CN110333472B - 一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统 - Google Patents
一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请实施例提供一种基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统，所述方法包括以下步骤：在共面波导上选取三个测量参考面；将待测太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，分别测量三个测量参考面处的太赫兹脉冲波形；将待测太赫兹探针同轴端更换为偏置短路器，分别测量第二、第三测量参考面处的太赫兹脉冲波形；计算所述待测太赫兹探针的时域瞬态响应。本申请还提供了一个适用于以上方法的装置。与现有技术太赫兹探针校准方法和装置比较，本申请具有不受传统基于矢量网络分析仪校准方法的最高频率限制、可以获得时域瞬态响应的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探针校准领域，特别是一种基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性的校准方法和系统。
背景技术
传统基于矢量网络分析仪(Vector Network Analyser,VNA)通过去嵌入法获得太赫兹探针频域频率响应的方法存在两个问题：1)具有同轴接口的VNA频率最高到110GHz(1.0mm同轴接口的3dB截止频率)，无法获得更高频率特性；2)VNA方法是频域方法，无法准确获得太赫兹探针的时域瞬态响应，此外还因为太赫兹探针真实瞬态响应中包含了超过110GHz的频率分量，而VNA方法无法得到110GHz以上频率分量的信息。因此，传统基于VNA的方法无法准确获得太赫兹探针的瞬态响应。
发明内容
本申请提出了一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统，解决现有技术受矢量网络分析仪最高频率限制、无法准确获得时域瞬态响应的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：
本申请实施例提供一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准方法，包括以下步骤：太赫兹脉冲信号沿共面波导从左向右传输，在传输方向上选取三个测量位置，与太赫兹脉冲产生位置的距离分别为Δz、2Δz和3Δz，从左到右分别是第一测量参考面、第二测量参考面、第三测量参考面，且所述第三测量参考面位于所述共面波导的居中位置处；将待测太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，分别测量三个测量参考面处的太赫兹脉冲波形，分别为υ1(t)、υ2(t)、υ3(t)；计算第一反射系数：
V(f)＝(V1(f)+V3(f))/V2(f)
其中，V(f)是计算的中间变量，V1(f)是υ1(t)的傅里叶变换，V2(f)是υ2(t)的傅里叶变换，V3(f)是υ3(t)的傅里叶变换，P是所述共面波导的长度为Δz的频域传递函数，Γ1是第一反射系数；将待测太赫兹探针同轴端连接的器件由终端连接50Ω负载的同轴电缆更换为偏置短路器，分别测量第二测量参考面、第三测量参考面处的太赫兹脉冲波形，分别为υ2′(t)、υ3′(t)；计算第二反射系数：
其中，V2′(f)是υ2′(t)的傅里叶变换，V3′(f)是υ3′(t)的傅里叶变换，Γ′1是第二反射系数；计算所述待测太赫兹探针的频域传递函数：
其中，H是所述待测太赫兹探针的频域传递函数，Γshort是所述偏置短路器的反射系数；将H(f)进行逆傅里叶变换，得到所述待测太赫兹探针的时域瞬态响应。
优选地，在三个测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，在每一个测量参考面进行N次测量，所述N是不小于1的整数，将N次测量结果取平均作为波形测量结果。
优选地，在切换测量参考面时，使用精密控制机构来移动所述共面波导。
优选地，所述Γshort(f)是从所述偏置短路器的说明书获得或者根据所述偏置短路器的参数仿真获得。
本申请实施例还提供一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准系统，用于以上方法，包括：待测太赫兹探针、共面波导、长同轴电缆、50Ω负载、偏置短路器：所述待测太赫兹探针是被测物；所述共面波导，用于传输太赫兹脉冲信号，并辅助待测太赫兹探针进行波形测量；所述长同轴电缆，一端连接所述待测太赫兹探针的同轴端，另一端连接所述50Ω负载，用于辅助待测太赫兹探针进行波形测量；所述偏置短路器，连接所述待测太赫兹探针的同轴端，用于辅助待测太赫兹探针进行波形测量。
优选地，还包括精密控制机构，用于移动所述共面波导。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：与传统太赫兹探针校准方法和系统比较，本申请具有不受传统基于矢量网络分析仪校准方法的最高频率限制、可以获得时域瞬态响应的有益效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法实施例的流程图；
图2为基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准系统实施例的结构示意图；
图3为待测太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接时在三个测量参考面上测量波形的示意图；
图4为待测太赫兹探针的同轴端与偏置短路器连接时在第二、第三测量参考面上测量波形的示意图；
图5为太赫兹探针的时域瞬态响应的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
脉冲技术无论在军用还是民用领域应用都非常广泛。随着信息和通信技术的高速发展，产生和传输的脉冲信号的宽度越来越窄，频谱范围早已从无线电频段扩展到太赫兹频段。太赫兹脉冲波形测量系统所用技术是电光取样技术，它是一种时域测量技术，直接应用于具有平面结构的器件。但是，实际中有很多像宽带示波器、超快脉冲产生器、超高速光电探测器等仪器设备和器件，它们具有同轴接口，不是平面形式，电光取样技术无法直接应用于它们的瞬态响应的校准。因此，需要寻找一种方法将平面电光取样时域测量技术应用到具有同轴接口的待测设备中。一种连接平面和同轴的太赫兹探针可以解决该问题，它的一端是与共面波导匹配的探针，另外一端是同轴接口，因此能够连接具有同轴接口的待测设备和用于太赫兹脉冲产生和测量的共面波导型光导开关。显然，为了准确校准具有同轴接口的待测设备的瞬态响应，平面转同轴太赫兹探针的瞬态响应就必须准确知道，因此研究太赫兹探针瞬态响应的校准很有必要。
传统基于矢量网络分析仪(Vector Network Analyser,VNA)通过去嵌入法获得太赫兹探针频域频率响应的方法存在两个问题：1)具有同轴接口的VNA频率最高到110GHz(1.0mm同轴接口的3dB截止频率)，无法获得更高频率特性；2)VNA方法是频域方法，无法准确获得太赫兹探针的时域瞬态响应，此外还因为太赫兹探针真实瞬态响应中包含了超过110GHz的频率分量，而VNA方法无法得到110GHz以上频率分量的信息。因此，传统基于VNA的方法无法准确获得太赫兹探针的瞬态响应。
为解决上述问题，本发明提出一种基于时域电光取样技术的太赫兹探针瞬态响应校准方法，该方法根据共面波导上等间距的三个不同位置处的太赫兹脉冲波形测量结果，将其称作“三位置模型”校准方法。
一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准方法的实现过程为：
将太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，将太赫兹探针压接至共面波导(Coplanar waveguide,CPW)的居中位置处，此时在该位置处形成了传输线的不连续连接点，导致产生反射，用Γ1表示此配置下CPW_left/太赫兹探针方向的反射系数，其中CPW_left是所述共面波导的左半部分。需要在等间距的3个不同位置处测量太赫兹脉冲波形，根据这3个位置的测量结果确定Γ1。
将太赫兹探针抬起，将终端连接50Ω负载的同轴电缆更换为偏置短路器，用Γ′1表示此配置下CPW_left/太赫兹探针方向的反射系数。需要在等间距的2个不同位置处测量太赫兹脉冲波形，根据这2个位置的测量结果确定Γ′1。
确定Γ1与Γ′1后，只要知道偏置短路器的反射系数Γshort(f)，就可以确定太赫兹探针的频域传递函数H(f)。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法实施例的流程图。本申请实施例提供的一种基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法，包括以下步骤：
步骤11：太赫兹脉冲信号沿共面波导从左向右传输，在传输方向上选取三个测量位置，与太赫兹脉冲产生位置的距离分别为Δz、2Δz和3Δz，从左到右分别是第一测量参考面、第二测量参考面、第三测量参考面，且所述第三测量参考面位于所述共面波导的居中位置处。
假设产生的太赫兹脉冲信号是υ0(t)，它的傅里叶变换是V0(f)，向右沿共面波导向z方向传输，在传输方向上选取三个测量位置，与太赫兹脉冲产生位置的距离分别为Δz、2Δz和3Δz，分别对应第一测量参考面、第二测量参考面、第三测量参考面，且所述第三测量参考面位于所述共面波导的居中位置处。
例如如图2所示，太赫兹脉冲信号沿共面波导从左向右传输在传输方向上选取三个测量位置，与太赫兹脉冲产生位置的距离分别为Δz、2Δz和3Δz，分别对应第一测量参考面、第二测量参考面、第三测量参考面，且所述第三测量参考面位于所述共面波导的居中位置处。
步骤12：将待测太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，使用所述待测太赫兹探针分别测量三个测量参考面处的太赫兹脉冲波形，分别为υ1(t)、υ2(t)、υ3(t)。
将太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，目的是保证同轴电缆连接50Ω负载的那个终端的反射不会进入到测量窗口内。将太赫兹探针压接至共面波导的第三测量参考面处，此时在该位置处形成了传输线的不连续连接点，导致产生反射，用Γ1表示此配置下CPW_left/太赫兹探针方向的反射系数，其中CPW_left是所述共面波导的左半部分。在第三测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测得波形为υ3(t)，它对应的傅里叶变换为V3(f)。
将太赫兹探针抬起，向右平移共面波导，使得采样光斑落在第二测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，此配置下在第二测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测得波形为υ2(t)，它对应的傅里叶变换为V2(f)。
将太赫兹探针抬起，向右平移共面波导，使得采样光斑落在第一测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，此配置下在第一测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测得波形为υ1(t)，它对应的傅里叶变换为V1(f)。
例如如图2所示，将太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，目的是保证同轴电缆连接50Ω负载的那个终端的反射不会进入到测量窗口内。将太赫兹探针压接至共面波导的第三测量参考面处，此时在该位置处形成了传输线的不连续连接点，导致产生反射，用Γ1表示此配置下CPW_left/太赫兹探针方向的反射系数，其中CPW_left是所述共面波导的左半部分。在第三测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测量窗口例如选择100ps，使脉冲峰值前例如为30ps，脉冲峰值后例如为70ps，测得波形为υ3(t)，例如如图3所示，它对应的傅里叶变换为V3(f)。
例如如图2所示，将太赫兹探针抬起，向右平移共面波导，使得采样光斑落在第二测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，此配置下在第二测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测量设置参数不变，测得波形为υ2(t)，例如如图3所示，它对应的傅里叶变换为V2(f)。
例如如图2所示，将太赫兹探针抬起，向右平移共面波导，使得采样光斑落在第一测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，此配置下在第一测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测量设置参数不变，测得波形为υ1(t)，例如如图3所示，它对应的傅里叶变换为V1(f)。
步骤13：计算第一反射系数：
V(f)＝(V1(f)+V3(f))/V2(f)
其中，V(f)是计算的中间变量，V1(f)是υ1(t)的傅里叶变换，V2(f)是υ2(t)的傅里叶变换，V3(f)是υ3(t)的傅里叶变换，P是所述共面波导的长度为Δz的频域传递函数，Γ1是第一反射系数。
共面波导的长度为Δz的频域传递函数为P，从左向右，共面波导终端的反射系数为Γ，从右向左，产生太赫兹脉冲信号的光导缝隙处的反射系数为Γpcg，则在Δz处测得的太赫兹脉冲信号υ1(t)的傅里叶变换为V1(f)＝V0(f)P(1+ΓP4+ΓΓpcgP6+Γ2ΓpcgP10+…)，在2Δz处测得的太赫兹脉冲信号υ2(t)的傅里叶变换为V2(f)＝V0(f)P2(1+ΓP2+ΓΓpcgP6+Γ2ΓpcgP8+…)，在3Δz处测得的太赫兹脉冲信号υ3(t)的傅里叶变换为V3(f)＝V0(f)P3(1+Γ+ΓΓpcgP6+Γ2ΓpcgP6+…)。设V(f)＝(V1(f)+V3(f))/V2(f)，可得到关于P的一个四次方程P4-V(f)P3+V(f)P-1＝0，由于|P|＜1，可以得到有物理意义的P的解
可得
因此第一反射系数
例如步骤12中测得的三个测量参考面的波形如图3所示，分别为υ1(t)、υ2(t)、υ3(t)，则根据公式可以计算出第一反射系数。
步骤14：将待测太赫兹探针同轴端连接的器件由终端连接50Ω负载的同轴电缆更换为偏置短路器，使用所述待测太赫兹探针分别测量第二测量参考面、第三测量参考面处的太赫兹脉冲波形，分别为υ2′(t)、υ3′(t)。
将太赫兹探针抬起，将终端连接50Ω负载的同轴电缆更换为偏置短路器，向左平移共面波导，使得采样光斑落在第二测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，用Γ′1表示此配置下CPW_left/太赫兹探针方向的反射系数，其中CPW_left是所述共面波导的左半部分。在第二测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测得波形为υ2′(t)，它对应的傅里叶变换为V2′(f)。
将太赫兹探针抬起，向左平移共面波导，使得采样光斑落在第三测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，此配置下在第三测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测得波形为υ3′(t)，它对应的傅里叶变换为V3′(f)。
例如如图2所示，将太赫兹探针抬起，将终端连接50Ω负载的同轴电缆更换为偏置短路器，向左平移共面波导，使得采样光斑落在第二测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，用Γ1′表示此配置下CPW_left/太赫兹探针方向的反射系数，其中CPW_left是所述共面波导的左半部分。在第二测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测量设置参数与步骤12中相同，测得波形为υ2′(t)，例如如图4所示，它对应的傅里叶变换为V2′(f)。
例如如图2所示，将太赫兹探针抬起，向左平移共面波导，使得采样光斑落在第三测量参考面处，将太赫兹探针压接至之前的第三测量参考面处，此配置下在第三测量参考面处进行太赫兹脉冲波形的测量，测量设置参数不变，测得波形为υ3′(t)，如图4所示，它对应的傅里叶变换为V3′(f)。
步骤15：计算第二反射系数：
其中，V2′(f)是υ2′(t)的傅里叶变换，V3′(f)是υ3′(t)的傅里叶变换，Γ′1是第二反射系数。
使用步骤13的方法计算第二反射系数，
例如步骤14中测得的两个测量参考面的波形如图4所示，分别为υ2′(t)、υ3′(t)，则根据公式可以计算出第二反射系数。
步骤16：计算所述待测太赫兹探针的频域传递函数：
其中，H是所述待测太赫兹探针的频域传递函数，Γshort是所述偏置短路器的反射系数。
设偏置短路器的反射系数为Γshort，太赫兹探针的频域传递函数为H，则
例如偏置短路器的反射系数为Γshort，太赫兹探针的频域传递函数为H，则
Γshort(f)一般可以根据所用偏置短路器的说明书得到或者根据所用偏置短路器的参数仿真得到。
步骤17：将H(f)进行逆傅里叶变换，得到所述待测太赫兹探针的时域瞬态响应。
步骤16中计算得到太赫兹探针的频域传递函数H(f)，将其进行逆傅里叶变换后可得太赫兹探针的时域瞬态响应h(t)。
例如步骤16中计算得到太赫兹探针的频域传递函数H(f)，将其进行逆傅里叶变换后可得太赫兹探针的时域瞬态响应h(t)，例如如图5所示。
优选地，在三个测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，在每一个测量参考面进行N次测量，所述N是不小于1的整数，将N次测量结果取平均作为波形测量结果。
在三个测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，在每一个测量参考面进行N次测量，将N次测量结果取平均作为波形测量结果，以减少误差。所述N是不小于1的整数。
例如在步骤12中，三个测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，在每一个测量参考面进行例如10次测量，将10次测量结果取平均作为波形测量结果，以减少误差，三个测量参考面处测量的波形例如是
例如在步骤14中，在第二、第三测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，在每一个测量参考面进行例如10次测量，将10次测量结果取平均作为波形测量结果，以减少误差，第二、第三测量参考面处测量的波形例如是
优选地，在切换测量参考面时，使用精密控制机构来移动所述共面波导。
使用精密控制机构，可以将所述共面波导的移动距离控制的比较精确，减少测试误差。
优选地，所述Γshort(f)是从所述偏置短路器的说明书获得或者根据所述偏置短路器的参数仿真获得。
所述Γshort(f)是从所述偏置短路器的说明书获得或者根据所述偏置短路器的参数仿真获得，作为已知量代入步骤16的公式中，计算太赫兹探针的频域传递函数。
图2为基于三位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准系统实施例的结构示意图。本申请实施例提供的一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准系统，包括：待测太赫兹探针101、共面波导102、长同轴电缆103、50Ω负载104、偏置短路器105：所述待测太赫兹探针101是被测物；所述共面波导102，用于传输太赫兹脉冲信号，并辅助待测太赫兹探针101进行波形测量；所述长同轴电缆103，一端连接所述待测太赫兹探针101的同轴端，另一端连接所述50Ω负载104，用于辅助待测太赫兹探针101进行波形测量；所述偏置短路器105，连接所述待测太赫兹探针101的同轴端，用于辅助待测太赫兹探针101进行波形测量。
图2实施例所述各部件具体工作的过程如图1所示实施例。见上文对各实施例的说明，具体见步骤11～17，这里不再赘述。
优选地，所述系统还包括精密控制机构，用于移动所述共面波导102。
如图2所示，系统中还包括精密控制机构，用于移动所述共面波导102，可以将所述共面波导的移动距离控制的比较精确，减少测试误差。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
太赫兹脉冲信号沿共面波导从左向右传输，在传输方向上选取三个测量位置，与太赫兹脉冲产生位置的距离分别为Δz、2Δz和3Δz，从左到右分别是第一测量参考面、第二测量参考面、第三测量参考面，且所述第三测量参考面位于所述共面波导的居中位置处；
将待测太赫兹探针的同轴端与终端连接50Ω负载的长同轴电缆连接，分别测量三个测量参考面处的太赫兹脉冲波形，分别为υ1(t)、υ2(t)、υ3(t)；
计算第一反射系数：
V(f)＝(V1(f)+V3(f))/V2(f)
其中，V(f)是计算的中间变量，V1(f)是υ1(t)的傅里叶变换，V2(f)是υ2(t)的傅里叶变换，V3(f)是υ3(t)的傅里叶变换，P是所述共面波导的长度为Δz的频域传递函数，Γ1是第一反射系数；
将待测太赫兹探针同轴端连接的器件由终端连接50Ω负载的同轴电缆更换为偏置短路器，分别测量第二测量参考面、第三测量参考面处的太赫兹脉冲波形，分别为υ′2(t)、υ′3(t)；
计算第二反射系数：
其中，V′2(f)是υ′2(t)的傅里叶变换，V′3(f)是υ′3(t)的傅里叶变换，Γ′1是第二反射系数；
计算所述待测太赫兹探针的频域传递函数：
其中，H是所述待测太赫兹探针的频域传递函数，Γshort是所述偏置短路器的反射系数；
将H进行逆傅里叶变换，得到所述待测太赫兹探针的时域瞬态响应。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在三个测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，在每一个测量参考面进行N次测量，所述N是不小于1的整数，将N次测量结果取平均作为波形测量结果。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在切换测量参考面时，使用精密控制机构来移动所述共面波导。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Γshort是从所述偏置短路器的说明书获得或者根据所述偏置短路器的参数仿真获得。
5.一种三位置模型太赫兹探针瞬态特性校准系统，用于权利要求1～4所述方法，其特征在于，包括：待测太赫兹探针、共面波导、长同轴电缆、50Ω负载、偏置短路器：
所述待测太赫兹探针是被测物；
所述共面波导，用于传输太赫兹脉冲信号，并辅助待测太赫兹探针进行波形测量；
所述长同轴电缆，一端连接所述待测太赫兹探针的同轴端，另一端连接所述50Ω负载，用于辅助待测太赫兹探针进行波形测量；
所述偏置短路器，连接所述待测太赫兹探针的同轴端，用于辅助待测太赫兹探针进行波形测量。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括精密控制机构，用于移动所述共面波导。
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