CN112162184B - 一种低温下的微波器件s参数测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低温下的微波器件S参数测量装置和测量方法，所述测量装置包括网络分析仪和校准件，其特征在于还设有杜瓦罐、温度传感器和温度监测仪、低温微波开关和微波开关控制器、上位机。其中，校准件、低温微波开关和温度传感器安置在杜瓦罐内；网络分析仪、温度监测仪、微波开关控制器和上位机均安置在杜瓦罐外。基于本发明测量装置，可以在低温下实施SOLT和TRL两种校准方法，通过这两种校准方法可自动扣除低温下辅助测量器件的影响，精确地测出低温下待测微波器件的S参数，并利用两种校准方法获得的测量结果相互验证，判断其测量结果的准确性。同时，本发明测量装置还具有结构合理，稳定可靠的优点，适合推广使用。

Description

一种低温下的微波器件S参数测量装置和测量方法
技术领域
本发明属于低温电子、微波测量领域，具体涉及一种适用于低温环境下，尤其是77K及以下，针对微波器件的S参数的测量装置和测量方法。
背景技术
低温微波器件一般基于半导体材料和超导材料，目前向宽工作频率、多单元数目集成方向发展，其应用场景日益广泛，例如，射电天文学中的高灵敏度超导混频器；手机基站前端的超导滤波器、放大器；深空探测卫星通讯、基础物理实验中的粒子探测器中的前置放大器等。
使用网络分析仪测量微波器件的S参数时，需要通过校准，将待测器件与网络分析仪之间连接器、电缆以及网络分析仪本身的测量误差的影响移除，从而得到待测器件本身的测量结果。即校准的目的在于消除理想的网络分析仪本身和测试参考面之前的系统误差。校准的原理通过测试已知特性的校准件S参数，建立测量值与网络分析仪各个误差关系，通过求解线性方程组，求解系统误差。按照误差与测量值及真值之间的关系，便可以由对待测微波器件的测量推导出其S参数的真值。
SOLT(Short Open Load Thru)校准方法是根据网络分析仪12项误差模型基础上提出的，如下表所示：
SOLT方法所用的矢量网络分析仪12项误差模型
Figure BDA0002674763240000011
Figure BDA0002674763240000021
在两个测试端口进行正向和反向测试时，其信号流图如图1(a)和图1(b)所示。校准采集通常是在每个端口正反两个方向上各进行3个单端口校准件(Open，Short，Match)的测量，和在两个端口上对已知通路(Thru)校准件的测量，交调测量往往被忽略。共计10个测量，具体校准方法与原理如下：
分别对两个端口使用开路、短路、负载校准件，来测量单端口误差项EDF，ESF，ERF，EDR，ESR，ERR。
Figure BDA0002674763240000022
Figure BDA0002674763240000023
当两个端口接直通校准件时，测得S参数
Figure BDA0002674763240000024
Figure BDA0002674763240000025
通常两端口的隔离(交调)测量可忽略，即
Figure BDA0002674763240000026
根据上述12个方程表达式，解出12项误差模型。再测得待测件的S参数测量值，推倒出待测件的真实S参数。SOLT的校准精度极大程度上取决于校准件的理想程度。
TRL(Thru Reflect Load)校准方法是根据网络分析仪8项误差模型(如图2所示)基础上提出的。它是对Thru、Line校准件的两次传输反射测量和Reflect校准件在各个端口的反射测量，做校准采集，要求同时使用4个接收机测量2个入射波和2个散射波。TRL校准方法的优点在于其校准准确度只依赖于Line延迟线的特性阻抗，一般要求两端口上Reflect校准件反射系数必须相同，Line和Thru校准件的特性阻抗尽量接近50ohm，不必已知所有校准校准件的特性指标,这样就很大程度上减少了校准精度对校准校准件的依赖，提高了校准精度。
TRL校准方法具体步骤和原理如下：
当接入Thru直通校准件时，测得其S参数
Figure BDA0002674763240000031
其中，
Figure BDA0002674763240000032
当接入Reflect反射校准件时，测得其S参数
Figure BDA0002674763240000033
当接入line延迟线校准件时，测得其S参数
Figure BDA0002674763240000034
根据上述方程表达式，解出8项误差模型，再测得待测件的S参数测量值，推倒出待测件的真实S参数。
上述校准方法可参考《微波器件测量手册--矢量网络分析仪高级测量技术指南》Joel P.Dunsmore著，电子工业出版社，2014。
对于低温待测器件DUT，使用常温环境下进行校准结果是不可取的，这是因为，一方面电缆、连接器等机械尺寸的热胀冷缩，其电参数会随温度发生改变，都会导致电缆、连接器等自身的S参数随温度发生改变；另一方面校准件的电参数也会随温度发生相对改变。
发明内容
本发明的技术目的在于提供一种新型的测量装置和测量方法，用于低温下微波器件S参数的测量。
本发明提供的技术方案为：
一种低温下的微波器件S参数测量装置，包括网络分析仪和校准件，其特征在于：
所述测量装置还设有杜瓦罐、温度传感器和温度监测仪、低温微波开关和微波开关控制器、上位机；
所述校准件包括Open开路、Short短路、Load负载、Thru直通和两个Line延迟线校准件；
所述杜瓦罐，用于为微波器件的测试提供低温环境；
所述温度传感器安置在杜瓦罐内，用于监测待测微波器件的实际工作环境温度；所述温度监测仪安置在杜瓦罐外，与温度传感器连接，用于显示其监测的温度参数；
所述低温微波开关安装在杜瓦罐内，共设有两个，包括连接网络分析仪第一端口的第一微波开关和连接网络分析仪第二端口的第二微波开关，所述第一和第二微波开关内均设有至少五条微波通路以及相应微波通路导通或断开的控制端口，网络分析仪的端口通过微波开关内不同的微波通路与相应的校准件和待测器件DUT相连。
所述上位机和微波开关控制器安置在杜瓦罐外，上位机与微波开关控制器连接，用于根据用户输入的命令信息，向微波开关控制器发出控制指令；所述微波开关控制器的控制信号输出端与第一和第二微波开关的控制端口连接，根据其接收的控制指令驱动第一和第二微波开关同步执行相应的切换通路动作。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
作为优选，所述第一和第二微波开关均为单刀多掷开关，开关内微波通路的切换通过螺线管线圈通电产生磁场推动相应的电枢发生位移来实现。
作为优选，当第一和第二微波开关需要切换微波通路时，通过内部螺线管线圈通电产生磁场推动相应的电枢将开关置悬空位，使所有微波通道断开，然后再切换至某一微波通路。
进一步的，所述微波开关控制器设有单片机和多个配置了NMOS管与PMOS管的集成芯片，单片机与所述集成芯片一一连接，通过所述集成芯片来实现对两微波开关的驱动；
所述NMOS管的栅极与单片机对应的I/O口连接，漏极和PMOS管的栅极连接，同时接上拉电阻后，接供电电压，NMOS管的源极接地；
所述PMOS管的源极接供电电压，漏极接续流二极管，同时与所述微波开关的控制端口相接，所述续流二极管与所述微波开关中的螺线管线圈并联，防止微波开关通断时，内部螺线管线圈两端产生的感应电动势对其它电路元件造成损坏；
当单片机I/O口输出高电平时，NMOS管和PMOS管处于导通状态，相应微波通路导通；
当单片机I/O口输出低电平，NMOS管和PMOS管处于关断状态，相应微波通路关断。
作为优选，所述微波开关控制器采用AT89LP52单片机，并设有电源转换芯片，将12V供电电压转为5V，为单片机供电；
当单片机对应的I/O口输出高电平5V CMOS时，NMOS管Vgs＝5V，处导通状态，此时PMOS管的栅极为0V，PMOS管Vgs＝-12V，微波开关控制端口电压12V；当单片机I/O口输出低电平0VCMOS时，NMOS管Vgs＝0V，处关断状态，此时PMOS管的栅极为12V，PMOS管Vgs＝0V,处关断状态，微波开关控制端口电压0V。
进一步的，所述微波开关控制器设有用于显示第一和第二微波开关各通路通断状态的数码管。
一种基于如上所述测量装置的微波器件S参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
用网络分析仪对校准件的电参数进行验证；
将校准件电参数导入在网络分析仪的calibration kit面板中；
设置网络分析仪测量参数，根据校准向导，结合上位机的命令控制微波开关，完成一种方法的低温校准后，对待测微波器件做低温S参数的测量，之后切换校准方法，再次对待测微波器件做低温S参数的测量；
对比两次测量S参数的测量结果，以相互验证不同校准方法和测量的准确性。
进一步的，在常温环境中用网络分析仪对校准件的电参数进行验证，校准件通过验证的标准为：
Open开路和Short短路校准件验证：在预设覆盖的频率范围内回波损耗谐振的绝对值<5dB；
Load负载校准件验证：在预设覆盖的频率范围内回波损耗<-30dB；
Thru直通校准件的验证：确定频率范围与接头类型，设置时延为0；
Line延迟线校准件的验证：要求Line延迟线校准件和所述Thru直通校准件的相位差位于20度到160度的范围之间，可通过网络分析仪对延迟线和直通件的相位对比测得，且两根Line延迟线校准件的频率范围有所重叠，以实现宽频率范围覆盖。
进一步的，将校准件电参数导入在网络分析仪的calibration kit面板的步骤中：
根据常低温仿真结果对比，对于Short短路、Open开路和Load负载校准件导入网络分析仪的回波损耗S(1,1)参数，所述S(1,1)参数采用其常温下的回波损耗参数即可；
对于Thru直通、Line延迟线校准件，其导入网络分析仪的参数包括频率范围、时延值和offset loss信息，由于采用的校准件低温形变很小，所述时延值采用相应校准件在常温下的时延值即可，而offset loss信息需为校准件在低温下的offset loss值。
所述offset loss在常温下的数值通过以下公式计算；
Figure BDA0002674763240000071
其中，loss@1GHz为插入损耗性能参数，L是同轴电缆长度，Z0是特性阻抗，c是光速，εr为中间介质介电常数，可由同轴电缆的特性阻抗公式
Figure BDA0002674763240000072
求得，其中a、b分别为同轴电缆的内外导体直径；/>
低温下，Thru直通和Line延迟线校准件的offset loss值，根据常-低温S(2,1)仿真得到对应比例系数，对常温计算的结果进行换算得到。
进一步的，所述常-低温S(2,1)对应比例系数通过仿真实验获得，在所述仿真实验中将温度对内外导体电导率、中间介质介电常数、损耗角正切的影响，以及材料热膨胀系数对形变的影响，作为导致插入损耗S(2,1)在常温、低温下有差别的影响因子，分别模拟Thru直通和Line延迟线校准件在常温、低温下的状态，以获取常温、低温下两校准件插入损耗S(2,1)的对应比例系数。
有益效果：
1)本发明低温下的微波器件S参数测量装置和测量方法，可以在低温下实施SOLT和TRL两种校准方法，通过这两种校准方法可自动扣除低温下辅助测量器件的影响，精确地测出低温下待测微波器件的S参数，并可利用两种校准方法获得的测量结果相互验证，判断其测量结果的准确性，适合推广使用。
2)本发明中对微波开关控制器的电路设计构思新颖、规划合理，可确保系统安全可靠的运行，同时具有结构简易、易于实施的优点。
3)本发明在对校准件电参数进行验证和导入过程中，考虑了温度的影响，创造性地提出了基于仿真与理论计算结合的方式对相应的参数进行优化，提高了低温下微波器件S参数测量的准确性。
附图说明
图1(a)为SOLT校准用的12项系统误差模型-前向测量信号流图；
图1(b)为SOLT校准用的12项系统误差模型-反向测量信号流图；
图2为TRL校准用的8项系统误差模型；
图3为本发明测量装置执行TRL校准方法的系统结构示意图；
图4为本发明测量装置执行SOLT校准方法的系统结构示意图；
图5为微波开关控制器电路原理图；
图6为Line校准件常-低温下S参数仿真结果对比图；
图7为Line校准件常-低温下相位仿真结果对比图；
图8为Load负载校准件常-低温下S(1,1)参数仿真结果对比图；
图9(a)为低温LNA的回波损耗测量结果(S(1,1))；
图9(b)为低温LNA的回波损耗测量结果(S(2,2))；
图10为低温LNA的增益量测量结果(S(2,1))。
具体实施方式
为阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的介绍。
一种低温下的微波器件S参数测量装置，包括以下组件：
a.开放循环杜瓦抗热辐射的杜瓦罐
用于为微波器件提供超低温环境，如液氮环境(77K)，或者液氦环境(4.2K)，液氮和液氦保持时间均在30小时以上。
b.硅二极管温度传感器和温度监测仪
所述硅二极温度传感器安置在杜瓦罐内，用于监测待测微波器件的实际工作环境温度；所述温度监测仪安置在杜瓦罐外，与温度传感器连接，用于显示其监测的温度参数。
c.低温微波开关
所述低温微波开关安装在杜瓦罐内，共有两个,设其中连接网络分析仪第一端口的低温微波开关为第一微波开关，连接网络分析仪第二端口的低温微波开关为第二微波开关。两低温微波开关可根据其通信接口接收的指令，切换不同的微波通路，辅助网络分析仪获取相关校准数据。由于单种校准需要5个通路(Short,0pen,Load,Thru,DUT(待测件)或者Thru,Reflect,Line1,Line2,DUT)，本装置的低温微波开关采用了单刀多掷、同轴SMA输出的微波开关，不加电时微波通路保证自锁，这样可以降低微波开关的功耗对低温环境温度的影响。所述第一和第二微波开关内控制相应微波通路导通或断开的具体工作原理为：当对某通路上的螺线管线圈通电时，其产生的磁场推动相应电枢发生位移，从而导致某一通路的导通或断开，当第一和第二微波开关需要切换微波通路时，也通过螺线管线圈通电产生磁场推动相应的电枢将开关置悬空位，使所有微波通道断开，然后再切换至另一微波通路。即两微波开关都设有至少六个开关位，包括对应五条微波通路的开关位和一悬空位。
所述低温微波开关通过同轴电缆，经杜瓦内壁SMA法兰与外部连接。微波开关的各类控制线，经过杜瓦壁法兰插头与微波开关控制器的DB15插座相连。
d.微波开关控制器和相应上位机PC
所述上位机PC和微波开关控制器均安置在杜瓦罐外，上位机PC与微波开关控制器连接，用于根据用户输入的命令信息，向微波开关控制器发出控制指令；所述微波开关控制器的控制信号输出端分别与第一、第二微波开关的控制端口连接，用于根据其接收的控制指令，驱动第一、第二微波开关执行相应的切换动作。
e.网络分析仪
安置在杜瓦罐外，用于校准和微波器件S参数测量。
f.校准件
测试时，安置在杜瓦内，与低温微波开关直接连接，本装置针对SOLT和TRL两种校准方法，所使用的校准件有所区别。
如图3所示，本实施例中TRL校准方法所用到的校准件包括：Reflect反射、Thru直通和Line延迟线校准件，所述Reflect反射校准件采用的是Short短路校准件，上述各校准件均选择低温环境下适用的校准件，其中，所述Short短路校准件优选采用不锈钢短路件，而所述Thru直通、两个Line延迟线校准件优选采用高机械强度的柔性低损耗电缆。
如图4所示，本实施例中SOLT校准方法所用到的校准件包括：Short短路、Open开路、Match匹配校准件和Thru直通校准件，上述各校准件均选择低温环境下适用的校准件，所述Match匹配校准件即图中的Load负载校准件，Short短路、Open开路和Load负载校准件均优选采用低温不锈钢校准件，其中，Load负载校准件在4.2K环境温度下，50ohm阻值偏差<2％。
微波开关控制器的接口方面：电源输入接口，采用三芯微型航空XS6插座；微波开关的控制接口采用DB15插座；与上位机进行RS485串口通信的端口采用DB9插座；单片机程序烧录接口采用ISP-10芯插座。微波开关控制器盒体的尺寸为68mm*54mm*21mm。
所述微波开关控制器电路原理图如图5所示:
该设计采用AT89LP52单片机(U6)作为控制器的核心器件,控制器的工作电压/电流为12V/0.3A，U13为电源转换芯片,其外围为滤波电路，将12V电源电压转为5V为单片机供电；
单片机的两组I/O口控制两只7位数码管A、B(LDS1、LDS2)，指示当前两个微波开关所导通的通道序号。开机时默认显示“F”，表示第一和第二微波开关各通路均断开(OFF)的状态；
两微波开关的控制电压为12V，取单片机中另外12路I/O口与两个微波开关6个通路(上述6个开关位对应的通路)控制端口相接，通过12个配置NMOS管和PMOS管的集成芯片，来实现单片机对两微波开关的驱动。具体来讲，单片机中12路I/O口分别与NMOS管的栅极(GATE)相接，NMOS管的漏极(DRAIN)和PMOS管的栅极(GATE)相连，同时接上拉电阻后，接供电电压12V，NMOS管的源极(SOURCE)接地。PMOS管的源极(SOURCE)接供电电压12V，漏极(DRAIN)接续流二极管(D1～D12)，同时与微波开关的控制端口相接。当I/O口输出高电平(5V CMOS电平)时，NMOS管Vgs＝5V，处导通状态，此时PMOS管的栅极(GATE)为0V，PMOS管Vgs＝-12V,处导通状态，微波开关控制端口电压12V；当I/O口输出低电平(0V CMOS电平)时，NMOS管Vgs＝0V，处关断状态，此时PMOS管的栅极(GATE)为12V，PMOS管Vgs＝0V,处关断状态，微波开关控制端口电压0V。续流二极管通过DB15插座，与杜瓦内微波开关中的微波通路螺线管线圈并联，其目的是防止微波开关通断时，螺线管线圈两端产生的感应电动势对其它电路元件造成损坏。
接口模块U3完成与上位机(PC)电脑RS485通信，单片机设置串口工作方式1，可利用上位机串口助手软件与控制器收发指令。例如向上位机输入指令“A1o”:该指令中，第一位“A”指示是微波开关的代号；第二位“1”表示该开关的第一路；第三位“o”表示打开(open)。微波开关控制器收到该命令后，首先会将代号为A的微波开关的所有通路对应I/O口置低电平，并将+RESET端置高电平50ms后断开，再将“1”号微波通路对应I/O口置高电平。微波开关控制器向上位机输出字符串显示：“A1on”，表明该命令已执行，同时对控制器中微波开关A对应的LED1显示通道号“1”。
本实施例以对低温LNA(低噪声放大器)的测量为例，采用上述装置测量其S参数，具体过程如下：
步骤1、用网络分析仪对所有待使用校准件的电参数进行验证。
理论上校准件的电参数需要考虑温度的影响。而校准件在低温环境下的电参数不易获取。但是我们可以通过仿真的形式观察常温和低温环境下校准件电参数的区别，来间接确定低温环境下校准件的电参数。
对于Thru直通、Line延迟线校准件的传输幅度特性而言，图6给出了Line校准件在常温300K和低温77K的仿真结果。由仿真结果可知对回波损耗S(1,1)，常温与低温仿真结果基本一致；对插入损耗S(2,1)常温-低温仿真结果有一定差别，这是因为理论上该部分损耗由导体损耗和介质损耗两部分构成。
介质损耗
Figure BDA0002674763240000131
/>
导体损耗
Figure BDA0002674763240000132
其中f为工作频率Hz，εr为中间介质的相对介电常数，D、d分别为外导体内径和内导体外径(毫米)，tanδ为介质的损耗角正切。仿真中考虑了温度对内外导体电导率、中间介质介电常数、损耗角正切的温度影响，以及材料热膨胀系数对形变的影响。因此其插入损耗S(2,1)的常温低温仿真结果有一定差别。将常温下该校准件插入损耗S(2,1)测量结果，与常温、低温下仿真该校准件插入损耗S(2,1)的对应比例系数相乘，用于该校准件低温电参数offset loss设置中。
就Line延迟线校准件的传输相位特性而言，其常温和低温的相位特性仿真结果是基本一致的，图7所示，因此可以用电缆的常温相位特性来替代电缆的低温相位特性。
Thru直通校准件的验证：只需确定频率范围，连接头类型，同时设置时延为0；
Line延迟线校准件的验证：要求Line延迟线校准件和所述Thru直通校准件的相位差位于20度到160度的范围之间，即Line延迟线校准件的工作频率范围为
Figure BDA0002674763240000141
c是光速，l＝lLine-lThru，即Line延迟线校准件和Thru直通校准件的长度差，所述相位差可通过网络分析仪对延迟线和直通件的相位对比测得；同时，两根Line延迟线校准件的频率范围要有所重叠，以实现宽频率范围覆盖。
对本装置中的单端口校准件(Open开路、Short短路、Load负载校准件)而言，其回波损耗S(1,1)在常温和低温仿真区别很小,图8给出了Load负载校准件的常温低温仿真结果对比。因此可将其常温电性能代替低温电性能。
Open开路和Short短路校准件验证：在预设覆盖的频率范围内回波损耗没有超出预设标准的明显谐振(-5dB以下)，接近0dB；
Load负载校准件验证：在预设覆盖的频率范围内回波损耗<-30dB。
步骤2、根据预进行的校准方法，将校准件的电参数导入在网络分析仪的calibrationkit面板中。将校准件与杜瓦内的微波开关相接。
对于Short短路、Open开路和Load负载校准件，根据网络分析仪的向导，将其常温S(1,1)参数导入即可。
对于Thru直通、Line延迟线校准件，将其频率范围、时延值和offset loss信息导入网络分析仪calibration kit面板中。
所述时延值与电缆长度有关，由于温度对其长度的变形影响极小，故这里导入的时延值采用Thru直通和Line延迟线校准件在常温下的时延值即可；
而导入面板的offset loss信息则需要是相应校准件在低温下的offset loss值；
常温下，所述offset loss的数值可由公式
Figure BDA0002674763240000151
计算，其中，Loss@1GHz为插入损耗性能参数，一般由电缆厂家给出，L是同轴电缆长度，Z0是特性阻抗，c是光速，方括号中为相应参数的单位，中间介质(PTFE)的介电常数εr可由同轴电缆的特性阻抗公式/>
Figure BDA0002674763240000152
算得，其中a、b分别为同轴电缆的内外导体直径。
输入低温Thru直通、Line校准件的offset loss值时，可将常温计算的结果乘以常-低温仿真S(2,1)对应比例系数来得到。
步骤3、确认杜瓦罐内各元器件的导线连接，包括确认LNA、微波开关与杜瓦内壁SMA法兰之间的微波电缆连接；确认LNA输入输出电源线、温度传感器线、两个微波开关控制器与电源线的连接，并对必要的GND线进行整合等，之后闭合杜瓦罐盖。
步骤4、对杜瓦罐进行抽真空与制冷。这里以液氦(4.2K)温区测量为例，为开放循环杜瓦抗热辐射的液氦杜瓦罐抽真空至10-4mbar后，对杜瓦罐外侧灌液口灌入液氮的方式进行冷却，可使安置待测件的冷板温度降至77K(液氮沸点)；再对杜瓦罐内侧灌液口灌入液氦，可使安置待测器件的冷板温度降至4.2K(液氦沸点)，杜瓦内冷板温度由杜瓦罐外的温度监测仪指示。
步骤5、将网络分析仪与杜瓦罐外壁上的SMA接头相连，网络分析仪设置好测试参数后，点击其面板“校准”按钮，选择SOLT或者TRL校准方法与步骤2中相应设置的校准件，并根据校准向导，通过上位机PC串口与微波开关控制器通讯，完成低温环境下微波开关的切换，逐步完成低温下校准。
步骤6、对待测微波器件LNA做低温S参数的测量。
步骤7、重复步骤2至步骤6，用另一种校准方法完成校准后，再次测量LNA的低温S参数；
步骤8、验证测量结果准确性：对比采用SOLT校准方法和TRL校准方法后测量获得的S参数测量结果，以相互验证两种方法的准确性。
图9、图10为利用上述两种低温校准方法对低温LNA回波损耗S(1,1)、S(2,2)、插入损耗S(2,1)的测量结果，与不使用低温校准得到的测试结果对比。其中细实线采用了SOLT校准方法，粗实线采用了TRL校准方法。插入损耗S(2,1)来看，两种校准方法测得的曲线A、B基本重合，误差<0.5dB。两种校准方法在S(1,1)，S(2,2)的误差，主要由反射跟踪误差ERR、源匹配误差ESR、负载匹配误差ELR构成。可见两种校准方法的测量结果基本一致，但是由于两种校准方法原理并不相同，因此可以很好地验证基于微波开关的低温微波器件S参数测量结果的准确度。图中虚线为不使用本发明中的低温校准方法，仅在杜瓦外做常温校准得到的低温测试结果，经过对比可说明低温校准的必要性，基于微波开关的低温校准的方法可以很好地避免低温环境下，其它额外辅助测量器件(电缆、连接器等)由于温度的变化对待测件(DUT)S参数测量的影响。
上述实施例中，在使用一种校准方法进行测量后，需要回温后打开杜瓦罐，更换校准件进行基于另外一种校准方法的测量实施。为提高测试效率，也可以通过选择能够控制更多微波通路的开关，将完成两种校准方法所需要使用的校准件一次性安装在杜瓦内。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，所描述的实施例仅仅是本发明的一个实施例，不是全部的实施例。本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种低温下的微波器件S参数测量装置，包括网络分析仪和校准件，其特征在于：
所述测量装置还设有杜瓦罐、温度传感器和温度监测仪、低温微波开关和微波开关控制器、上位机；
所述校准件包括Open开路、Short短路、Load负载、Thru直通和两个Line延迟线校准件；
所述杜瓦罐，用于为微波器件的测试提供低温环境；
所述温度传感器安置在杜瓦罐内，用于监测待测微波器件的实际工作环境温度；所述温度监测仪安置在杜瓦罐外，与温度传感器连接，用于显示其监测的温度参数；
所述低温微波开关安装在杜瓦罐内，共设有两个，包括连接网络分析仪第一端口的第一微波开关和连接网络分析仪第二端口的第二微波开关，所述第一和第二微波开关内均设有至少五条微波通路以及相应微波通路导通或断开的控制端口，网络分析仪的端口通过微波开关内不同的微波通路与相应的校准件和待测器件DUT相连；
所述上位机和微波开关控制器安置在杜瓦罐外，上位机与微波开关控制器连接，用于根据用户输入的命令信息，向微波开关控制器发出控制指令；所述微波开关控制器的控制信号输出端与第一和第二微波开关的控制端口连接，根据其接收的控制指令驱动第一和第二微波开关同步执行相应的切换通路动作。
2.根据权利要求1所述的一种低温下的微波器件S参数测量装置，其特征在于：
所述第一和第二微波开关均为单刀多掷开关，开关内微波通路的切换通过螺线管线圈通电产生磁场推动相应的电枢发生位移来实现。
3.根据权利要求2所述的一种低温下的微波器件S参数测量装置，其特征在于，当第一和第二微波开关需要切换微波通路时，通过内部螺线管线圈通电产生磁场推动相应的电枢将开关置悬空位，使所有微波通道断开，然后再切换至某一微波通路。
4.根据权利要求2或3所述的一种低温下的微波器件S参数测量装置，其特征在于：
所述微波开关控制器设有单片机和多个配置了NMOS管与PMOS管的集成芯片，单片机与所述集成芯片一一连接，通过所述集成芯片来实现对两微波开关的驱动；
所述NMOS管的栅极与单片机对应的I/O口连接，漏极和PMOS管的栅极连接，同时接上拉电阻后，接供电电压，NMOS管的源极接地；
所述PMOS管的源极接供电电压，漏极接续流二极管，同时与所述微波开关的控制端口相接，所述续流二极管与所述微波开关中的螺线管线圈并联，防止微波开关通断时，内部螺线管线圈两端产生的感应电动势对其它电路元件造成损坏；
当单片机I/O口输出高电平时，NMOS管和PMOS管处于导通状态，相应微波通路导通；
当单片机I/O口输出低电平，NMOS管和PMOS管处于关断状态，相应微波通路关断。
5.根据权利要求4所述的一种低温下的微波器件S参数测量装置，其特征在于：
所述微波开关控制器采用AT89LP52单片机，并设有电源转换芯片，将12V供电电压转为5V，为单片机供电；
当单片机对应的I/O口输出高电平5V CMOS时，NMOS管Vgs＝5V，处导通状态，此时PMOS管的栅极为0V，PMOS管Vgs＝-12V，微波开关控制端口电压12V；
当单片机I/O口输出低电平0V CMOS时，NMOS管Vgs＝0V，处关断状态，此时PMOS管的栅极为12V，PMOS管Vgs＝0V,处关断状态，微波开关控制端口电压0V。
6.根据权利要求1所述的一种低温下的微波器件S参数测量装置，其特征在于：
所述微波开关控制器设有用于显示第一和第二微波开关各通路通断状态的数码管。
7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述测量装置的微波器件S参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
用网络分析仪对校准件的电参数进行验证；
将校准件电参数导入在网络分析仪的calibration kit面板中；
设置网络分析仪测量参数，根据校准向导，结合上位机的命令控制微波开关，完成一种方法的低温校准后，对待测微波器件做低温S参数的测量，之后切换校准方法，再次对待测微波器件做低温S参数的测量；
对比两次测量S参数的测量结果，以相互验证基于不同校准方法测量的准确性。
8.根据权利要求7所述的微波器件S参数测量方法，其特征在于，在常温环境中用网络分析仪对校准件的电参数进行验证，校准件通过验证的标准为：
Open开路和Short短路校准件验证：在预设覆盖的频率范围内回波损耗谐振的绝对值<5dB；
Load负载校准件验证：在预设覆盖的频率范围内回波损耗<-30dB；
Thru直通校准件的验证：确定频率范围与接头类型，设置时延为0；
Line延迟线校准件的验证：要求Line延迟线校准件和所述Thru直通校准件的相位差位于20度到160度的范围之间，可通过网络分析仪对延迟线和直通件的相位对比测得，且两根Line延迟线校准件的频率范围有所重叠，以实现宽频率范围覆盖。
9.根据权利要求7所述的微波器件S参数测量方法，其特征在于，将校准件电参数导入在网络分析仪的calibration kit面板的步骤中：
根据常-低温仿真结果对比，对于Short短路、Open开路和Load负载校准件导入网络分析仪的回波损耗S(1,1)参数，所述S(1,1)参数采用其常温下的回波损耗参数即可；
对于Thru直通、Line延迟线校准件，其导入网络分析仪的参数包括频率范围、时延值和offset loss信息，所述时延值采用相应校准件在常温下的时延值即可，而offset loss信息需为校准件在低温下的offset loss值；
所述offset loss在常温下的数值通过以下公式计算
Figure FDA0002674763230000041
其中，Loss@1GHz为插入损耗性能参数，L是同轴电缆长度，Z0是特性阻抗，c是光速，εr为中间介质介电常数，可由同轴电缆的特性阻抗公式
Figure FDA0002674763230000042
求得，其中a、b分别为同轴电缆的内外导体直径；
低温下Thru直通和Line延迟线校准件的offset loss值，根据常-低温S(2,1)仿真对应比例的系数，对常温计算的结果进行换算后得到。
10.根据权利要求9所述的微波器件S参数测量方法，其特征在于：
所述常-低温S(2,1)对应比例系数通过仿真实验获得，在所述仿真实验中将温度对内外导体电导率、中间介质介电常数、损耗角正切的影响，以及材料热膨胀系数对形变的影响，作为导致插入损耗S(2,1)在常温、低温下有差别的影响因子，分别模拟Thru直通和Line延迟线校准件在常温、低温下的状态，以获取常温、低温下两校准件插入损耗S(2,1)的对应比例系数。
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