储计算机可读信息的任何介质。作为示例并且不是限制，计算机存储介质可以包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器或其他存储器技术、压缩盘只读存储器（CD-ROM）、数字视频盘（DVD）、或其他光盘储存器、磁带盒、磁带、磁盘储存器或其他磁性存储设备、以及以任何技术实施的任何其他易失性或非易失性、可移动或不可移动介质。计算机存储介质不包括信号本身和信号传输的瞬时形式。

通信介质意指可以被用于计算机可读信息的通信的任何介质。作为示例并且不是限制，通信介质可以包括同轴电缆、光纤电缆、空气或适合于电的、光的、射频（RF）、红外、声学或其他类型的信号的通信的任何其他介质。

示例。

下面提供本文中公开的技术的说明性示例。该技术的实施例可以包括下面描述的示例中的任何一个或多个以及任何组合。

示例1包括一种装置，其包括：用来接收浮置模拟信号的输入；耦合至该输入的上转换器，该上转换器用来将浮置模拟信号调制至微波频率模拟信号；隔离势垒，其用来防止浮置模拟信号至地面接地的耦合；以及微波结构，其用来经由电磁耦合跨隔离势垒传输微波频率模拟信号。

示例2包括示例1的装置，进一步包括耦合至微波结构并且通过隔离势垒从浮置模拟信号隔离的下转换器，该下转换器用来对微波频率模拟信号解调以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。

示例3包括示例2的装置，其中该微波结构将来自上转换器的大部分微波频率模拟信号耦合至下转换器。

示例4包括示例1-3的装置，其中该微波结构包括具有跨隔离势垒的间隙的波导。

示例5包括示例4的装置，其中跨隔离势垒的间隙包括介电材料。

示例6包括示例1-5的装置，其中该微波结构包括用来经由内反射跨隔离势垒传播微波频率模拟信号的电介质波导。

示例7包括示例1-6的装置，其中该微波结构包括在隔离势垒的输入侧上的输入导体和在隔离势垒的输出侧上的输出导体，该输入导体和输出导体跨隔离势垒电磁耦合。

示例8包括示例7的装置，其中该输入导体包括共享虚拟接地的一对差分导体，并且该输出导体包括共享虚拟接地的一对差分导体。

示例9包括示例6-8的装置，其中该微波结构包括针对上转换器操作为DC路径和针对微波频率模拟信号操作为阻抗匹配滤波器的短截线。

示例10包括示例1-9的装置，其中该隔离势垒将微波结构二等分，并且该隔离势垒小于微波频率模拟信号的四分之一波长。

示例11包括一种装置，其包括：衬底，所述衬底包括输入侧、输出侧、近端和远端；从衬底的输入侧的近端延伸的一对差分输入迹线；从衬底的输出侧的远端延伸的一对差分输出迹线；包括在衬底中的非导电材料的隔离势垒，该隔离势垒位于差分输入迹线和差分输出迹线之间以用于在微波频率下差分输入迹线和差分输出迹线之间的电磁耦合以及在亚微波频率下差分输入迹线与差分输出的隔离。

示例12包括示例11的装置，其中该差分输入迹线包括：用来传导正浮置模拟信号的正输入迹线；以及用来传导负浮置模拟信号的负输入迹线。

示例13包括示例11-12的装置，其中该差分输出迹线包括：用来传导对应于正浮置模拟信号的正接地参考测试信号的正输出迹线；以及用来传导对应于负浮置模拟信号的负接地参考测试信号的负输出迹线。

示例14包括示例11-13的装置，其中该差分输入迹线和差分输出迹线被定位成为差分信号创建虚拟共用接地平面并且为共模信号创建虚拟共用开路。

示例15包括示例11-14的装置，其中该差分输入迹线包括在微波频率下提供阻抗匹配的四分之一波长短截线迹线和本地偏置电流路径。

示例16包括一种装置，其包括：包括输入侧和输出侧的衬底；位于输入侧和输出侧之间的非导电材料的隔离势垒；从输入侧朝向隔离势垒延伸的导电材料的输入波导发射；从输出侧朝向隔离势垒延伸的导电材料的输出波导发射；以及耦合至输入波导发射和输出波导发射的波导，该波导跨隔离势垒来定位以用于在微波频率下输入波导发射和输出波导发射之间的电磁耦合以及在亚微波频率下输入波导发射和输出波导发射之间的隔离。

示例17包括示例16的装置，其中该波导包括由于在电介质的边界处的全内反射而将耦合信号约束在波导内的电介质。

示例18包括示例16的装置，其中该波导包括在隔离势垒处具有重叠间隙的波导材料。

示例19包括示例16的装置，其中该波导包括在隔离势垒处具有对接间隙的波导材料。

示例20包括示例16-19的装置，其中该波导包括在隔离势垒处具有间隙的波导材料，该间隙包括电介质。

示例21包括一种方法，其包括：接收浮置模拟信号；将浮置模拟信号调制成微波频率模拟信号；以及在测试和测量系统中经由微波结构跨隔离势垒传输微波频率模拟信号。

示例22包括示例21的方法，进一步包括在调制浮置模拟信号之前使浮置模拟信号预放大。

示例23包括示例21的方法，进一步包括对微波频率模拟信号解调以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。

示例24包括示例23的方法，其中通过使浮置模拟信号与来自输入振荡器的振荡信号进行卷积来将浮置模拟信号调制成微波频率模拟信号，其中通过使微波频率模拟信号与来自输出振荡器的振荡信号进行卷积来使微波频率模拟信号解调，并且其中将输出振荡器频率锁定至输入振荡器。

示例25包括示例21-24的方法，其中该隔离势垒将微波结构二等分，并且该隔离势垒小于微波频率模拟信号的四分之一波长。

示例26包括示例21-25的方法，其中该隔离势垒将微波结构二等分，并且该微波频率模拟信号在穿过隔离势垒的同时由于微波结构的全内反射而被约束在微波结构中。

先前描述的所公开的主题的示例具有许多优点，其或者被描述或者对普通技术人员来说将是显而易见的。即使如此，在所公开的装置、系统或方法的所有版本中不需要所有这些优点或特征。

另外，此书写的描述参考特定特征。要理解，本说明书中的公开包括那些特定特征的所有可能组合。在特定特征在特定方面或示例的上下文中公开的情况下，那个特征还可以尽可能地在其他方面和示例的上下文中使用。

而且，当在本申请中对具有两个或更多限定的步骤或操作的方法进行参考时，可以以任何顺序或同时地实施所限定的步骤或操作，除非上下文排除那些可能性。

虽然已经为了说明的目的图示和描述了本公开的具体示例，但是将理解的是，可以在不偏离本公开的精神和范围的情况下作出各种修改。因此，除了如由所附权利要求限制之外，本公开不应该受到限制。

Claims (26)

1.一种装置，其包括：

用来接收浮置模拟信号的输入；

耦合至该输入的上转换器，该上转换器用来将浮置模拟信号调制至微波频率模拟信号；

隔离势垒，其用来防止浮置模拟信号至地面接地的耦合；以及

微波结构，其用来经由电磁耦合跨隔离势垒传输微波频率模拟信号。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合至微波结构并且通过隔离势垒从浮置模拟信号隔离的下转换器，该下转换器用来对微波频率模拟信号解调，以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其中该微波结构将来自上转换器的大部分微波频率模拟信号耦合至下转换器。

4.根据权利要求1所述的装置，其中该微波结构包括具有跨隔离势垒的间隙的波导。

5.根据权利要求4所述的装置，其中跨隔离势垒的间隙包括介电材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其中该微波结构包括用来经由内反射跨隔离势垒传播微波频率模拟信号的电介质波导。

7.根据权利要求1所述的装置，其中该微波结构包括在隔离势垒的输入侧上的输入导体和在隔离势垒的输出侧上的输出导体，该输入导体和输出导体跨隔离势垒电磁耦合。

8.根据权利要求7所述的装置，其中该输入导体包括共享虚拟接地的一对差分导体，并且该输出导体包括共享虚拟接地的一对差分导体。

9.根据权利要求7所述的装置，其中该微波结构包括针对上转换器操作为直流（DC）路径和针对微波频率模拟信号操作为阻抗匹配滤波器的短截线。

10.根据权利要求1所述的装置，其中隔离势垒将微波结构二等分，并且该隔离势垒小于微波频率模拟信号的四分之一波长。

11.一种装置，包括：

衬底，其包括输入侧、输出侧、近端和远端；

从衬底的输入侧的近端延伸的一对差分输入迹线；

从衬底的输出侧的远端延伸的一对差分输出迹线；

包括在衬底中的非导电材料的隔离势垒，该隔离势垒位于差分输入迹线和差分输出迹线之间，以用于在微波频率下差分输入迹线和差分输出迹线之间的电磁耦合以及在亚微波频率下差分输入迹线与差分输出迹线的隔离。

12.根据权利要求11所述的装置，其中该差分输入迹线包括：

用来传导正浮置模拟信号的正输入迹线；以及

用来传导负浮置模拟信号的负输入迹线。

13.根据权利要求12所述的装置，其中该差分输出迹线包括：

用来传导对应于正浮置模拟信号的正接地参考测试信号的正输出迹线；以及

用来传导对应于负浮置模拟信号的负接地参考测试信号的负输出迹线。

14.根据权利要求11所述的装置，其中该差分输入迹线和差分输出迹线被定位成为差分信号创建虚拟共用接地平面并且为共模信号创建虚拟共用开路。

15.根据权利要求11所述的装置，其中该差分输入迹线包括在微波频率下提供阻抗匹配的四分之一波长短截线迹线和本地偏置电流路径。

16.一种装置，包括：

包括输入侧和输出侧的衬底；

位于输入侧和输出侧之间的非导电材料的隔离势垒；

从输入侧朝向隔离势垒延伸的导电材料的输入波导发射；

从输出侧朝向隔离势垒延伸的导电材料的输出波导发射；以及

耦合至输入波导发射和输出波导发射的波导，该波导跨隔离势垒来定位，以用于在微波频率下输入波导发射和输出波导发射之间的电磁耦合以及在亚微波频率下输入波导发射和输出波导发射之间的隔离。

17.根据权利要求16所述的装置，其中该波导包括由于在电介质的边界处的全内反射而将耦合信号约束在波导内的电介质。

18.根据权利要求16所述的装置，其中该波导包括在隔离势垒处具有重叠间隙的波导材料。

19.根据权利要求16所述的装置，其中该波导包括在隔离势垒处具有对接间隙的波导材料。

20.根据权利要求16所述的装置，其中该波导包括在隔离势垒处具有间隙的波导材料，该间隙包括电介质。

21.一种方法，包括：

接收浮置模拟信号；

将浮置模拟信号调制成微波频率模拟信号；以及

在测试和测量系统中经由微波结构跨隔离势垒来传输微波频率模拟信号。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括在调制浮置模拟信号之前使浮置模拟信号预放大。

23.根据权利要求21所述的方法，进一步包括对微波频率模拟信号解调，以获得对应于浮置模拟信号的接地参考测试信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其中

通过使浮置模拟信号与来自输入振荡器的振荡信号进行卷积来将浮置模拟信号调制成微波频率模拟信号；

通过使微波频率模拟信号与来自输出振荡器的振荡信号进行卷积来对微波频率模拟信号解调；以及

将输出振荡器频率锁定至输入振荡器。

25.根据权利要求21所述的方法，其中该隔离势垒将微波结构二等分，并且该隔离势垒小于微波频率模拟信号的四分之一波长。

26.根据权利要求21所述的方法，其中该隔离势垒将微波结构二等分，并且该微波频率模拟信号在穿过隔离势垒的同时由于微波结构的全内反射而被约束在微波结构中。