CN113783632B - 一种定量测量无源器件非线性的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种定量测量无源器件非线性的装置，包括单一信号源、双工器、频谱仪、待测件以及负载；所述单一信号源与所述双工器的低频端电连接；所述双工器的公共端与所述待测件的一端电连接；所述待测件的另一端与所述负载电连接；所述频谱仪与所述双工器的高频端电连接；所述双工器的低频工作频段包括所述单一信号源产生的信号的频段，所述双工器的高频工作频段包括所述信号经由所述待测件反射回来的谐波的频段。由于仅采用了一个信号源，使用的器件较少，原理也更为简单，构造更简化，操作更简单，更易定制，成本和价格也更低。

Description

一种定量测量无源器件非线性的装置及方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种定量测量无源器件非线性的装置及方法。
背景技术
无源器件(Passive Device)是指工作时不需要外部能量源(Source Energy)的器件。例如滤波器、天线、射频继电器开关、环形器、隔离器、耦合器、功分器、合路器、巴伦、波导、衰减器、负载、连接器、射频电缆组件等。
在过去，通常技术人员认为这些器件是线性的，但随着技术的发展，在民用无线通信系统中，来自这些无源器件的干扰说明了这些器件也含有非线性的因素。
两个或两个以上的信号通过非线性器件时，合成信号会产生互调产物(InterModulation Product，IMP)，当其落入邻近接收机通带时，就形成了寄生干扰。射频多路耦合器所在的多频段无线通信系统，是多频段无线通信的一种典型，其中无源器件及其相关结构的非线性是产生无源互调(Passive InterModulation，PIM)的潜在根源，无源互调的产物(Passive InterModulation Product，PIMP)能够引起严重的电磁干扰。
为此现有技术设计出无源互调测量系统测试这些无源器件的非线性，但现有技术中的测量系统通常采用多个信号源合波后输入至待测件，这就要求测量系统采用两个信号源发生器或单个多信号源发生器，这不仅使得测试系统使用的仪器较多，成本较高，也使得在比较无源器件非线性的时候操作较为繁琐，带来不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种定量测量无源器件非线性的装置及方法，减少使用的器件，降低装置的成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种定量测量无源器件非线性的装置，包括单一信号源、双工器、频谱仪、待测件以及负载；
所述单一信号源与所述双工器的低频端电连接；
所述双工器的公共端与所述待测件的一端电连接；
所述待测件的另一端与所述负载电连接；
所述频谱仪与所述双工器的高频端电连接；
所述双工器的低频工作频段包括所述单一信号源产生的信号的频段，所述双工器的高频工作频段包括所述信号经由所述待测件反射回来的谐波的频段。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种定量测量无源器件非线性的测试方法，包括以下步骤：
通过单一信号源产生信号，将所述信号经由双工器输送至待测件；
通过频谱仪接收所述待测件接收到所述信号后经由所述双工器反射回来的谐波；
根据所述谐波对所述待测件的非线性进行测量。
本发明的有益效果在于：
设置单一信号源，并将单一信号源产生的信号通过双工器输入待测件，由于待测件的非线性因素，产生的谐波杂散被反射，谐波杂散经由双工器传输至频谱仪，频谱仪通过检测谐波定量分析待测件的非线性，本发明的装置由于仅采用了一个信号源，使用的仪器较少，原理也更为简单，构造更简化，操作更简单，更易定制，成本和价格也更低。
附图说明
图1为本发明实施例的一种定量测量无源器件非线性的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种定量测量无源器件非线性的方法的步骤流程图。
标号说明：
1、单一信号源；2、功率放大器；3、双工器；31、第一带通滤波器；32、第二带通滤波器；33、T接头枝节组件；4、频谱仪；5、待测件；6、负载。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，本发明实施例提供了一种定量测量无源器件非线性的装置，包括单一信号源、双工器、频谱仪、待测件以及负载；
所述单一信号源与所述双工器的低频端电连接；
所述双工器的公共端与所述待测件的一端电连接；
所述待测件的另一端与所述负载电连接；
所述频谱仪与所述双工器的高频端电连接；
所述双工器的低频工作频段包括所述单一信号源产生的信号的频段，所述双工器的高频工作频段包括所述信号经由所述待测件反射回来的谐波的频段。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：单一信号源产生的信号进入待测件，由于待测件的非线性因素，产生的谐波杂散被反射，谐波杂散经由双工器传输至频谱仪，频谱仪通过检测谐波定量分析待测件的非线性，该装置由于仅采用了一个信号源，使用的器件较少，原理也更为简单，构造更简化，操作更简单，更易定制，成本和价格也更低。
进一步地，所述双工器包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；
所述第一带通滤波器的一端作为所述低频端，另一端与所述第二带通滤波器的一端耦合作为所述公共端；
所述第二带通器的另一端作为所述高频端；
所述第一带通滤波器的导通频段包括所述信号的频段，所述第二带通滤波器32的导通频段包括所述谐波的频段。
由上述描述可知，采用两个带通滤波器代替双工器，可以针对性的对带通滤波器进行定制，选取更合适的滤波器以降低装置的插入损耗和互调。
进一步地，还包括T接头枝节组件；
所述T接头枝节组件是三端口的微波网络；
所述T接头枝节组件的三端分别连接所述第一带通滤波器的所述另一端、所述第二带通滤波器的所述一端和所述待测件的所述一端。
由上述描述可知，作为三端口的微波网络，T接头枝节组件比采用其他器件进行耦合的方法具有更低的插入损耗，且T接头枝节组件可以通过调整传输线长度的方式进一步降低插入损耗，同时T接头枝节组件可根据测试微波频率的波长调整相应的枝节长度，能够适应不同频率测试信号的非线性测量。
进一步地，所述T接头枝节组件包括第一传输线、第二传输线和第三传输线；
所述第一传输线、第二传输线和第三传输线的长度根据所述第一带通滤波器的频率、所述第二带通滤波器的频率、所述T接头枝节组件三个端口的阻抗、所述第一传输线的介电常数、所述第二传输线的介电常数和所述第三传输线的介电常数设置，以使得所述T接头枝节组件的插入损耗最小。
由上述描述可知，T接头枝节组件可以通过调整传输线的长度将插入损耗降到最低，从而能够传输更强的激励信号，捕捉更弱的谐波，对于非线性较低的器件也能起到良好的测量效果。
进一步地，所述第一带通滤波器中心频率为120MHz，所述第二带通滤波器中心频率为360MHz；
所述第一传输线、第二传输线和第三传输线均为半钢线；
所述第一传输线长度为286.6mm，所述第二传输线长度为347mm。
由上述描述可知，第一传输线、第二传输线和第三传输线均为半钢线，半钢线互调较低，同时对第一传输线、第二传输线和第三传输线的长度进行了调整，保证双工器整体插入损耗低的同时，互调也较低，避免了双工器产生寄生互调影响对无源器件的测量。
进一步地，还包括功率放大器；
所述功率放大器的一端与所述单一信号源电连接，另一端与所述双工器的低频端电连接。
由上述描述可知，采用了功率放大器对单一信号源产生的信号进行加强，保证输入待测件的是较强的激励信号，进一步加强了对低非线性无源器件的检测能力。
进一步地，所述谐波为所述信号的三次谐波。
由上述描述可知，激励信号进入待测件后会产生多种谐波，其中四次以上的高次谐波强度较弱，而二次谐波与一次谐波的隔离度较差，因此选用了三次谐波作为测量的依据参数，能够判断非线性较低的器件，提高判断的精确度。
进一步地，所述负载具体为低互调负载。
由上述描述可知，互调较低的负载，避免了负载产生寄生互调影响对无源器件的测量。
请参照图2，一种定量测量无源器件非线性的测试方法，包括步骤：
通过单一信号源产生信号，将所述信号经由双工器输送至待测件；
通过频谱仪接收所述待测件接收到所述信号后经由所述双工器反射回来的谐波；
根据所述谐波对所述待测件的非线性进行测量。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：信号源产生的信号进入待测件，由于待测件的非线性因素，产生的谐波杂散被反射，谐波杂散经由双工器传输至频谱仪，频谱仪通过检测谐波定量分析待测件的非线性，该方法由于仅采用了一个信号源，使用的器件较少，原理也更为简单，构造更简化，操作更简单，更易定制，成本和价格也更低。
进一步地，所述谐波为三次谐波。
由上述描述可知，激励信号进入待测件后会产生多种谐波，其中四次以上的高次谐波强度较弱，而二次谐波与一次谐波的隔离度较差，因此选用了三次谐波作为测量的依据参数，能够判断非线性较低的器件，提高判断的精确度。
实施例一
请参照图1，本实施例定量测量无源器件非线性的的装置用于对无源器件进行测量，定量测量出无源器件的非线性参数，能够适用于包括超短波、微波在内的各个频段内的多个无源器件的非线性进行定量分析比较。
本实施例的定量测量无源器件非线性的装置包括单一信号源1、功率放大器2、双工器、频谱仪4、待测件5和负载6，单一信号源1与功率放大器2的一端连接，功率放大器2的另一端与双工器的低频端连接，频谱仪4与双工器的高频端连接，双工器的公共端与待测件5的一端连接，待测件5的另一端与负载6连接。
其中，单一信号源1的标称阻抗是50Ω或75Ω，提供连续正弦波，信号频率为120MHz，其输出功率一般较小，比如几个dBm量级；双工器低频工作频段中心频率为120MHz，高频工作频段中心频率为360MHz。
工作时，单一信号源1产生120MHz的信号输入功率放大器2放大，对单一信号源1输出的小功率连续正弦波进行线性放大，输出60W稳定功率的正弦波，放大后的信号经由双工器输送至待测件5，以激励待测件5产生谐波杂散等非线性产物作为监测对象，双工器低频端一方面对功放输出的60W激励能量进行导通，使放大后的信号进入待测件5，另一方面对反射回的非线性产物进行隔离抑制，使反射回的非线性产物全部流向频谱仪4，避免流向功率放大器2，信号在待测件5产生多次谐波，其中三次谐波发生反射并经由双工器传输至频谱仪4，双工器高频端一方面对反射回的三次谐波非线性产物进行导通，使三次谐波非线性产物全部流向频谱仪4，另一方面对功率放大器2输出的60W激励能量进行隔离抑制，使激励能量全部流向待测件5和负载6，避免大功率能量流向频谱仪4危害仪器，频谱仪4通过测量三次谐波的强度测量待测件5的非线性，能够对反射回的三次谐波进行定量监测，提供可供比较的量化数据。
在一个可选的实施方式中，双工器包括第一带通滤波器31、和第二带通滤波器32，其中第一带通滤波器31的中心频率为120MHz，第二带通滤波器32的中心频率为360MHz，T接头枝节组件33是三端口的微波网络，第一带通滤波器31的一端作为双工器的低频端，第二带通器32的一端作为双工器的高频端，第一带通滤波器31和第二带通滤波器32的另一端耦合作为双工器的公共端。
在另一个可选的实施方式中，还包括T接头枝节组件33，T接头枝节组件33是一个三端口的微博网络，对级联的传输通道进行阻抗匹配，使各端口在工作频率下的驻波比最小化，保证能量最少反射损耗；
T接头枝节组件33的其中两端分别连接第一带通滤波器31和第二带通滤波器32的另一端，从而T接头枝节组件33将第一带通滤波器31和第二带通器32耦合，T接头枝节组件33的第三端与待测件5的所述一端连接。
T接头枝节组件33具有第一传输线、第二传输线和第三传输线，第一传输线、第二传输线根据所述第一带通滤波器的频率、所述第二带通滤波器的频率、所述T接头枝节组件三个端口的阻抗、所述第一传输线的介电常数、所述第二传输线的介电常数和所述第三传输线的介电常数设置。本实施例中，第一传输线、第二传输线和第三传输线均为半钢线，第一传输线长度为286.6mm，第二传输线长度为347mm，以使得所述T接头枝节组件的插入损耗和互调最小达到最小；第三传输线的长度不限。
其中，第一传输线和第二传输线也可以用等效介电常数相同的其它低互调传输线，第三传输线也可以采用其它低互调传输线；
T接头枝节组件33中连接滤波器的两根传输线，其长度L1、L2特定，线长随滤波器频率、端口阻抗、传输线介质介电常数的不同而不同，通过对线长进行适当增减调试，从而实现通道插损性能的最优化，最终固化线长，其能够提供良好的阻抗匹配，待测件生成的谐波杂散能量被反射，使得反射后的谐波杂散能量经过T接头枝节组件33后能够以较小的插损送入频谱仪进行监测，且其自身互调产物极低，从而保障整套测试装置有低的寄生互调，保证对无源器件非线性的可靠测试。
优选的，负载6为低互调负载，标称阻抗是50Ω或75Ω，以免作为寄生而影响到对待测件5的互调测量；
为了保证测量效果，本实施例的定量测量无源器件非线性的装置中，从滤波器到负载，每部分(待测件除外)都要具备低无源互调的特性，以免作为寄生而影响到对待测件5的互调测量；
待测件，是被测试测量的对象，其级联在T接头枝节组件和低互调负载之间，在其他部分连接相同及配置参数相同的前提下，为进行器件非线性的比较，可以多次拆装和接入相同或不同的待测件，从而对不同的待测件进行比较分析。
实施例二
请参照图2，本实施例的测量方法包括步骤：
通过单一信号源产生120MHz信号，将所述信号经由功率放大器和双工器低频端后，大功率的60W激励能量输送至待测件；
所述待测件接收到所述信号后，由于待测件的非线性因素，产生的包含二次谐波和三次谐波的杂散谐波被反射，通过频谱仪接收经由所述双工器高频端反射回来的360MHz的三次谐波；
此时可根据频谱仪上监测到的所述谐波对所述待测件的非线性进行测量。
依据通信系统中PIMP频率分量fPIM表述，fPIM＝mf1±nf2，谐波可以广义拓展性地理解为，当m＝0而n＝2时或n＝0而m＝2时的一种非线性能量。而这种能量与m＝2而n＝1或n＝2而m＝1时的三阶互调非线性能量，都能定量地表征待测件的非线性程度，并且两种方法在定性趋势上是一致的，比如待测件A在线性方面，要劣于待测件B，则其三阶互调和谐波方面都表现为待测件A劣于待测件B，如此就能区分出A、B的相对好坏，这对于通信系统/设备研究开发设计中的方案论证、元器件选型尤其重要；
具体测试时，根据图1所示的定量测量无源器件非线性的装置对多个无源器件的非线性进行定量比较时，包括如下步骤：
(1)设置信号源输出120MHz连续正弦波，调整参数使功率放大器输出固定值60W；
(2)关闭信号源输出，接入带通滤波器1、带通滤波器2、T接头枝节组件、待测件、低互调负载、频谱仪；
(3)打开信号源的输出，读取并记录在频谱仪上显示的三次谐波的功率值；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)更换需比较非线性性能的待测件；
(5)比较读数：每个待测件各有三次谐波的相应读数，数值越低，表明待测件非线性越优。
通过上述的测试方法就能够用该套定量测量无源器件非线性的的装置对比分析多个生产厂家的多种规格的射频开关、射频连接器及多款批次的120MHz带通滤波器(设置内部不同的金属材料、不同的接触力度/接触均匀性/电接触面积等相关因素)，从中优选出非线性最优良最合适的射频开关、射频连接器，也得出最重要的材料选型和关键重要过程工艺标准。
综上所述，本发明提供的一种定量测量无源器件非线性的装置及方法，由于仅采用了一个信号源，使用的器件较少，原理也更为简单，构造更简化，操作更简单，更易定制，成本和价格也更低。同时各个器件均采用了低互调器件，并进行了调整使得整体的插入损耗与寄生互调最低，能够测量低非线性的无源器件，且测量的精度高，在实际测试中，使用安捷伦频谱仪E4402B，在60W的输入功率下能达到-140dBc的谐波测试水平。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种定量测量无源器件非线性的装置，其特征在于，包括单一信号源、双工器、频谱仪、待测件以及负载；
所述单一信号源与所述双工器的低频端电连接；
所述双工器的公共端与所述待测件的一端电连接；
所述待测件的另一端与所述负载电连接；
所述频谱仪与所述双工器的高频端电连接；
所述双工器包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；
所述第一带通滤波器的一端作为所述低频端，另一端与所述第二带通滤波器的一端耦合作为所述公共端；
所述第二带通滤波器的另一端作为所述高频端；
所述第一带通滤波器中心频率为120MHz，所述第二带通滤波器中心频率为360MHz；
还包括T接头枝节组件；
所述T接头枝节组件是三端口的微波网络；
所述T接头枝节组件的三端分别连接所述第一带通滤波器的所述另一端、所述第二带通滤波器的所述一端和所述待测件的所述一端；
所述T接头枝节组件包括第一传输线、第二传输线和第三传输线；
所述第一传输线、第二传输线和第三传输线均为半钢线；
所述第一传输线长度为286.6mm，所述第二传输线长度为347mm；
所述单一信号源的标称阻抗为50Ω或75Ω，信号频率为120MHz；
所述装置执行定量测量无源器件非线性的测试方法，包括步骤：
通过单一信号源产生信号，将所述信号经由双工器输送至待测件；
通过频谱仪接收所述待测件接收到所述信号后经由所述双工器反射回来的谐波；
根据所述谐波对所述待测件的非线性进行测量；
所述第一带通滤波器的导通频段包括所述信号的频段，所述第二带通滤波器的导通频段包括所述谐波的频段。
2.根据权利要求1所述的一种定量测量无源器件非线性的装置，其特征在于，还包括功率放大器；
所述功率放大器的一端与所述单一信号源电连接，另一端与所述双工器的低频端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种定量测量无源器件非线性的装置，其特征在于，所述谐波为所述信号的三次谐波。
4.根据权利要求1所述的一种定量测量无源器件非线性的装置，其特征在于，所述负载为低互调负载。
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