CN111856374B - 一种高速数字示波器带宽校准测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速数字示波器带宽校准测试装置及测试方法，属于示波器带宽校准领域。本发明的测试装置，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和三个测试端口；电阻R1的一端连接信号输入端port1，另一端连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接信号输出端port2，电阻R3的另一端连接信号输出端port3；信号输入端port1用于连接模拟信号源的输出端口，信号输出端port2用于连接功率敏感器的输入端口，信号输出端port3用于连接高速数字示波器。本发明的测试方法，只需调节模拟信号源的信号频率，不需调节模拟信号源的输出功率电平，减小了功率补偿误差，提高了频带宽校准测试的准确度。

Description

一种高速数字示波器带宽校准测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于示波器带宽校准领域，尤其是一种高速数字示波器带宽校准测试装置及测试方法。

背景技术

在无线电参数计量测试中，数字示波器是最基本的校准对象之一。随着数字示波器带宽性能的不断提升，高速数字示波器的校准需求日益突出。目前，高速数字示波器带宽的校准通常由模拟信号源、功分器和功率敏感器组成的计量标准来实现。这些计量标准器通常具有多种不同类型的测试接口，高速数字示波器的输入端口通常为BNC或K型，模拟信号源的输出端口为N型、K型或2.4mm，功率计的输入端口为N型或K型，而功分器的三个端口则为相同的类型。不同类型输入输出端口之间的连接需要使用相应端口的转接头或测试线，形成高频信号回波损耗和插入损失，降低了带宽校准测试的准确度。

高速数字示波器频带宽的校准中，用功分器和功率计对信号输出的功率电平进行监测，根据监测结果调整模拟信号源的输出功率，保证参考频率和测试频率处输出功率电平的一致性。这种信号功率反馈补偿的方法需要根据功率监测结果不断调整信号输出功率，实际操作中很难将参考频率与测试频率处的功率电平调整为相同的数值，引入功率补偿误差，降低带宽校准测试的准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服不同类型输入输出端口连接使用的转接头或测试线引入信号回波损耗和插入损失，以及信号功率反馈补偿方法中难以将参考频率与测试频率处的功率电平调整为相同的数值，引入功率补偿误差，降低带宽校准测试的准确度的缺点，提供一种高速数字示波器带宽校准测试装置及测试方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和三个测试端口；

所述电阻R1、电阻R2和电阻R3均由特征阻抗相同的同轴空气线构成；

三个测试端口为信号输入端port1、信号输出端port2和信号输出端port3；

电阻R1的一端连接信号输入端port1，另一端连接电阻R2的一端和电阻R3 的一端，电阻R2的另一端连接信号输出端port2，电阻R3的另一端连接信号输出端port3；

所述信号输入端port1用于连接模拟信号源的输出端口，所述信号输出端 port2用于连接功率敏感器的输入端口，所述信号输出端port3用于连接高速数字示波器的输入端口；

信号输入端port1的端口类型与模拟信号源的输出端口类型相同；

所述信号输出端port2的端口类型与功率敏感器的输入端口类型相同；

所述信号输出端port3的端口类型与高速数字示波器的输入端口类型相同。

进一步的，信号输入端port1的端口类型为N型、K型或2.4mm。

进一步的，所述信号输出端port2的端口类型为N型、K型或2.4mm。

进一步的，所述信号输出端port3的端口类型为BNC、K型或2.4mm。

进一步的，所述特征阻抗为50Ω。

本发明的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1)将信号输入端port1与模拟信号源的输出端相连，信号输入端port1和信号输出端port2、信号输出端port3之间的同轴空气线通过插座实现连接，信号输出端port2与功率敏感器输入端相连，信号输出端port3与高速数字示波器输入端相连；

2)将模拟信号源的信号频率设置为参考频率、信号功率设置为p₀，此时，功率敏感器测量的信号的幅度为U₀，高速数字示波器测量的信号的幅度为U_x；

3)调节模拟信号源的信号频率为高速数字示波器的最高带宽、信号功率p₀不变，此时，功率敏感器测量的信号的幅度为U₀′，高速数字示波器测量的信号的幅度为U_x′，则高速数字示波器带宽内衰减A_BW为：

其中，U_x＇为调节后高速数字示波器测量的信号的幅度，U_x为调节前高速数字示波器测量的信号的幅度，U₀＇为调节后功率敏感器测量的信号的幅度，U₀为调节前功率敏感器测量的信号的幅度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的高速数字示波器带宽校准测试装置，能够实现高速数字示波器、模拟信号源和功率敏感器不同类型输入、输出端口的直连，利用同轴空气线良好的反射和插损性能降低端口转接引入的回波损耗和插入损失，提高了带宽校准测试的准确度。

本发明的高速数字示波器带宽校准测试装置的测试方法，在测试过程中，只需调节模拟信号源的信号频率，不需调节模拟信号源的输出功率电平，减小了功率补偿误差，利用调节信号频率前后的功率敏感器的测量值和示波器的测量值即可计算出示波器带宽内衰减，提高了频带宽校准测试的准确度。

附图说明

图1为本发明的高速数字示波器带宽校准测试装置的原理图；

图2为本发明的高速数字示波器校准测试装置测量带宽的信号流图；

图3为功分器测量带宽的信号流图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，设计原理如图1所示，包括三个测试端口和一个功分网络，三个电阻分别为R1、R2和R3，均为特征阻抗为50Ω的同轴空气线；三个端口为port1、port2和port3，port1端口为信号输入端，port2端口和port3端口为信号输出端；根据模拟信号源的输出端口类型，设置port1的端口类型，如N型、K型或2.4mm等；根据功率敏感器和高速数字示波器的输入端口类型，设置port2和port3的端口类型，如BNC、N 型、K型或2.4mm等。

功分网络是由三个特征阻抗为50Ω的同轴空气线通过并联组成的，具体结构如图1所示。模拟信号源的输出通过port1连接至R1，R2通过port2与功率敏感器的输入连接，R3通过port3与高速数字示波器的输入连接。

利用本发明的高速数字示波器校准测试装置测量带宽时，port1输入端直接连接模拟信号源的输出，port1输入端和port2输出端、port3输出端之间的同轴空气线通过插座实现连接，port3输出端连接的高速数字示波器为匹配负载，将信号传输模型等效为二端口网络的级联。

根据传输模型绘制信号流图，图2为本发明的高速数字示波器校准测试装置测量带宽的信号流图，设S22^1’≈S11^3’≈1，port1输入端同轴空气线的S参数分别为S11^1’、S12^1’、S21^1’、S22^1’，连接插座的S参数分别为S11^2’、S12^2’、S21^2’、 S22^2’，port3输出端同轴空气线的S参数分别为S11^3’、S12^3’、S21^3’、S22^3’。

根据Mason公式，计算传递函数，得到信号输出输入功率比值T＇和信号输入端的反射系数Γ′：

高速数字示波器带宽校准中，设置模拟信号源的信号频率为参考频率，信号功率为p₀，调节前功率敏感器测量的信号的幅度为U₀，调节前高速数字示波器测量的信号的幅度为U_x；

设置模拟信号源的信号频率为示波器最高带宽，信号功率不变，调节后功率敏感器测量的信号的幅度为U₀′，调节后高速数字示波器测量的信号的幅度为U_x′，则示波器带宽内衰减A_BW为：

参见图3，图3为功分器测量带宽的信号流图，功分器输入端连接头或测试线的S参数分别为S11¹、S12¹、S21¹、S22¹，功分器的S参数分别为S11²、S12²、 S21²、S22²，功分器输出端连接头或测试线的S参数分别为S11³、S12³、S21³、 S22³。

使用功分器测量带宽时，在输入端连接转接头或测试线L1，在输出端连接转接头或测试线L2，功分器的另一个输出端连接的高速数字示波器为匹配负载，将信号传输模型等效为二端口网络的级联。其中，L1的S参数分别为S11¹、S12¹、 S21¹、S22¹，功分器的S参数分别为S11²、S12²、S21²、S22²，L2的S参数分别为S11³、S12³、S21³、S22³；根据传输模型绘制信号流图，设S11²≈S22²≈1，功分器测量带宽的信号流图如图3所示。根据Mason公式，计算传递函数，得到信号输出输入功率比值T和信号输入端的反射系数Γ如下：

S参数均是大于0且小于1的数值，因此

与

相比可忽略，

与1相比可忽略，将(4)式简化为：

功分器与同轴空气线的插入损失较小，转接头与插座的插入损失较大，即S12²、S12^1’和S12^3’的值小于S12¹、S12³和S12^2’的值，可以得出：

因此T'<T，即高速数字示波器校准测试装置测量带宽引入的插入损失比功分器测量带宽引入的插入损失小；

同理，可以得出

与

相比可忽略，

与1相比可忽略，

与

相比可忽略，将式(2)和式(5)简化为：

对式(8)和式(9)进行比较，信号输入端的反射系数主要是由S11^1’和S11¹参数决定的，同轴空气线与转接头相比具有较小的反射系数，即S11^1’小于S11¹，因此，Γ′<Γ，即高速数字示波器校准测试装置测量带宽引入的回波损耗比功分器测量带宽引入的回波损耗小。

按照公式(3)计算示波器带宽内的衰减，使用功率敏感器的监测值和示波器的测量值直接计算，不需要调整模拟信号源的输出功率电平，减小功率补偿误差，提高了频带宽校准测试的准确度。

实施例

利用模拟信号源、功率敏感器和基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置对数字示波器的带宽进行校准。其中，模拟信号源的输出端口为2.4mm，功率敏感器的输入端口为N型，数字示波器的输入端口为K型，模拟带宽为 18GHz。

本实施例的高速数字示波器带宽校准测试装置的三个端口，port1端口为 2.4mm，与模拟信号源的输出连接；port2端口为N型，与功率敏感器的输入连接；port3端口为K型，与数字示波器输入连接。

设置模拟信号源的信号频率为参考频率为50MHz、信号功率为6dBm，功率敏感器测量的信号幅度为223.5mV，高速数字示波器测量的信号幅度为222.8mV；设置模拟信号源的信号频率为示波器最高带宽18GHz、信号功率不变，功率敏感器测量的信号幅度为221.6mV，高速数字示波器测量的信号幅度为178.3mV，则示波器带宽内衰减A_BW为：

其中，U_x＇为调节后高速数字示波器测量的信号的幅度，U_x为调节前高速数字示波器测量的信号的幅度，U₀＇为调节后功率敏感器测量的信号的幅度，U₀为调节前功率敏感器测量的信号的幅度。

对比例

使用N型接口的功分器对数字示波器的带宽进行校准时，功分器的输入需要使用N型转2.4mm的转接头或测试线与模拟信号源的输出连接，功分器的一个输出端需要使用N型转K型的转接头或测试线与数字示波器的输入连接。

设置模拟信号源的信号频率为参考频率为50MHz，信号功率为6dBm，功率敏感器测量的信号幅度为222.1mV，高速数字示波器测量的信号幅度为220.5mV；

设置模拟信号源的信号频率为示波器最高带宽18GHz，调整模拟信号源的输出功率，使功率敏感器测量的信号幅度为222.1mV，最终调整到功率敏感器测量的信号幅度为222.3mV，高速数字示波器测量的信号的幅度为166.1mV，则示波器带宽内衰减A_BW为：

其中，U_x＇为调节后高速数字示波器测量的信号的幅度，U_x为调节前高速数字示波器测量的信号的幅度。

实施例利用高速数字示波器带宽校准测试装置对示波器带宽进行校准，对比例利用功分器和功率反馈补偿方法校准示波器带宽，实施例与对比例相比，带宽内的衰减值由-2.46dB提高到-1.86dB。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，其特征在于，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和三个测试端口；

所述电阻R1、电阻R2和电阻R3均由特征阻抗相同的同轴空气线构成；

三个测试端口为信号输入端port1、信号输出端port2和信号输出端port3；

电阻R1的一端连接信号输入端port1，另一端连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接信号输出端port2，电阻R3的另一端连接信号输出端port3；

所述信号输入端port1用于连接模拟信号源的输出端口，所述信号输出端port2用于连接功率敏感器的输入端口，所述信号输出端port3用于连接高速数字示波器的输入端口；

信号输入端port1的端口类型与模拟信号源的输出端口类型相同；

所述信号输出端port2的端口类型与功率敏感器的输入端口类型相同；

所述信号输出端port3的端口类型与高速数字示波器的输入端口类型相同；

所述基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置能够实现高速数字示波器、模拟信号源和功率敏感器不同类型输入、输出端口的直连。

2.根据权利要求1所述的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，其特征在于，信号输入端port1的端口类型为N型、K型或2.4 mm。

3.根据权利要求1所述的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，其特征在于，所述信号输出端port2的端口类型为N型、K型或2.4 mm。

4.根据权利要求1所述的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，所述信号输出端port3的端口类型为BNC、K型或2.4mm。

5.根据权利要求1所述的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置，其特征在于，所述特征阻抗为50 Ω。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于同轴空气线的高速数字示波器带宽校准测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将信号输入端port1与模拟信号源的输出端相连，信号输入端port1和信号输出端port2、信号输出端port3之间的同轴空气线通过插座实现连接，信号输出端port2与功率敏感器输入端相连，信号输出端port3与高速数字示波器输入端相连；

2）将模拟信号源的信号频率设置为参考频率、信号功率设置为p ₀ ，此时，功率敏感器测量的信号的幅度为U ₀ ，高速数字示波器测量的信号的幅度为U _x ；

3）调节模拟信号源的信号频率为高速数字示波器的最高带宽、信号功率p ₀ 不变，此时，功率敏感器测量的信号的幅度为U ₀ ^＇ ，高速数字示波器测量的信号的幅度为U _x ^＇ ，则高速数字示波器带宽内衰减

为：

(3)

其中，U _x ^＇ 为调节后高速数字示波器测量的信号的幅度，U _x 为调节前高速数字示波器测量的信号的幅度，U ₀ ^＇ 为调节后功率敏感器测量的信号的幅度，U ₀ 为调节前功率敏感器测量的信号的幅度。

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