CN109710997A

CN109710997A - 在片噪声参数传递标准件的设计方法、系统及终端设备

Info

Publication number: CN109710997A
Application number: CN201811494606.XA
Authority: CN
Inventors: 吴爱华; 梁法国; 王一帮; 刘晨; 田秀伟; 霍晔; 荆晓冬; 栾鹏; 孙静
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: CN109710997B

Abstract

本发明提供了一种在片噪声参数传递标准件的设计方法、系统及终端设备，包括：建立S参数与噪声参数的函数关系；按照所述函数关系，定量分析在不同的S参数条件下，噪声参数的量值及不确定度的变化规律；根据所述变化规律，将噪声参数的最佳不确定度所对应的S参数作为初步设计参数；按照所述初步设计参数，结合加工工艺和物理边界条件，确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件。本发明基于S参数与噪声参数的函数关系，定量分析S参数变化对于噪声参数的量值及不确定度的影响，从而确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件，提高了准确度。

Description

在片噪声参数传递标准件的设计方法、系统及终端设备

技术领域

本发明属于微波噪声测量技术领域，尤其涉及一种在片噪声参数传递标准件的设计方法、系统及终端设备。

背景技术

在片噪声参数测量系统组成较为复杂，国际通行的做法是采用整体计量法。即依托“噪声参数传递标准件”实现四个噪声参数量值由标准值(含不确定度) 到被校系统的传递。目前的传递标准件缺乏不确定度优化设计，无法获得准确结果。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种在片噪声参数传递标准件的设计方法、系统及终端设备，以解决现有技术中无法获得准确结果的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种在片噪声参数传递标准件的设计方法，包括：

建立S参数与噪声参数的函数关系；

按照所述函数关系，定量分析在不同的S参数条件下，噪声参数的量值及不确定度的变化规律；

根据所述变化规律，将噪声参数的最佳不确定度所对应的S参数作为初步设计参数；

按照所述初步设计参数，结合加工工艺和物理边界条件，确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件。

本发明实施例的第二方面提供了一种设计系统，包括：

模型模块，用于建立S参数与噪声参数的函数关系；

分析模块，用于按照所述函数关系，定量分析在不同的S参数条件下，噪声参数的量值及不确定度的变化规律；

第一设计模块，用于根据所述变化规律，将噪声参数的最佳不确定度所对应的S参数作为初步设计参数；

第二设计模块，用于按照所述初步设计参数，结合加工工艺和物理边界条件，确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件。

本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述设计方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述设计方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：基于S参数与噪声参数的函数关系，定量分析S参数变化对于噪声参数的量值及不确定度的影响，从而确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件，提高了准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个实施例提供的在片噪声参数传递标准件的设计方法的流程示意图；

图2是本发明的一个实施例提供的在片结构信号传输形式的示意图；

图3是本发明的一个实施例提供的3dB衰减器电路原理图；

图4是本发明的一个实施例提供的3dB衰减器电路原理图的仿真结果；

图5是本发明的一个实施例提供的3dB衰减器电路版图；

图6是本发明的一个实施例提供的终端设备的示意图；

图7是本发明的一个实施例提供的T型衰减器的示意图；

图8是本发明的一个实施例提供的π型衰减器的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例所提供的一种在片噪声参数传递标准件的设计方法，包括：

步骤S101，建立S参数与噪声参数的函数关系。

S参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。S₁₂为反向传输系数，也就是隔离。S₂₁为正向传输系数，也就是增益。S₁₁为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S₂₂为输出反射系数，也就是输出回波损耗。

步骤S102，按照所述函数关系，定量分析在不同的S参数条件下，噪声参数的量值及不确定度的变化规律。

在步骤S102中，通过蒙特卡洛仿真确定变化规律。

步骤S103，根据所述变化规律，将噪声参数的最佳不确定度所对应的S参数作为初步设计参数。

步骤S104，按照所述初步设计参数，结合加工工艺和物理边界条件，确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件。

在步骤S104中，以初步设计参数结合ADS(Advanced Design system)仿真软件，并综合考虑加工工艺和物理边界条件，确定最佳的设计参数。

本发明实施例基于S参数与噪声参数的函数关系，定量分析S参数变化对于噪声参数的量值及不确定度的影响，从而确定最佳的设计参数对应的理想传递标准件，提高了准确度。

所述函数关系包括：

其中，F为噪声系数，F_min为最小噪声系数，R_n为等效噪声电阻(表示噪声系数随源反射系数变化的快慢)，Γ_S为源反射系数，Γ_opt为最佳源反射系数 (对应最小噪声系数F_min时的源反射系数)，Z₀为特征阻抗(量值为50Ω)。

无源器件的S参数-噪声模型通过传输参数T表征的无噪声的网络和在无源器件输入端口本征噪声波c_T1和c_T2表征：

其中，a_i和b_i分别表示所述无源器件i端口的信号输入波和反射波，i＝1、 2。

相应的，无源器件的噪声相关矩阵与等效噪声参数的关系为：

其中，C_T为所述噪声相关矩阵，C_T1、C_T2为无源器件输入端口本征噪声波， k_B为波尔兹曼常数，W为等效噪声参数。

k_BW₁＝<|c_T1|²>,k_BW₂＝<|c_T2/S₂₁|²>,k_BW₁₂＝<c_T1(c_T2/S₂₁)^*>。

根据Bosma’s原理，假设热力学平衡情况下，无源器件的噪声相关矩阵与S参数的关系为：

C_T＝k_BT(E-SS⁺)_ij (4)

其中，T为无源器件的噪声温度，量纲为热力学温度K，E表示单位矩阵， S为无源器件的S参数，S⁺表示S参数的共轭矩阵。

T的量值等于无源器件的物理温度(即环境温度Ta)。

则，等效噪声参数W与S参数的关系为：

W₁＝(1-|S₁₁|²-|S₁₂|²)T_a (5)

其中，S₁₁为输入反射系数，S₁₂为反向传输系数，S₂₁为正向传输系数，S₂₂为输出反射系数，T_a为环境温度。

进而，无源器件的噪声相关矩阵与无源器件的噪声参数之间的关系为：

由此得出，无源器件的噪声参数与W之间的关系为：

其中，F为噪声系数，F_min为最小噪声系数，R_n为等效噪声电阻(表示噪声系数随源反射系数变化的快慢)，Γ_S为源反射系数，Γ_opt为最佳源反射系数 (对应最小噪声系数时的源反射系数)，Z₀为特征阻抗(量值为50Ω)，W₁， W₂，W₁₂统称为等效噪声参数，T₀为标准噪声温度(量值为290K)，S₁₁为输入反射系数，*表示伴随矩阵，

由于S参数为复数量，从公示(9)，可以看出最小噪声系数F_min由9个不确定度来源。也是为了便于定量分析，结合传递标准件的使用要求，假设传递标准件的S₂₂端为50欧匹配，即S₂₂为0，根据无源器件互异性的特性，S₂₁＝S₁₂，因此我们重点分析在指定环境温度下(T_a＝290K)，S₁₁、S₂₁的影响。

为了能让S₁₁幅值由0.1到0.9变化，选取衰减值为40dB的传递标准件， 1GHz频点下设定S₁₁相位为150°不变，S₁₁幅值从0.1到0.9以0.1为步进变化。 S₂₁相位为-30°，环境温度是290K，采用蒙特卡洛仿真方法，分析F_min仿真结果(期望值和不确定度)如表1所示。从表1数据可以看出，只有S₁₁幅值变化时，F_min的期望值在S₁₁为0.1～0.6之间略有增加，不确定度量值随着S₁₁幅值的变大而变大，当S₁₁为0.7以上时候增幅较大，即此时F_min的不确定度随着S₁₁幅值的变大而急剧变大，所以得出结论，当S₁₁小于等于0.6的时候，F_min的不确定度处于平稳变化状态，且最优水平。

表1 1GHz频点在40dB衰减值时的F_min仿真结果

下面，我们考虑S₁₁相位变化对于F_min的不确定度的影响，在1GHz频点下 S₁₁的相位分别取150°、41°、-55°、-136°对40dB传递标准件进行仿真，仿真结果如表2所示，可见S₁₁相位变化时，对F_min期望和F_min的不确定度基本没影响。

表2 1GHz频点在40dB衰减值S₁₁不同相位时的F_min仿真结果

在1GHz频点下设定S₁₁相位为150°不变，S₁₁幅值从0.1到0.9以0.1为步进变化，环境温度是290K。S₂₁相位分别取12°、109°、-30°、-160°对 40dB传递标准件进行仿真，仿真结果如表3所示。可见S₂₁相位变化时，对 F_min期望和F_min的不确定度基本没影响。

表3 1GHz频点40dB衰减值S₂₁不同相位时的F_min仿真结果

总结以上试验数据，可以得出结论F_min的不确定度主要与S₁₁幅值有关，在S₁₁小于等于0.6的时候，F_min的不确定度量值处于平稳变化状态，且最优水平。

另外考虑到四个噪声参数传递标准件的加工限制条件为：|S₁₁|2+|S₂₁|²＜ 1F_min>0dB(2),|Γ_opt|≤1以及相对于匹配，大反射条件不易制作。对于F_min较低量值的传递标准件，如1dB,在大反射系数(0.3以上)是无法制作的。因此对于F_min传递标准件，推荐选择匹配条件为佳。其他四个噪声参数也采用该方法进行仿真设计，具体结论为如表4所示，对比分析，最大的反差是F_min理想传递标准件为匹配衰减器，然而∠Γ_opt理想传递标准件则为尽可能的失配衰减器 (推荐为0.5≤|S₁₁|≤0.6)。总之四个标准件的要求各不相同，为了达到尽可能高的准确度，可以依据四个噪声参数各自的特点，分别研制标准件。

表4传递标准件反射系数设计原则

所述变化规律包括：

F_min的不确定度随反射系数的幅度增长而持续递增，

∠Γ_opt的量值与S₁₁共轭，其不确定度随反射系数的幅度增长而单调递减。

|Γ_opt|的量值与S₁₁的幅度相当，其不确定度随S₁₁的幅度增长而单调递减。

然后，考虑传递标准件的结构和微波设计。

(1)在片结构形式的考虑

无源器件的“在片结构形式”常见有两种，即共面波导(CPW)和微带线 (如图2所示)。商用的在片S参数校准件和验证件都采用共面波导，主要原因是其结构简单，使得容易精密加工且表征定义也比较准确，可以获得较为理想的校准效果。而有源器件一般采用微带线结构，主要原因是功能单片都是多层结构(少则十几层，多则上百层)，只有以底层作为地信号，才能实现多层结构之间的信号传输，各层与地信号层之间是通过过孔相连接。。

如果采用共面波导形式的传递标准件量传噪声参数，由于探针压点处，微带线通孔的存在，导致电磁场分布不同，而导致被校系统测量传递标准件和有源器件，两次测量数据的不确定度存在一定差异。因此为了符合实际科研生产的需求，项目组最终选择的传递标准件在片结构形式为微带线结构。

(2)设计流程

选择ADS仿真设计软件，开展传递标准件的设计工作，以失配3dB衰减器为例，叙述一下设计流程：

1)电路原理图设计仿真

电路原理图设计仿真主要是确定衰减器的实现类型(π型或T型)，得到初步的仿真结果。选择方法首先是依据衰减量计算需要的电阻阻值，3dB衰减器两种类型的电阻值如表5所示。

表5 3dB衰减器两种类型的电阻值

其次依据工艺加工标准以及准确度确定类型的选择，例如某工艺线采用50 Ω/□的镍镉电阻，加工5Ω～150Ω左右的电阻准确度最高，一致性较好，那么就要选择T型实现类型，确定实现类型之后设计的电路原理图如图3所示。

仿真结果见图4，3dB衰减器的衰减量在2GHz～26.5GHz位于 2.93dB～2.96dB之间。

2)电路版图设计仿真

如前所述，微带线形式的3dB衰减器共有9层结构，电路原理图仿真没有包含纵向层结构的信息，电路版图设计需要增加每层材料属性(如介电常数、导电率、损耗角等)、三维物理结构(包含形状、尺寸)以及层与层之间的关系以及为了提高测量重复性设计的二位对标线，如图5所示。

3)添加探针压点，完成设计。

最后进行不确定度的验证。

针对研制的四种噪声参数传递标准件，采用JJF1059.2 2012用蒙特卡洛法评定测量不确定度，评定了各自的不确定度，通过对比发现，每种标准件所对应的噪声参数不确定度都是最小的，符合设计预期。

表6不确定度

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例2：

本发明的一个实施例提供的设计系统100，用于执行图1所对应的实施例中的方法步骤，其包括：

模型模块，用于建立S参数与噪声参数的函数关系。

分析模块，用于按照所述函数关系，定量分析在不同的S参数条件下，噪声参数的量值及不确定度的变化规律。

第一设计模块，用于根据所述变化规律，将噪声参数的最佳不确定度所对应的S参数作为初步设计参数。

在一个实施例中，设计系统100还包括其他功能模块/单元，用于实现实施例1中各实施例的方法步骤。

实施例3：

图6是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图6所示，该实施例的终端设备6包括：处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序62。所述处理器60执行所述计算机程序62 时实现如实施例1中所述的各实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至 S104。

所述终端设备6是指具有数据处理能力的终端，包括但不限于计算机、工作站、服务器，甚至是一些性能优异的智能手机、掌上电脑、平板电脑、个人数字助理(PDA)、智能电视(Smart TV)等。终端设备上一般都安装有操作系统，包括但不限于：Windows操作系统、LINUX操作系统、安卓(Android) 操作系统、Symbian操作系统、Windows mobile操作系统、以及iOS操作系统等等。以上详细罗列了终端设备6的具体实例，本领域技术人员可以意识到，终端设备并不限于上述罗列实例。

所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是终端设备6的示例，并不构成对终端设备6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备6还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器61可以是所述终端设备6的内部存储单元，例如终端设备6 的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述终端设备6的外部存储设备，例如所述终端设备6上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述终端设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述终端设备6所需的其他程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

实施例4：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如实施例1中所述的各实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至步骤S104。

所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM， Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，实施例1至4可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本申请的保护范围之内。某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，包括：

建立S参数与噪声参数的函数关系；

2.如权利要求1所述的在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，所述函数关系包括：

其中，F为噪声系数，F_min为最小噪声系数，R_n为等效噪声电阻，Γ_S为源反射系数，Γ_opt为最佳源反射系数，Z₀为特征阻抗，W₁，W₂，W₁₂统称为等效噪声参数，T₀为标准噪声温度，S₁₁为输入反射系数，*表示伴随矩阵。

3.如权利要求2所述的在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，无源器件的噪声相关矩阵与等效噪声参数的关系为：

其中，C_T为所述噪声相关矩阵，c_T1、c_T2为无源器件输入端口本征噪声波，k_B为波尔兹曼常数，W为等效噪声参数。

4.如权利要求2所述的在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，无源器件的噪声相关矩阵与S参数的关系为：

C_T＝k_BT(E-SS⁺)_ij

其中，T为无源器件的噪声温度，E表示单位矩阵，S为无源器件的S参数，S⁺表示S参数的共轭矩阵。

5.如权利要求2所述的在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，等效噪声参数与S参数的关系为：

W₁＝(1-|S₁₁|²-|S₁₂|²)T_a

6.如权利要求2所述的在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，无源器件的噪声相关矩阵与无源器件的噪声参数之间的关系为：

其中，C_T为所述噪声相关矩阵。

7.如权利要求2所述的在片噪声参数传递标准件的设计方法，其特征在于，所述变化规律包括：

F_min的不确定度随反射系数的幅度增长而持续递增，

∠Γ_opt的量值与S₁₁共轭，其不确定度随反射系数的幅度增长而单调递减；

8.一种设计系统，其特征在于，包括：

模型模块，用于建立S参数与噪声参数的函数关系；

9.一种终端设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述设计方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述设计方法的步骤。