CN110441613A - 基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法及系统，控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式；采集谐振腔工作状态的幅频响应数据；将采集的数据传输到PC进行计算处理，得到介电性能测试结果。本公开该方法相对以往同轴谐振测试法，利用标量网络分析仪代替矢量网络分析仪构建测试系统，降低了系统成本。利用程序控制标量网络分析仪进行信号自适应扫描，节省测试扫描时间，提高测试效率。利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，提高测试精度。
Description
技术领域
本公开涉及材料测试技术领域，特别是涉及基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法及系统。
背景技术
随着电子技术的发展，微波材料广泛应用在通信、雷达、生物医学、化工工业等领域。准确了解微波材料电磁特性参数对其应用具有重要意义。基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法测试具有精度高、成本低、测试速度快等特点，能够满足以天线罩体材料、复合材料、微波元器件用介质材料为代表微波介质材料的测试需求，为微波材料的设计、生产及高性能应用提供测试手段。
对于材料介电特性测试，目前常用的测试方法主要有平板电容法、网络参数法以及谐振腔法等。其中平板电容法主要用于低频段，网络参数法材料介电特性测试的精度在5％左右。谐振腔法有变体式谐振腔与一腔多模谐振腔。同轴谐振腔法具有操作简单、模式净化效果好，测试适应性强的优点。
目前同轴谐振腔测试系统普遍为基于矢量网络分析仪构建，系统框图如图1所示。
该系统通过PC机控制矢量网络分析仪(VNA)采集和记录测试数据，VNA仅需要记录测试材料的幅频特性。上述系统为基于矢量网络分析仪构建，矢量网络分析仪的应用大大提高了系统成本。
矢量网络分析仪在扫描过程中采用线性扫描或分段扫描的方式，段内也是采用线性步进扫描，这种方式的缺点是需要扫描的点数很多，例如图3所述的分析矢量网络分析仪精细加密扫描的过程中就需要扫描20000个点，导致总的扫描时间很长。
以往同轴谐振测试法测试材料相对介电常数精度在±4％，无法满足微波材料电磁性能高精度测试的需求。
以往基于矢量网络分析仪的测试方法利用矢网自带扫频方式，扫描时间长，介电常数的测试准确度不高。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，该同轴谐振腔测试方法基于标量网络分析仪具有精度高、测试速度快、成本低、频带宽等特点。
本说明书实施方式提供基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，通过以下技术方案实现：
包括：
控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式；
采集谐振腔工作状态的幅频响应数据；
将采集的数据传输到PC进行计算处理，得到介电性能测试结果。
进一步的技术方案，采用非均匀自适应扫描处理模式时：
首先进行粗扫描，获取谐振点的频率、幅度信息；
根据第一次扫描得到的信息进行频率、幅度值的预判，为精细扫描做准备；
然后进行精细扫描，在扫描过程中实时判断数据的递增、递减情况，同时根据幅度值同预判值之间的差异，实时自适应调制扫描的步进，最终达到的效果是越靠近波峰即谐振频率的频率点越密集扫描。
进一步的技术方案，利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，最终实现介电性能高精度测试。
本说明书实施方式提供基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统，通过以下技术方案实现：
包括：标量网络分析仪及PC机；
所述标量网络分析仪与同轴开放谐振腔相连，所述同轴开放谐振腔上方设置有待测样品；
所述PC机控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式；
所述标量网络分析仪在非均匀自适应扫描处理模式下采集谐振腔工作状态的幅频响应数据；
所述标量网络分析仪将采集的数据传输到PC机进行计算处理，得到介电性能测试结果。
进一步的技术方案，所述标量网络分析仪采用非均匀自适应扫描处理模式时：
首先进行粗扫描，获取谐振点的频率、幅度信息；
根据第一次扫描得到的信息进行频率、幅度值的预判，为精细扫描做准备；
然后进行精细扫描，在扫描过程中实时判断数据的递增、递减情况，同时根据幅度值同预判值之间的差异，实时自适应调制扫描的步进，最终达到的效果是越靠近波峰即谐振频率的频率点越密集扫描。
进一步的技术方案，所述PC机利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，最终实现介电性能高精度测试。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开标量网络分析仪扫描方式一方面会有效降低总扫描点数，减少扫描时间，另一方面可有效提升谐振峰的幅度、频率测试准确度以及3dB带宽测试的准确度。
本公开该方法相对以往同轴谐振测试法，利用标量网络分析仪代替矢量网络分析仪构建测试系统，降低了系统成本。利用程序控制标量网络分析仪进行信号自适应扫描，节省测试扫描时间，提高测试效率。利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，提高测试精度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为现有的基于矢量网络分析仪的测试系统架构图；
图2为本公开实施例子的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统架构图；
图3为现有的基于矢量网络分析仪的测试方法流程图；
图4为现有的矢量网络分析仪段扫描模式示意图；
图5为本公开实施例子的自适应扫描模式示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例子一
该实施例公开了参见附图2所示，基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，主要通过PC机安装的软件控制标量网络分析仪，通过采集谐振腔工作状态的幅频响应数据，传输到PC机进行计算处理，最终得到介电性能测试结果。
本公开利用PC机安装的软件控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式，矢量网络分析仪和本公开实施例的PC机安装的软件控制标量网络分析仪扫描模式分别如下图4、图5所示。
本公开首先进行粗扫描，类似于矢量网络分析仪扫描工作模式的第一步，获取谐振点的频率、幅度信息；根据第一次扫描得到的信息进行频率、幅度值的预判，为精细扫描做准备；然后进行精细扫描，在扫描过程中实时判断数据的递增、递减情况，同时根据幅度值同预判值之间的差异，实时自适应调制扫描的步进，最终达到的效果是越靠近波峰(谐振频率)的频率点越密集扫描。这种方式一方面会有效降低总扫描点数，减少扫描时间，另一方面可有效提升谐振峰的幅度、频率测试准确度以及3dB带宽测试的准确度。
预判时，根据第一次扫频结果找到初步谐振峰频率点(谐振峰见图4幅频曲线最高点即为谐振峰)，第一步预判，即在宽频带范围内扫频，得到幅频响应曲线，然后针对谐振峰位置缩小扫频范围，在谐振峰处进行下一步处理，即扫频时越靠近谐振峰位置扫描点数越多。
自适应调整时，在第一步预判后进行下一次扫频，谐振峰左侧曲线数据递增，右侧数据递减，在得到第二次扫频结果之后扫频精度更高，谐振峰频点相比于第一次扫描结果会有所变化，然后自动调整谐振峰位置(更正为第二次扫频谐振峰结果)，再缩小扫频范围重复操作。
由于测试系统仅需要测试谐振腔的幅频响应曲线，对相位特性没有需求，采用标量网络分析仪就可以得到系统所需测试数据，从而降低系统成本。
本测试方法通过对标网测试曲线进行拟合提取测试参数，实现同轴谐振腔法测试材料介电性能精度优于1％的目的。
本公开通过编程控制标量网络分析仪频率扫描方式，可以节省扫描时间，从而提高测试效率。与矢量网络分析仪段扫描模式相比可，时间不到其三分之一，同时谐振频率的频率分辨率能提升到100Hz，可以提升一个数量级，从而也可进一步提高介电常数的测试准确度。
基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法测试系统主要通过PC控制标量网络分析仪，通过采集谐振腔工作状态的幅频响应数据，传输到PC进行计算处理，最终得到介电性能测试结果。
待测样品(片状、板状、块状介质材料)，谐振腔是测试加载样品时得到幅频谐振曲线的设备，样品放在开放同轴谐振腔顶端测试，计算处理：利用得到的幅频响应曲线，得到谐振频率点与品质因数，带入介电性能测试算法中计算出相对介电常数与损耗角正切。
以本公开的同轴谐振腔测试为例，自适应扫描单个谐振频点所需时间计算如下：设标量网络分析仪中频带宽设置为1000Hz，首先进行粗扫描，扫描间隔设置为5MHz，其单频点扫描时间约为0.92ms,粗扫描时间约为也是2.94s；然后进行精细扫描，由于扫描间隔不需要均匀，因此数据扫描点数大大下降，以该腔体的单个谐振频点测试为例，初步预估大约只需要4000点左右，因此精细非均匀自适应数据扫描时间约4000×0.92ms＝3.68s。进行单个频点的数据扫描时间总共大约需要2.94+3.68＝6.62s。与矢量网络分析仪段扫描模式相比可，时间不到其三分之一，同时谐振频率的频率分辨率能提升到100Hz，可以提升一个数量级，由于频率分辨率的提升，相应对谐振峰值和带宽搜索的准确度也更高，从而也可进一步提高介电常数的测试准确度。
利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，最终实现测试介电性能精度优于1％。
本公开通过程序编程控制标量网络分析仪扫描方式进行自适应幅频响应扫描，提升扫描速度，提高谐振峰和带宽搜索的准确度。
实施例子二
本说明书实施方式提供基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统，通过以下技术方案实现：
包括：标量网络分析仪及PC机；
所述标量网络分析仪与同轴开放谐振腔相连，所述同轴开放谐振腔上方设置有待测样品；
所述PC机控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式；
所述标量网络分析仪在非均匀自适应扫描处理模式下采集谐振腔工作状态的幅频响应数据；
所述标量网络分析仪将采集的数据传输到PC机进行计算处理，得到介电性能测试结果。
标量网络分析仪采用非均匀自适应扫描处理模式时：
首先进行粗扫描，获取谐振点的频率、幅度信息；
根据第一次扫描得到的信息进行频率、幅度值的预判，为精细扫描做准备；
然后进行精细扫描，在扫描过程中实时判断数据的递增、递减情况，同时根据幅度值同预判值之间的差异，实时自适应调制扫描的步进，最终达到的效果是越靠近波峰即谐振频率的频率点越密集扫描。
PC机利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，最终实现介电性能高精度测试。
具体实施例子中，标量网络分析仪预判时，根据第一次扫频结果找到初步谐振峰频率点，第一步预判，即在宽频带范围内扫频，得到幅频响应曲线，然后针对谐振峰位置缩小扫频范围，在谐振峰处进行下一步处理，即扫频时越靠近谐振峰位置扫描点数越多。
具体实施例子中，标量网络分析仪自适应调整时，在第一步预判后进行下一次扫频，谐振峰左侧曲线数据递增，右侧数据递减，在得到第二次扫频结果之后扫频精度更高，谐振峰频点相比于第一次扫描结果会有所变化，然后自动调整谐振峰位置,更正为第二次扫频谐振峰结果，再缩小扫频范围重复操作。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，其特征是，包括：
控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式；
采集谐振腔工作状态的幅频响应数据；
将采集的数据传输到PC进行计算处理，得到介电性能测试结果。
2.如权利要求1所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，其特征是，采用非均匀自适应扫描处理模式时：
首先进行粗扫描，获取谐振点的频率、幅度信息；
根据第一次扫描得到的信息进行频率、幅度值的预判，为精细扫描做准备；
然后进行精细扫描，在扫描过程中实时判断数据的递增、递减情况，同时根据幅度值同预判值之间的差异，实时自适应调制扫描的步进，最终达到的效果是越靠近波峰即谐振频率的频率点越密集扫描。
3.如权利要求1所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，其特征是，利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，最终实现介电性能高精度测试。
4.如权利要求2所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，其特征是，预判时，根据第一次扫频结果找到初步谐振峰频率点，第一步预判，即在宽频带范围内扫频，得到幅频响应曲线，然后针对谐振峰位置缩小扫频范围，在谐振峰处进行下一步处理，即扫频时越靠近谐振峰位置扫描点数越多。
5.如权利要求4所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，其特征是，自适应调整时，在第一步预判后进行下一次扫频，谐振峰左侧曲线数据递增，右侧数据递减，在得到第二次扫频结果之后扫频精度更高，谐振峰频点相比于第一次扫描结果会有所变化，然后自动调整谐振峰位置,更正为第二次扫频谐振峰结果，再缩小扫频范围重复操作。
6.基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统，其特征是，包括：标量网络分析仪及PC机；
所述标量网络分析仪与同轴开放谐振腔相连，所述同轴开放谐振腔上方设置有待测样品；
所述PC机控制标量网络分析仪在扫描过程中采用非均匀自适应扫描处理模式；
所述标量网络分析仪在非均匀自适应扫描处理模式下采集谐振腔工作状态的幅频响应数据；
所述标量网络分析仪将采集的数据传输到PC机进行计算处理，得到介电性能测试结果。
7.如权利要求6所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统，其特征是，所述标量网络分析仪采用非均匀自适应扫描处理模式时：
首先进行粗扫描，获取谐振点的频率、幅度信息；
根据第一次扫描得到的信息进行频率、幅度值的预判，为精细扫描做准备；
然后进行精细扫描，在扫描过程中实时判断数据的递增、递减情况，同时根据幅度值同预判值之间的差异，实时自适应调制扫描的步进，最终达到的效果是越靠近波峰即谐振频率的频率点越密集扫描。
8.如权利要求6所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统，其特征是，所述PC机利用离散采样点反向差值寻找曲线极值点，对测试所得幅频响应曲线进行拟合处理，最终实现介电性能高精度测试。
9.如权利要求7所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试系统，其特征是，所述标量网络分析仪预判时，根据第一次扫频结果找到初步谐振峰频率点，第一步预判，即在宽频带范围内扫频，得到幅频响应曲线，然后针对谐振峰位置缩小扫频范围，在谐振峰处进行下一步处理，即扫频时越靠近谐振峰位置扫描点数越多。
10.如权利要求9所述的基于标量网络分析仪的同轴谐振腔测试方法，其特征是，所述标量网络分析仪自适应调整时，在第一步预判后进行下一次扫频，谐振峰左侧曲线数据递增，右侧数据递减，在得到第二次扫频结果之后扫频精度更高，谐振峰频点相比于第一次扫描结果会有所变化，然后自动调整谐振峰位置,更正为第二次扫频谐振峰结果，再缩小扫频范围重复操作。
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