CN110412495B

CN110412495B - 一种非线性s参数检验装置

Info

Publication number: CN110412495B
Application number: CN201910601286.1A
Authority: CN
Inventors: 陈婷; 任士卿; 姜河; 程春悦
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: CN110412495A

Abstract

本申请公开了一种非线性S参数检验装置，包括放大稳幅电路、非线性传输线。微波信号经放大稳幅电路、再经非线性传输线输出；所述放大稳幅电路，正弦波输出幅度稳定值为22dBm，变化量小于0.05dB/10℃；所述非线性传输线，为微波传输线的单片微波集成电路，通过色散工作条件产生非线性传播特性。本申请解决对非线性网络分析仪的校准检定的问题。

Description

一种非线性S参数检验装置

技术领域

本申请涉及无线电计量和测试领域，尤其涉及非线性S参数检验装置。

背景技术

射频微波系统通常由有源器件和无源器件构成，而有源器件往往具有非线性特性，即有新的频率分量生成。研究和设计这类高性能射频有源器件给设计人员提出了挑战，其中的关键问题在于如何表征器件的非线性特性，从而降低器件的非线性带来的不利影响，或者可以对其加以利用，提供一个线性的、高效的大功率解决方案。放大器是无线通信领域内不可或缺的元件，由于其非线性特性经常造成频谱浪费；如果为了考虑频谱的利用效率而把功率放大器设计为只工作在它的线性区域内，又会造成可用功率的浪费。实际工程中，经常会把放大器推动到其工作的非线性区域，然后在非线性区域的一个工作点附近进行线性化。所以了解功率放大器、倍频器等射频有源器件的非线性特性变得愈加重要，精确测量器件的非线性特性也成为了重中之重。由于所有有源器件在不同程度上都会表现出非线性特性，因此非线性测量能够更完全的表征有源甚至某些无源器件真实特性。

非线性网络分析仪是近年来国际上推出的测量功率放大器等器件非线性特性参数的测量设备，能够完全表征放大器的非线性参数，从而进行快速建模、仿真并且彻底改善放大器的设计流程，更加高效和精确地仿真设计功率放大器。非线性网络分析仪与传统的网络分析仪的一个根本区别是其考虑了谐波分量对基波的影响，能够分析放大器输入端口的各次谐波分量以及输出端口谐波分量对放大器输出端口信号的影响。

非线性网络分析仪最主要的计量技术特性是其非线性测量能力，为了确保这一计量能力需要用更高一级的计量标准对其进行校准，从而开展对非线性网络分析仪的校准检定。

发明内容

本申请提出一种非线性S参数检验装置，解决对非线性网络分析仪的校准检定的问题。

本申请实施例提出一种非线性S参数检验装置，包括放大稳幅电路、非线性传输线。微波信号经放大稳幅电路、再经非线性传输线输出。

所述放大稳幅电路，正弦波输出幅度稳定值为22dBm，变化量小于0.05dB/10℃。

所述非线性传输线，为微波传输线的单片微波集成电路，通过色散工作条件产生非线性传播特性。

优选的，所述非线性S参数检验装置，还包含幅度均衡模块。所述幅度均衡模块连接在所述非线性传输线输出端，用于使谐波输出幅度的频率特性平坦，频率响应平坦度小于10dB。

优选的，所述放大稳幅电路进一步包含数控衰减器、微波放大器、耦合器、积分器、检波器。输入信号经数控衰减器、微波放大器、耦合器第一输出口输出至所述非线性传输线。所述耦合器第二输出口的信号经过检波器进行幅度检测，输入到所述积分器。所述积分器用于比较检波器输出信号幅度和标准电压，产生数控衰减器衰减量控制信号。

进一步优选的，所述积分器进一步包含第一运算放大器、第二运算放大器、数模转换器、电压参考模块。所述耦合器第二输出口的信号经过检波器进行幅度检测，输入到第二运算放大器第一输入端。电压参考模块，用于产生标准数字电压信号，经数模转换器器、第一运算放大器，输入到第二运算放大器第二输入端。第二运算放大器输出端信号，用于控制所述数控衰减器的衰减量。

进一步优选的，所述微波放大器进一步包含串联的前置放大器和功率放大器。

优选的，本申请任意一项实施例所述的S参数检验装置，所述非线性传输线是在高阻抗微波传输线上周期性地设置电压反偏置肖特基二极管，制成单片微波集成电路。

优选的，本申请任意一项实施例所述的S参数检验装置，输入信号频率为600MHz～1.5GHz，输出信号频率>20GHz。

优选的，本申请任意一项实施例所述的S参数检验装置，所述放大稳幅电路安装在屏蔽盒内；所述微波放大器、积分器被分区域隔离，隔离度大于30dB。

优选的，本申请任意一项实施例所述的S参数检验装置，所述非线性传输线采用MLPNC7103。

优选的，本申请任意一项实施例所述的S参数检验装置，所述屏蔽盒为铜；电路地为厚度>1cm的铜板。

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：

本发明设计的非线性S参数检验件由非线性传输线及外围电路构成，通过强色散工作条件下产生的非线性传播特性，实现端口输入脉冲信号的边沿压缩效应，产生丰富的谐波分量，通过输入信号稳幅控制及输出信号的幅度均衡控制实现幅度相位稳定的谐波信号。该丰富稳定的谐波信号可由非线性网络分析仪准确测定，作为量传标准向下开展非线性网络分析仪非线性S参数的检验。利用本发明设计的非线性S参数标准器弥补了目前线性S参数标准器不产生新的频率分量，只能对基波信号的幅度相位进行验证，无法对出基波外的各次谐波幅度相位进行验证的问题。

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为本发明非线性S参数检验装置实施例

附图标记说明：

1.输入端口；2.数控衰减器；3.前置放大器；4功率放大器；5耦合器；6第一运算放大器；7第二运算放大器；8数模转换器；9.电压参考模块；10检波器；11非线性传输线；12幅度均衡模块；13输出端口。

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。

现有技术可以实现线性网络分析仪的S参数指标的验证。通常采用反射幅度标准器、传输幅度标准器和传输相位标准器实现对S参数的反射幅度、传输幅度和传输相位S参数的校准检定。线性网络分析仪只能进行线性S参数的测量，对应的上述检验件均为无源器件，经过这些检验件的信号不会产生新的频率分量。将这类器件用在非线性网络分析仪上只能对非线性网络分析仪的基频信号的S参数进行验证无法对其谐波测量能力即非线性S参数测量能力进行验证。本发明的目的是设计一种用于检验非线性网络分析仪的非线性S参数检验件的方法，该检验件的核心器件为非线性传输线，具备稳定可知的基频及其各次谐波分量，能够作为非线性S参数检验件对非线性网络分析仪的技术指标进行校准。

非线性传输线是一类在高阻抗微波传输线上通过连续周期的放置电压反偏置肖特基二极管的单片微波集成电路。通过强色散工作条件下产生的非线性传播特性，实现端口输入脉冲信号的边沿压缩效应，边沿值可达ps量级。在理想工作状态中，单音正弦信号的激励会最终导致非线性传输线包含多谐波成分的频谱输出，由于其输出谱线在频域范围内是离散独立的，在形状上类似于梳子的结构，这一点满足我们对非线性S参数检验件需要具有丰富谐波分量的要求，而且非线性传输线电路不需要偏置和匹配，电路结构简单、调试容易，这使得非线性S参数检验件具有稳定可靠的非线性特性，本发明设计了以非线性传输线为核心器件，与相应的前端稳幅电路及后端幅度均衡模块，使得电路对输入信号功率和终端负载匹配有较低的敏感性同时具有丰富的谐波分量，能够作为非线性S参数检验件使用。

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为系统构成框图。分为放大稳幅、非线性传输和幅度均衡三部分。

射频电路部分的核心器件11为非线性传输线，在单音正弦信号的激励下产生包含多谐波成分的频谱输出。稳幅电路由电压参考模块输出标准电压信号，去控制检波器、积分器及放大衰减模块组成的反馈环路，正弦波输出幅度能够稳定在22dBm，变化小于0.05dB/10℃，该输出作为非线性传输线11的输入信号。为了使非线性传输线产生的谐波更加平坦，需要增加幅度均衡模块12，根据非线性传输线11的输出信号对幅度均衡模块进行设计使其频响能够补偿非线性传输线的输出不平坦特性，幅度均衡模块由微带枝节加载电阻的原理设计。

本发明设计的非线性S参数检验件由稳幅电路、非线性传输线和幅度均衡模块三部分电路构成，下面结合实例对本发明设计方法作进一步的描述。

1、非线性核心电路：

一个理想的高速窄脉冲信号，输出电流的谐波成分可以用傅立叶变换来分析。当脉冲宽度在几十皮秒时，此窄脉冲就会产生丰富的谐波分量。这些谐波分量对于线性器件来说是不想要的，而在这里，当保持稳定的频谱时，这些谐波分量能够用于检验不同的非线性系统的谐波测量性能。本发明中，用一个非线性传输线作为产生非线性特性的核心器件，非线性传输线是一类在高阻抗微波传输线上通过连续周期的放置电压反偏置肖特基二极管的单片微波集成电路。通过强色散工作条件下产生的非线性传播特性，实现端口输入脉冲信号的边沿压缩效应，边沿值可达ps量级。在理想工作状态中，单音正弦信号的激励会最终导致非线性传输线包含多谐波成分的频谱输出，由于其输出谱线在频域范围内是离散独立的，在形状上类似于梳子的结构。本实例中选用MLPNC7103作为非线性核心器件，输入信号频率为600MHz～1.5GHz(输入端口1)，输出信号频率在20GHz以上(输出端口13)。

2、放大稳幅电路：

由于非线性传输线MLPNC7103对输入功率有要求，要大于19dBm，而且输出频谱幅度对输入功率敏感，当激励功率大于22dBm时，依赖程度减小，在高频波段几乎不变。所以设计的放大稳幅电路要求能将输入给非线性器件的信号功率稳定在22dBm。稳幅电路由检波器、积分器、电压参考及功率放大衰减模块构成。由电压参考输出标准电压信号控制检波器、积分器及放大衰减模块组成的反馈环路，正弦波输出幅度能够稳定在22dBm，变化小于0.05dB/10℃。

优选的，所述放大稳幅电路进一步包含数控衰减器2、微波放大器3,4、耦合器5、积分器、检波器10。输入信号自输入端口1经数控衰减器、微波放大器、耦合器第一输出口输出至所述非线性传输线11。所述耦合器第二输出口的信号经过检波器进行幅度检测，输入到所述积分器。所述积分器用于比较检波器输出信号幅度和标准电压，产生数控衰减器衰减量控制信号。

进一步优选的，所述积分器进一步包含第一运算放大器6、第二运算放大器7、数模转换器8、电压参考模块9。所述耦合器第二输出口的信号经过检波器进行幅度检测，输入到第二运算放大器第一输入端。电压参考模块，用于产生标准数字电压信号，经数模转换器器、第一运算放大器，输入到第二运算放大器第二输入端。第二运算放大器输出端信号，用于控制所述数控衰减器的衰减量。

进一步优选的，所述微波放大器进一步包含串联的前置放大器3和功率放大器4。

3、后端幅度均衡模块：

在非线性传输线的输出端，为了使谐波输出幅度更加平坦，需要增加幅度均衡模块12。本设计的非线性传输线的输出幅度均衡的增益拐点大约在3GHz，所以小于3GHz需要进行渐变衰减，而大于3GHz不需要衰减。根据这个要求设计由微带枝节加载电阻构成的均衡器，通过电路仿真优化，使输出信号幅度随频率的响应在10dB范围内。

此外，本发明装置还包含屏蔽盒及电路连接方案。

为了对外部的干扰和内部互扰屏蔽，屏蔽盒内部采用分区隔离措施，使各个区域间隔离度达到几十分贝。印制板采用罗杰斯陶瓷板和多层FR-4板多层混压技术，既保证了信号完整性，又使整个模块紧凑。电源供电电路和射频部分间用SMA电缆相连。为了减小热累积，屏蔽盒的地板为厚铜板提高散热效率。

本发明设计的非线性S参数检验件能够对非线性网络分析仪的非线性特性进行表征。

根据非线性网络分析仪测量得到的非线性S参数表达式：

式(1)中，

B_ef为端口e处f次谐波的电压波；

A₁₁为端口1处基波信号的电压波；

a_gh为端口g处h次谐波的入射小信号；

为端口g处h次谐波的入射小信号的共轭信号；

为A₁₁信号到B_ef的转换函数；

分别是由a_gh、

到B_ef的转换函数。

由式(1)可知，本发明设计的非线性S参数检验件应该具有丰富的谐波分量，当在输入端口激励一个大信号A₁₁时，在各个端口产生各次谐波分量，并且各次谐波分量具有稳定的信号幅度和稳定的相位，可由非线性网络分析仪测量得到标准值。

需要说明的是，本发明的创新点包含以下方面：

本发明涉及一种非线性S参数标准器，它可以产生标准的非线性S参数信号，该信号具有丰富的谐波分量，谐波幅度和相位稳定。该非线性S参数标准器能够作为量传标准向下开展非线性网络分析仪非线性S参数的检验。

采用非线性传输线为核心射频器件，设计了基于非线性传输线的非线性S参数标准器。非线性传输线的特点是通过强色散工作条件下产生的非线性传播特性，实现端口输入脉冲信号的边沿压缩效应，边沿值可达ps量级。单音正弦信号的激励会导致非线性传输线输出包含多谐波成分的频谱，由于其输出谱线在频域范围内是离散独立的，而且非线性传输线电路不需要偏置和匹配，电路结构简单、调试容易。这使得非线性S参数检验件具有稳定可靠的非线性特性。

采用了放大稳幅电路设计技术，使得输出信号只对沿反应，输出脉冲波形不依赖输入信号的幅度、频率，这就保证了本发明的非线性S参数标准器谐波幅度相位的稳定。

在非线性传输线后端设计了基于微带枝节加载电阻的原理的幅度均衡器，使得各次谐波的幅度相应更加一致，更适宜作为非线性S参数标准器谐波幅度相位标准。

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

1.一种非线性S参数检验装置，其特征在于，包括放大稳幅电路、非线性传输线、幅度均衡模块；

微波信号经放大稳幅电路、再经非线性传输线输出；

所述放大稳幅电路，正弦波输出幅度稳定值为22dBm，变化量小于0.05dB/10ºC；

所述非线性传输线是在高阻抗微波传输线上周期性地设置电压反偏置肖特基二极管，制成单片微波集成电路，通过色散工作条件产生非线性传播特性；所述幅度均衡模块连接在所述非线性传输线输出端，用于使谐波输出幅度的频率特性平坦，频率响应平坦度小于10dB, 由微带枝节加载电阻构成。

2.如权利要求1所述S参数检验装置，其特征在于，所述放大稳幅电路进一步包含数控衰减器、微波放大器、耦合器、积分器、检波器；

输入信号经数控衰减器、微波放大器、耦合器第一输出口输出至所述非线性传输线；

所述耦合器第二输出口的信号经过检波器进行幅度检测，输入到所述积分器；

所述积分器用于比较检波器输出信号幅度和标准电压，产生数控衰减器衰减量控制信号。

3.如权利要求2所述S参数检验装置，其特征在于，所述积分器进一步包含第一运算放大器、第二运算放大器、数模转换器、电压参考模块；

所述耦合器第二输出口的信号经过检波器进行幅度检测，输入到第二运算放大器第一输入端；

电压参考模块，用于产生标准数字电压信号，经数模转换器、第一运算放大器，输入到第二运算放大器第二输入端；

第二运算放大器输出端信号，用于控制所述数控衰减器的衰减量。

4.如权利要求2所述S参数检验装置，其特征在于，所述微波放大器进一步包含串联的前置放大器和功率放大器。

5.如权利要求1~4任意一项所述的S参数检验装置，其特征在于，

输入信号频率为600MHz~1.5GHz，输出信号频率>20GHz。

6.如权利要求2~4任意一项所述的S参数检验装置，其特征在于，

所述放大稳幅电路安装在屏蔽盒内；所述微波放大器、积分器被分区域隔离，隔离度大于30dB。

7.如权利要求1~4任意一项所述的S参数检验装置，其特征在于，所述非线性传输线采用MLPNC7103。

8.如权利要求6所述的S参数检验装置，其特征在于，所述屏蔽盒为铜；电路地为厚度>1cm的铜板。