CN110531297A - 一种基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种基于单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：太赫兹脉冲信号沿共面波导从左向右传输，将共面波导整体长度的居中位置设为测量参考面，测量太赫兹脉冲波形；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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形；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，测量太赫兹脉冲波形；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，本申请具有噪声和不确定度小的有益效果。

Description

一种基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统

技术领域

本发明涉及太赫兹探针校准领域，特别是一种基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统。

背景技术

目前，已经提出了基于三位置模型和两位置模型的太赫兹探针瞬态特性的校准方法，这两种方法克服了传统基于矢量网络分析仪(Vector Network Analyser，VNA)获得太赫兹探针频域频率响应方法的缺陷，既可以得到太赫兹探针的频域瞬态特性又可得到其时域瞬态特性，而且可得到太赫兹探针110GHz以上频率分量的信息。但对这两种方法而言，间距的准确度直接影响太赫兹探针瞬态特性的准确度，而且测量配置多、耗时长、数据处理复杂、不确定度传递链长，导致太赫兹探针瞬态响应校准结果噪声和不确定度大。

发明内容

本申请提出了一种基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法和系统，解决现有技术噪声和不确定度大的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

本申请实施例提供一种基于单位置模型的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，将共面波导整体长度的居中位置设为测量参考面，使采样光脉冲光斑落在所述测量参考面上，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ_CPW(t)；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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ_{s_3}(t)；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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ′_{s_3}(t)；将υ′_{s_3}(t)波形分为两部分，前一部分波形为υ′_{s_3_part1}(t)，后一部分波形为υ′_{s_3_part2}(t)；计算所述待测太赫兹探针的频域传递函数：

υ_{r_short}(t)＝υ′_{s_3}(t)-υ_{s_3}(t)

其中，H_s(f)是所述待测太赫兹探针的频域传递函数，υ_{r_short}(t)是偏置短路器反射而反向传输至所述测量参考面处的信号，V_{r_short}(f)是υ_{r_short}(t)的傅里叶变换，Γ′₁(f)是共面波导左侧至太赫兹探针连接点处的频域反射系数，Z_s是太赫兹探针的特征阻抗，Z_CPW是所述共面波导的特征阻抗，V′_{s_3_part1}(f)是υ′_{s_3_part1}(t)的傅里叶变换，Γ_short(f)是所述偏置短路器的反射系数；将H_s(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h_s(t)。

优选地，在测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，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，在低频时，Z_s＝50Ω，Z_CPW＝50Ω。

优选地，所述Γ_short(f)是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基于单位置模型的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，用于待测太赫兹探针负载匹配；所述偏置短路器，连接所述待测太赫兹探针的同轴端，用于待测太赫兹探针负载匹配。

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：与传统基于三位置模型和两位置模型的太赫兹探针瞬态特性的校准方法比较，本申请具有噪声和不确定度小的有益效果。

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为基于单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为基于单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为基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准系统实施例测量的波形图。

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。

目前，已经提出了基于三位置模型和两位置模型的太赫兹探针瞬态特性的校准方法，这两种方法克服了传统基于矢量网络分析仪(Vector Network Analyser，VNA)获得太赫兹探针频域频率响应方法的缺陷，既可以得到太赫兹探针的频域瞬态特性又可得到其时域瞬态特性，而且可得到太赫兹探针110GHz以上频率分量的信息。但对这两种方法而言，间距的准确度直接影响太赫兹探针瞬态特性的准确度，而且测量配置多、耗时长、数据处理复杂、不确定度传递链长，导致太赫兹探针瞬态响应校准结果噪声和不确定度大。

为解决上述问题，本发明提供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单位置处的太赫兹脉冲波形测量结果，得到太赫兹探针的频域和时域瞬态特性，将其称作“单位置模型”校准方法，该方法与两位置模型校准方法相比，减少了1种测量配置，与三位置模型校准方法相比，减少了2种测量配置，而且不需要移动共面波导(Coplanar waveguide，CPW)，不再依赖等间距，耗时短、数据处理复杂度低、不确定度传递链短，太赫兹探针瞬态响应校准结果的噪声和不确定度小。

一种基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准方法的实现过程为：

使采样光脉冲光斑落在CPW整体长度的居中位置，在该位置处不压接太赫兹探针，此配置下进行太赫兹脉冲波形测量。之后将太赫兹探针的同轴端连接终端连接50Ω负载的长同轴电缆，将太赫兹探针压接至CPW整体长度的居中位置，此配置下进行太赫兹脉冲波形测量。最后，用偏置短路器代替终端连接50Ω负载的长同轴电缆与太赫兹探针的同轴端连接，将太赫兹探针压接至CPW整体长度的居中位置，此配置下进行太赫兹脉冲波形测量。

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为基于单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单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，将共面波导整体长度的居中位置设为测量参考面，使采样光脉冲光斑落在所述测量参考面上，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ_CPW(t)。

假设是光导缝隙处所产生的太赫兹脉冲信号沿共面波导从左向右传输，将共面波导整体长度的居中位置设为测量参考面，在该位置处不压接太赫兹探针，使采样光脉冲光斑落在所述测量参考面上，此配置下进行太赫兹脉冲波形测量，测得波形为υ_CPW(t)，是光导缝隙处所产生的太赫兹脉冲信号沿共面波导传输至测量参考面处的信号。

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，使采样光脉冲光斑落在共面波导整体长度的居中位置，将该位置设为参考面，在该位置处不压接太赫兹探针，此配置下进行太赫兹脉冲波形测量，测量窗口选择100ps，使脉冲峰值前为30ps，脉冲峰值后为70ps。测得波形为υ_CPW(t)，是光导缝隙处所产生的太赫兹脉冲信号沿共面波导传输至测量参考面处的信号

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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ_{s_3}(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所述测量参考面处，测得波形为υ_{s_3}(t)。

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所述测量参考面处，测量窗口例如选择400ps，测得波形为υ_{s_3}(t)，例如如图3所示，图3为基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准系统实施例测量的波形图，图3中单脉冲模型第2种配置即为此配置，图3中单脉冲模型第2种配置测得的波形即为υ_{s_3}(t)的一个例子。

步骤13：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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ′_{s_3}(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，将太赫兹探针压接至所述测量参考面处，测得波形为υ′_{s_3}(t)。

例如如图2所示，用偏置短路器代替终端连接50Ω负载的长同轴电缆与太赫兹探针的同轴端连接，将太赫兹探针压接至所述测量参考面处，测量窗口选择400ps，目的是使偏置短路器的反射信号能够出现在测量窗口内。此配置下进行太赫兹脉冲波形测量，测得波形为υ′_{s_3}(t)，例如如图3所示，图3为基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准系统实施例测量的波形图，图3中单脉冲模型第3种配置即为此配置，图3中单脉冲模型第3种配置测得的波形即为υ′_{s_3}(t)的一个例子。

步骤14：将υ′_{s_3}(t)波形分为两部分，前一部分波形为υ′_{s_3_part1}(t)，后一部分波形为υ′_{s_3_part2}(t)。

步骤13中测得的υ′_{s_3}(t)波形有两个脉冲，根据两个脉冲的位置将υ′_{s_3}(t)波形分为两部分，前一部分波形是第一个脉冲，为υ′_{s_3_part1}(t)，是由光导缝隙处所产生的太赫兹脉冲信号沿共面波导传输至测量参考面处的信号υ_CPW(t)和由共面波导左侧至太赫兹探针连接点导致的反射信号υ_{r_junction}(t)构成，可表示为υ′_{s_3_part1}(t)＝υ_CPW(t)+υ_{r_junction}(t)；后一部分波形为第二个脉冲，为υ′_{s_3_part2}(t)，是由偏置短路器反射而反向传输至压接位置处的信号υ_{r_short}(t)和一些由共面波导左侧终端、共面波导右侧终端，以及一些其它不连续点而引起的幅度非常小的反射信号υ_{r_others}(t)构成，可表示为：υ′_{s_3_part2}(t)＝υ_{r_short}(t)+υ_{r_others}(t)。

例如步骤13中测量窗口选择400ps，测得波形为υ′_{s_3}(t)，测得的υ′_{s_3}(t)波形有两个脉冲，例如如图3所示，图3为基于单位置模型的太赫兹探针瞬态特性校准系统实施例测量的波形图，图3中单脉冲模型第3种系统配置的脉冲波形为υ′_{s_3}(t)，根据两个脉冲的位置将υ′_{s_3}(t)波形分为两部分，前一部分波形是第一个脉冲，例如是υ′_{s_3}(t)的前100ps信号，为υ′_{s_3_part1}(t)，是由光导缝隙处所产生的太赫兹脉冲信号沿共面波导传输至测量参考面处的信号υ_CPW(t)和由共面波导左侧至太赫兹探针连接点导致的反射信号υ_{r_junction}(t)构成，可表示为υ′_{s_3_part1}(t)＝υ_CPW(t)+υ_{r_junction}(t)；后一部分波形为第二个脉冲，例如是υ′_{s_3}(t)的后300ps信号，为υ′_{s_3_part2}(t)，是由偏置短路器反射而反向传输至压接位置处的信号υ_{r_short}(t)和一些由共面波导左侧终端、共面波导右侧终端，以及一些其它不连续点而引起的幅度非常小的反射信号υ_{r_others}(t)构成，可表示为：υ′_{s_3_part2}(t)＝υ_{r_short}(t)+υ_{r_others}(t)。

步骤15：计算所述待测太赫兹探针的频域传递函数：

υ_{r_short}(t)＝υ′_{s_3}(t)-υ_{s_3}(t) (1)

其中，H_s(f)是所述待测太赫兹探针的频域传递函数，υ_{r_short}(t)是偏置短路器反射而反向传输至所述测量参考面处的信号，V_{r_short}(f)是υ_{r_short}(t)的傅里叶变换，Γ′₁(f)是共面波导左侧至太赫兹探针连接点处的频域反射系数，Z_s是太赫兹探针的特征阻抗，Z_CPW是所述共面波导的特征阻抗，V′_{s_3_part1}(f)是υ′_{s_3_part1}(t)的傅里叶变换，Γ_short(f)是所述偏置短路器的反射系数；

根据反射系数的定义，可得太赫兹探针同轴端连接偏置短路器时，从共面波导左侧至太赫兹探针连接点处的频域反射系数Γ′₁(f)，可表示为V_{r_junction}(f)为υ_{r_junction}(t)的傅里叶变换，V_CPW(f)为υ_CPW(t)的傅里叶变换。

根据υ_{s_3}(t)和υ′_{s_3}(t)可以得到υ_{r_short}(t)，表示为υ_{r_short}(t)＝υ′_{s_3}(t)-υ_{s_3}(t)。

设T₁(f)为太赫兹探针同轴端连接偏置短路器时，共面波导左侧至太赫兹探针连接点的频域传输系数，T₁(f)＝1+Γ′₁(f)，T₂(f)为从太赫兹探针至共面波导左侧连接点的频域传输系数，V_{r_short}(f)为由偏置短路器反射而反向传输至测量参考面处的信号，Γ_short为偏置短路器的反射系数，H_s(f)为基于单位置模型校准方法所得的太赫兹探针的频域传递函数，则可得：

V_{r_short}(f)＝V_CPW(f)T₁(f)H_s(f)Γ_short(f)H_s(f)T₂(f) (4)

从共面波导左侧向太赫兹探针这个方向看过去，太赫兹探针和共面波导右侧形成并联，根据反射系数定义，可得

其中，Z_s是太赫兹探针的特征阻抗，Z_CPW是所述共面波导的特征阻抗。

由式(5)可得

从太赫兹探针向共面波导左侧这个方向看过去，共面波导左侧和共面波导右侧形成并联，根据反射系数定义，可得反射系数：

由式(6)可得

则式(4)中的V_{r_short}(f)可重新表示为：

V_{r_short}(f)＝V_CPW(f)(1+Γ′₁(f))H_s(f)Γ_short(f)H_s(f)(-2Γ′₁(f)) (7)

则

其中V′_{s_3_part1}(f)为υ′_{s_3_part1}(t)的傅里叶变换。

例如偏置短路器的反射系数为Γ_short(f)，太赫兹探针的频域传递函数为H_s(f)，则Γ_short(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16：将H_s(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h_s(t)。

步骤15中计算得到太赫兹探针的频域传递函数H_s(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_s(t)。

例如步骤15中计算得到太赫兹探针的频域传递函数H_s(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_s(t)。

优选地，在测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，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。

在测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，每次测量时进行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，在测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，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，测量的波形例如是例如在步骤13中，在测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，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，测量的波形例如是

优选地，所述Γ_short(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Γ_short(f)是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15的公式中，计算太赫兹探针的频域传递函数。

图2为基于单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单位置模型的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，用于待测太赫兹探针负载匹配；所述偏置短路器105，连接所述待测太赫兹探针101的同轴端，用于待测太赫兹探针负载匹配。

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11～16，这里不再赘述。

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 (5)

1.一种基于单位置模型的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，将共面波导整体长度的居中位置设为测量参考面，使采样光脉冲光斑落在所述测量参考面上，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ_CPW(t)；

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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ_{s_3}(t)；

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，压接至所述测量参考面，测量太赫兹脉冲波形，测得波形为υ′_{s_3}(t)；

将υ′_{s_3}(t)波形分为两部分，前一部分波形为υ′_{s_3_part1}(t)，后一部分波形为υ′_{s_3_part2}(t)；

计算所述待测太赫兹探针的频域传递函数：

υ_{r_short}(t)＝υ′_{s_3}(t)-υ_{s_3}(t)

其中，H_s(f)是所述待测太赫兹探针的频域传递函数，υ_{r_short}(t)是偏置短路器反射而反向传输至所述测量参考面处的信号，V_{r_short}(f)是υ_{r_short}(t)的傅里叶变换，Γ′₁(f)是共面波导左侧至太赫兹探针连接点处的频域反射系数，Z_s是太赫兹探针的特征阻抗，Z_CPW是所述共面波导的特征阻抗，V′_{s_3_part1}(f)是υ′_{s_3_part1}(t)的傅里叶变换，Γ_short(f)是所述偏置短路器的反射系数；

将H_s(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h_s(t)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量参考面处测量太赫兹脉冲波形时，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，在低频时，Z_s＝50Ω，Z_CPW＝50Ω。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Γ_short(f)是根据所述偏置短路器的参数仿真获得。

5.一种基于单位置模型的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，用于待测太赫兹探针负载匹配；

所述偏置短路器，连接所述待测太赫兹探针的同轴端，用于待测太赫兹探针负载匹配。