CN114157372B - 一种相位与插损的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相位与插损的测量装置及方法。该装置包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为校准通道。本发明使得单一装置具备了宽带信号分析仪、宽带信号源和矢量网络分析仪的部分能力，极大拓展了该装置的应用领域，降低了系统体积与成本。
Description
技术领域
本发明属于射频微波测试技术领域，具体涉及一种相位与插损的测量装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
信号收发装置同时具有信号接收通道、信号发生通道，具备宽带信号分析功能和宽带信号接收功能，广泛应用于半导体测试、物联网测试、5G测试等自动测试领域。
现有的信号收发装置的拓扑方案如图1所示，主要由DAC、混频器(包括调制器、解调器)、发生通道(包括放大、衰减、分段滤波等环节)、接收通道(包括衰减、放大、分段滤波等环节)、ADC和本振(含本振1、本振2)等部分组成，其中，DAC、混频器(含调制器)、发生通道和本振1用于宽带信号(含点频)的发生，接收通道、混频器(含解调器)、ADC和本振2用于宽带信号的采集与分析。本振1与本振2共参考、信号相参，可以独立控制，也可以互相为相应通道提供本振信号，即共本振。
现有的信号收发装置经过功率校准之后可以进行被测件的插损值测量。首先，通过校准装置(包括电缆、直通件等)对信号发生端口与信号输入端口进行互联，信号发生部分输出设定功率的射频信号，信号接收部分获得测量值A(作为参考值)。然后，将被测件连接到信号发生端口与信号输入端口之间(仍然包括校准电缆)，信号接收部分获得第二个测量值B。测量值B与测量值A的差值，就是被测件的插损值，但是现有的信号收发装置不能实现被测件相位的测量。
现有的信号收发装置只能实现宽带信号发生、宽带信号分析和插损测量，不能实现被测件的相位测量，也不能实现被测件的S11(驻波比)测量。在自动测试系统中，为了实现被测件S21(插损、相位)、S11的测量，就需要为系统配置矢量网络分析装置，不但增加了系统成本和体积，也不利于集成效率的提升。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种相位与插损的测量装置及方法，本发明以已有的宽带信号收发装置为基础，提出了除具备宽带信号分析、宽带信号发生能力外，还能具备部分网络测量能力(S21、S11)的信号收发装置拓扑，使得单一装置具备了宽带信号分析仪、宽带信号源和矢量网络分析仪的部分能力，极大拓展了该装置的应用领域，降低了系统体积与成本。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面，本发明提供了一种相位与插损的测量装置。
一种相位与插损的测量装置，包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为校准通道。
进一步地，所述信号收发装置包括：信号发生部分和信号接收部分，所述信号发生部分包括依次连接的发生通道、第一混频器、数字模拟转换器；所述信号接收部分包括依次连接的模拟数字转换器、第二混频器和接收通道，所述第一混频器通过第一开关连接第一本振和第二本振，所述第二混频器通过第二开关连接第一本振和第二本振。
更进一步地，所述发生通道和接收通道均设有衰减器、放大器和滤波器。
第二个方面，本发明提供了一种相位与插损的测量方法。
一种相位与插损的测量方法，采用第一个方面所述的相位与插损的测量装置实现校准过程和测量过程，所述校准过程包括：
信号发生端口与信号输入端口之间连接直通校准件，第一选择开关切换至信号发生端口，第二选择开关切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A1、相位测量值Φ1；
第一选择开关切换至校准通道，第二选择开关切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B1、相位测量值Ψ1；
计算得到校准件与校准通道之间的相位差值δ＝Φ1-Ψ1；
重复相位差值计算的过程，完成全部频点的校准。
进一步地，所述测量过程包括：
第一选择开关切换至信号发生端口，第二选择开关切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A2、相位测量值Φ2；
第一选择开关切换至校准通道，第二选择开关切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B2、相位测量值Ψ2；
计算得到被测件插损为A2-A1，被测件相移为Φ2-Ψ2-δ；
重复被测件相移计算的过程，完成全部频点插损和相移的测量。
第三个方面，本发明提供了一种相位与插损的测量装置。
一种相位与插损的测量装置，包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为直通通道，在信号收发装置与信号发生端口之间设有信号耦合装置，所述信号耦合装置连接第一选择开关。
进一步地，所述信号收发装置包括：信号发生部分和信号接收部分，所述信号发生部分包括依次连接的发生通道、第一混频器、数字模拟转换器；所述信号接收部分包括依次连接的模拟数字转换器、第二混频器和接收通道，所述第一混频器通过第一开关连接第一本振和第二本振，所述第二混频器通过第二开关连接第一本振和第二本振。
更进一步地，所述发生通道和接收通道均设有衰减器、放大器和滤波器。
第四个方面，本发明提供了一种相位与插损的测量方法。
一种相位与插损的测量方法，采用第三个方面所述的相位与插损的测量装置，包括：
获取参考信号、反射信号和传输信号；
基于所述参考信号、反射信号和传输信号控制等时间间隔进行采样，通过误差校正消除采样时间的非同时引入的相位延迟。
进一步地，所述参考信号的采样过程包括：第一选择开关切换到信号耦合装置的R端，第二选择开关切换到直通通道，建立完成R端到信号收发装置中模拟数字转换器的参考信号采集通道；
所述反射信号的采样过程包括：第一选择开关切换到信号耦合装置的A端，第二选择开关切换到直通通道，建立完成A端到信号收发装置中模拟数字转换器的参考信号采集通道；
所述传输信号的采样过程包括：第一选择开关切换到信号耦合装置的R端，第二选择开关切换到信号输入端口，建立完成R端到信号收发装置中模拟数字转换器的参考信号采集通道。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明除具备现有信号收发装置的宽带信号发生、宽带信号发生的功能外，通过开关、校准通道的增加与构建，可以实现被测件S21参数(含插损、相位)的测量，校准通道的引入有效解决了被测件没有参考相位的问题。
本发明除具备现有信号收发装置的宽带信号发生、宽带信号发生的功能外，通过信号耦合装置、开关、直通通道的增加与构建，通过分时等间隔采样得到参考信号R、反射信号A、传输信号B可以实现被测件S21、S11参数的测量。
本发明通过硬件拓扑1有限个元器件的增加与软件控制算法，使现有的信号收发装置具备了S21测量功能，有效提升了系统集成度、降低了系统集成成本。
本发明通过硬件拓扑2有限个元器件的增加与软件控制算法，使现有的信号收发装置具备了S11、S21测量功能，有效提升了系统集成度、降低了系统集成成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明示出的现有的信号收发装置的拓扑方案图；
图2是本发明示出的实施例一的相位与插损的测量装置图；
图3是本发明示出的实施例二的相位与插损的测量方法的校准框图；
图4是本发明示出的实施例二的相位与插损的测量方法的测量框图；
图5是本发明示出的实施例三的相位与插损的测量装置图；
图6是本发明示出的实施例四的相位与插损的测量方法的测量框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
目前，对于相位与插损的测量主要是通过矢量网络分析仪实现的。矢量网络分析仪在相位与插损测量方面，技术指标高，速度快，可以完成全双端口参数测量，但是矢量网络分析仪受限于拓扑架构，只能应用于网络参数测量领域，不能用于宽带信号分析、宽带信号发生，而具备宽带信号分析、宽带信号发生能力的矢量信号收发设备又不具备相位与插损(部分网络参数测量)的测量能力，造成在需要同时完成宽带信号发生、信号分析与网络参数分析的场景下，测试系统需要同时集成宽带信号发生、信号分析与网络参数分析等3种设备。本发明以已有的宽带信号收发装置为基础，提出了除具备宽带信号分析、宽带信号发生能力外，还能具备部分网络测量能力(S21、S11)的信号收发装置拓扑，并基于该拓扑实现相位与插损测量的方法。本发明使得单一装置具备了宽带信号分析仪、宽带信号源和矢量网络分析仪的部分能力，极大拓展了该装置的应用领域，降低了系统体积与成本。下面公开了多种实施方案：
实施例一，本实施例提供了一种相位与插损的测量装置。
一种相位与插损的测量装置，包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为校准通道。
作为一种或多种实施方式，信号收发装置包括：信号发生部分和信号接收部分，所述信号发生部分包括依次连接的发生通道、第一混频器、数字模拟转换器；所述信号接收部分包括依次连接的模拟数字转换器、第二混频器和接收通道，所述第一混频器通过第一开关连接第一本振和第二本振，所述第二混频器通过第二开关连接第一本振和第二本振。发生通道和接收通道均设有衰减器、放大器和滤波器。
如图2所示，相比于现有的拓扑结构，通过有限数量元器件的增加实现了完整的S21测量功能(含插损和相位)。拓扑1在电路结构上增加了校准通道，发生电路部分增加了开关S1(用于实现信号发生端口与校准通道的切换)，接收电路部分增加了开关S2(用于实现信号输入端口与校准通道的切换)。
实施例二，本实施例提供了一种相位与插损的测量方法。
一种相位与插损的测量方法，采用第一个方面所述的相位与插损的测量装置实现校准过程和测量过程，所述校准过程包括：
信号发生端口与信号输入端口之间连接直通校准件，第一选择开关切换至信号发生端口，第二选择开关切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A1、相位测量值Φ1；
第一选择开关切换至校准通道，第二选择开关切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B1、相位测量值Ψ1；
计算得到校准件与校准通道之间的相位差值δ＝Φ1-Ψ1；
重复相位差值计算的过程，完成全部频点的校准。
本实施例的拓扑1进行校准时的连接电路图如图3所示，实现校准过程为：
步骤1：信号发生端口与信号输入端口之间连接直通校准件，第一选择开关S1切换至信号发生端口，第二选择开关S2切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A1、相位测量值Φ1。
步骤2：第一选择开关S1切换至校准通道，第二选择开关S2切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B1、相位测量值Ψ1。
步骤3：计算得到校准件与校准通道之间的相位差值δ＝Φ1-Ψ1。
步骤4：重复步骤1～步骤3，完成全部频点的校准。
本实施例拓扑1进行测量时的连接电路图如图4所示，实现测量过程为：
步骤1：第一选择开关S1切换至信号发生端口，第二选择开关S2切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A2、相位测量值Φ2。
步骤2：第一选择开关S1切换至校准通道，第二选择开关S2切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B2、相位测量值Ψ2。
步骤3：计算得到被测件插损为A2-A1，被测件相移为Φ2-Ψ2-δ。
步骤4：重复步骤1～步骤3，完成全部频点插损、相移(S21)的测量。
实施例三，本实施例提供了一种相位与插损的测量装置。
一种相位与插损的测量装置，包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为直通通道，在信号收发装置与信号发生端口之间设有信号耦合装置，所述信号耦合装置连接第一选择开关。
其中，信号耦合装置是一般性的说法，全部能够实现信号耦合、提取的装置都包含在内，包含但不仅仅包含电桥、耦合器及其组合件。(射频微波行业常用、常见的装置)，属于现有装置。
作为一种或多种实施方式，所信号收发装置包括：信号发生部分和信号接收部分，所述信号发生部分包括依次连接的发生通道、第一混频器、数字模拟转换器；所述信号接收部分包括依次连接的模拟数字转换器、第二混频器和接收通道，所述第一混频器通过第一开关连接第一本振和第二本振，所述第二混频器通过第二开关连接第一本振和第二本振。发生通道和接收通道均设有衰减器、放大器和滤波器。
如图5所示，相比于现有的拓扑结构，通过有限数量元器件的增加与逻辑的配合实现了完整的S21、S11的测量功能。拓扑2在电路结构上增加了直通通道，发生电路部分增加了信号耦合分离装置(包括但不限于电桥、耦合器)、开关S1(用于实现信号发生端口与直通通道的切换)，接收电路部分增加了开关S2(用于实现信号输入端口与直通通道的切换)。
实施例四，本实施例提供了一种相位与插损的测量方法。
一种相位与插损的测量方法，采用第三个方面所述的相位与插损的测量装置，包括：
获取参考信号、反射信号和传输信号；
基于所述参考信号、反射信号和传输信号控制等时间间隔进行采样，通过误差校正消除采样时间的非同时引入的相位延迟。
本实施例中拓扑2中实现S11、S21测量计算需要的参考信号R、反射信号A、传输信号B的获取方式如下：
参考信号R：第一选择开关S1切换到信号耦合装置的R端，第二选择开关S2切换到C端(直通通道)，建立完成R端到ADC的参考信号采集通道。
反射信号A：第一选择开关S1切换到信号耦合装置的A端，第二选择开关S2切换到C端(直通通道)，建立完成A端到ADC的参考信号采集通道。
传输信号B：第一选择开关S1切换到信号耦合装置的R端，第二选择开关S2切换到B端(信号是输入端口)，建立完成R端到ADC的参考信号采集通道。
ADC模数转换芯片以轮询的方式实现对R、A、B三路射频信号进行采样，通过严格的采样时刻设定消除分时采样带来的相位影响，证明过程如下：
设RF射频信号为：
L0本振信号表示为：
射频信号经过被测件后:tdut为被测网络延迟(1)
传输信号与本振信号混频滤波后得中频信号IFB(令ωRF-ωLO＝ωIF)：
参考信号与本振信号混频滤波后得中频信号IFR：
假设tB时刻采集测试信号，参考采样时刻tR：
计算传输信号与参考信号间的B/R相位为:
ωIF(tB-tR)+ωRFtdut
(6)
从公式中可看出，当tB-tR为定值(即等时间间隔进行采样)时，通过误差校正的方式可以消除采样时间的非同时引入的相位延迟，信号收发装置拓扑2可以采用分时等间隔采样的方式实现S11、S21的测量。图6所示为拓扑2进行S21、S11测量时的连接框图。
由上述过程可以看出，等时间间隔采集到的信号没有引入相位影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种相位与插损的测量装置，包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，其特征在于，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为校准通道；
所述信号收发装置包括：信号发生部分和信号接收部分，所述信号发生部分包括依次连接的发生通道、第一混频器、数字模拟转换器；所述信号接收部分包括依次连接的模拟数字转换器、第二混频器和接收通道，所述第一混频器通过第一开关连接第一本振和第二本振，所述第二混频器通过第二开关连接第一本振和第二本振；
ADC模数转换芯片以轮询的方式实现对R、A、B三路射频信号进行采样，通过严格的采样时刻设定消除分时采样带来的相位影响，证明过程如下：
设RF射频信号为：
L0本振信号表示为：
射频信号经过被测件后:，/>为被测网络延迟（1）
传输信号与本振信号混频滤波后得中频信号（令/>）：
（2）
参考信号与本振信号混频滤波后得中频信号：
（3）
假设时刻采集测试信号 ，参考采样时刻/>：
（4）
（5）
计算传输信号与参考信号间的B/R 相位为:
（6）
从公式中可看出，当为定值（即等时间间隔进行采样）时，通过误差校正的方式消除采样时间的非同时引入的相位延迟，信号收发装置拓扑采用分时等间隔采样的方式实现S11、S21的测量；
由上述过程看出，等时间间隔采集到的信号没有引入相位影响。
2.根据权利要求1所述的相位与插损的测量装置，其特征在于，所述发生通道和接收通道均设有衰减器、放大器和滤波器。
3.一种相位与插损的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-2任一项所述的相位与插损的测量装置实现校准过程和测量过程，所述校准过程包括：
信号发生端口与信号输入端口之间连接直通校准件，第一选择开关切换至信号发生端口，第二选择开关切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A1、相位测量值Φ1；
第一选择开关切换至校准通道，第二选择开关切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B1、相位测量值Ψ1；
计算得到校准件与校准通道之间的相位差值=Φ1-Ψ1；
重复相位差值计算的过程，完成全部频点的校准。
4.根据权利要求3所述的相位与插损的测量方法，其特征在于，所述测量过程包括：
第一选择开关切换至信号发生端口，第二选择开关切换至信号输入端口，信号发生部分输出设定频率、功率的射频信号，信号接收部分获得幅度测量值A2、相位测量值Φ2；
第一选择开关切换至校准通道，第二选择开关切换至校准通道，信号接收部分获得幅度测量值B2、相位测量值Ψ2；
计算得到被测件插损为A2-A1，被测件相移为Φ2-Ψ2-；
重复被测件相移计算的过程，完成全部频点插损和相移的测量。
5.一种相位与插损的测量装置，包括：依次连接的信号发生端口、信号收发装置和信号输入端口，其特征在于，在信号发生端口与信号输入端口之间设有与信号收发装置并联的通道，所述信号收发装置与通道和信号发生端口之间设有第一选择开关，所述信号收发装置与通道和信号输入端口之间设有第二选择开关；所述通道为直通通道，在信号收发装置与信号发生端口之间设有信号耦合装置，所述信号耦合装置连接第一选择开关；
ADC模数转换芯片以轮询的方式实现对R、A、B三路射频信号进行采样，通过严格的采样时刻设定消除分时采样带来的相位影响，证明过程如下：
设RF射频信号为：
L0本振信号表示为：
射频信号经过被测件后:，/>为被测网络延迟（1）
传输信号与本振信号混频滤波后得中频信号（令/>）：
（2）
参考信号与本振信号混频滤波后得中频信号：
（3）
假设时刻采集测试信号 ，参考采样时刻/>：
（4）
（5）
计算传输信号与参考信号间的B/R 相位为:
（6）
从公式中可看出，当为定值（即等时间间隔进行采样）时，通过误差校正的方式消除采样时间的非同时引入的相位延迟，信号收发装置拓扑采用分时等间隔采样的方式实现S11、S21的测量；
由上述过程看出，等时间间隔采集到的信号没有引入相位影响。
6.根据权利要求5所述的相位与插损的测量装置，其特征在于，所述信号收发装置包括：信号发生部分和信号接收部分，所述信号发生部分包括依次连接的发生通道、第一混频器、数字模拟转换器；所述信号接收部分包括依次连接的模拟数字转换器、第二混频器和接收通道，所述第一混频器通过第一开关连接第一本振和第二本振，所述第二混频器通过第二开关连接第一本振和第二本振。
7.根据权利要求6所述的相位与插损的测量装置，其特征在于，所述发生通道和接收通道均设有衰减器、放大器和滤波器。
8.一种相位与插损的测量方法，其特征在于，采用权利要求5-7任一项所述的相位与插损的测量装置，包括：
获取参考信号、反射信号和传输信号；
基于所述参考信号、反射信号和传输信号控制等时间间隔进行采样，通过误差校正消除采样时间的非同时引入的相位延迟。
9.根据权利要求8所述的相位与插损的测量方法，其特征在于，所述参考信号的采样过程包括：第一选择开关切换到信号耦合装置的R端，第二选择开关切换到直通通道，建立完成R端到信号收发装置中模拟数字转换器的参考信号采集通道；
所述反射信号的采样过程包括：第一选择开关切换到信号耦合装置的A端，第二选择开关切换到直通通道，建立完成A端到信号收发装置中模拟数字转换器的参考信号采集通道；
所述传输信号的采样过程包括：第一选择开关切换到信号耦合装置的R端，第二选择开关切换到信号输入端口，建立完成R端到信号收发装置中模拟数字转换器的参考信号采集通道。
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