CN114509607A - 功率源反射系数的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率源反射系数的测量方法及系统。该方法包括：对矢量网络分析仪的两端口进行校准，采用校准后的矢量网络分析仪测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数；采用校准后的矢量网络分析仪测量功率探头的反射系数；基于功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，从功率计上分别读取与输出功率对应的功率值；根据S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数。本发明能够准确测量功率源的反射系数。

Description

功率源反射系数的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及微波/毫米波测试技术领域，尤其涉及一种功率源反射系数的测量方法及系统。

背景技术

反射系数是用来表征测量系统中接收仪表与激励信号间的匹配状态的参数。通常反射系数越小，信号传输效率越高。对于微波测量领域，一般采用网络分析仪对器件或仪器的散射参量(S参数)进行测量，实现其反射系数的测量。

由于功率源只有在工作状态下对其反射系数进行测量时，才能真实反映其反射系数特性。但是，网络分析仪只能测量无源器件的反射系数，否则会烧毁网络分析仪的接收机。对于有源器件仅能采用一定频偏，例如希望测量1GHz频点的反射系数，需在1.1GHz下进行测量，导致测量无法得到真实测量结果。

发明内容

本本发明实施例提供了一种功率源反射系数的测量方法及系统，以解决现有技术无法准确测量有源器件的反射系数的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种功率源反射系数的测量方法，包括：

对矢量网络分析仪的两端口进行校准，采用校准后的矢量网络分析仪测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数；

采用所述校准后的矢量网络分析仪测量功率探头的反射系数；

基于所述功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，从功率计上分别读取与所述输出功率对应的功率值；

根据所述S参数、所述反射系数以及所述功率值求解超定方程，得到所述功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，所述超定方程为：

其中，P₀表示信号源传输到无反射负载上的功率，P_B表示从功率计上读取的与功率源的输出功率对应的功率值，η表示效率参数，Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数，Γ_G表示功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述S参数、所述反射系数以及所述功率值求解超定方程，得到所述功率源的反射系数，包括：

基于阻抗调配器的至少四个状态，获得对应的至少四组S参数和至少四组功率值；

根据所述至少四组S参数、对应的所述至少四组功率值以及所述反射系数求解所述超定方程，得到所述功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述至少四组S参数、对应的所述至少四组功率值以及所述反射系数求解所述超定方程，得到所述功率源的反射系数，包括：

根据所述至少四组S参数和所述反射系数，计算对应的至少四个Γ_A；

根据所述至少四组S参数、所述反射系数以及对应的所述至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η；

将所述至少四个Γ_A、对应的所述至少四组功率值以及所述至少四个η代入所述超定方程，得到P₀以及Γ_G的实部和虚部。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述至少四组S参数和所述反射系数，计算对应的至少四个Γ_A，包括：

将所述至少四组S参数和所述反射系数分别代入第一表达式中，计算对应的至少四个Γ_A；

其中，所述第一表达式为

Γ_L表示所述反射系数，所述S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂，S₁₁表示输入反射系数，S₁₂表示反向传输系数，S₂₁表示正向传输系数，S₂₂表示输出反射系数。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述至少四组S参数、所述反射系数以及对应的所述至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η，包括：

将所述至少四组S参数、所述反射系数以及对应的所述至少四个Γ_A分别代入第二表达式中，计算对应的至少四个η；

其中，所述第二表达式为

P_A表示从阻抗调配器输入端面处入射到所述阻抗调配器的功率。

在一种可能的实现方式中，将已知S参数的校准件与矢量网络分析仪连接，所述对矢量网络分析仪的两端口进行校准，包括：

将所述矢量网络分析仪预热预设时间；

基于设置的预热后的矢量网络分析仪的输出功率和中频带宽，测量所述校准件的S参数，根据测量的S参数与已知的S参数的误差对设置参数后的矢量网络分析仪进行全二端口校准。

第二方面，本发明实施例提供了一种功率源反射系数的测量系统，包括：

矢量网络分析仪组件，用于测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数，以及测量功率探头的反射系数；

功率计组件，用于基于所述功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，分别得到与所述输出功率对应的功率值；

处理器，用于根据所述S参数、所述反射系数以及所述功率值求解超定方程，得到所述功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，所述超定方程为：

其中，P₀表示信号源传输到无反射负载上的功率，P_B表示从功率计上读取的与功率源的输出功率对应的功率值，η表示效率参数，Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数，Γ_G表示功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，所述处理器，用于：

基于阻抗调配器的至少四个状态，获得对应的至少四组S参数和至少四组功率值；

根据所述至少四组S参数、对应的所述至少四组功率值以及所述反射系数求解所述超定方程，得到所述功率源的反射系数。

本发明实施例提供一种功率源反射系数的测量方法及系统，通过分别测量阻抗调配器的S参数、功率探头的反射系数以及与输出功率对应的功率值，采用S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数，从而可以有效解决现有技术中无法准确测量有源器件的反射系数的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的功率源反射系数的测量方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的矢量网络分析仪组件的示意图；

图3是本发明另一实施例提供的矢量网络分析仪组件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的功率计组件的示意图；

图5是本发明实施例提供的功率源反射系数的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的一种功率源反射系数的测量方法的实现流程图，详述如下：

步骤101，对矢量网络分析仪的两端口进行校准，采用校准后的矢量网络分析仪测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数。

在采用矢量网络分析仪进行测量之前，需要对矢量网络分析仪的两个端口进行校准，以便后续的测量结果准确。在本实施例中主要采用校准件对矢量网络分析仪进行校准。

可选的，将已知S参数的校准件与矢量网络分析仪连接；需要说明的是，此时仅将校准件连接矢量网络分析仪。对矢量网络分析仪的两端口进行校准，可以包括：

将矢量网络分析仪预热预设时间；这里预设时间为大于等于30分钟，即将矢量网络分析仪预热预至少30分钟。

基于设置的预热后的矢量网络分析仪的输出功率和中频带宽，测量校准件的S参数，根据测量的S参数与已知的S参数的误差对设置参数后的矢量网络分析仪进行全二端口校准。输出功率可以设置为-5dBm，中频带宽可以设置为100Hz。

对矢量网络分析仪校准完成后，取下校准件，将阻抗调配器的两个端口对应连接到矢量网络分析仪的测试端口，如图2所示，设置阻抗调配器到不同的阻抗位置，即阻抗调配器处于不同的阻抗状态，在待测功率源频率测量范围内采用矢量网络分析仪测量阻抗调配器对应的S参数，并对测量的S参数进行保存。根据不同的阻抗状态，可以得到多组S参数。为了求解步骤104中的超定方程，我们至少需要测量四组S参数。例如设置六组不同的阻抗状态，可以得到六组S参数。

这里S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂，S₁₁表示输入反射系数，S₁₂表示反向传输系数，S₂₁表示正向传输系数，S₂₂表示输出反射系数。

步骤102，采用校准后的矢量网络分析仪测量功率探头的反射系数。

可选的，可以采用步骤101校准后的矢量网络分析仪测量功率探头的反射系数。或者可以在步骤102执行之前，对矢量网络分析仪重新校正，以便测量的功率探头的反射系数更准确。

如图3所示，将功率计连接功率探头，然后将功率探头连接到矢量网络分析仪的一个测量端口，在待测功率源频率测量范围内，采用校准后的矢量网络分析仪测量与功率计连接的功率探头的反射系数。例如，采用Γ_L表示测量得到的反射系数。

步骤103，基于功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，从功率计上分别读取与输出功率对应的功率值。

需要说明的是，矢量网络分析仪仅仅是测量S参数时采用，当测量功率值时需要采用功率计。

在本步骤中，我们采用功率计进行功率测量，如图4所示，功率源设备连接阻抗调配器的一端口，阻抗调配器的另一端口通过功率探头连接功率计。在进行测量之前，需要将功率计和功率源设备进行充分预热，并设置功率源的输出功率为预设输出功率，频率为起始输出频率。这里充分预热指预热至少30分钟。预设输出功率可以为1W。

步骤A，将阻抗调配器设置为阻抗状态1，即对应一个阻抗位置，此阻抗位置相应的坐标值可以为(X₁,Y₁)。此时读取功率计的读数，并记录保存。

步骤B，依次改变阻抗调配器的阻抗状态，读取功率计测量读数，并储存。需要说明的是，可以依次测量六次对应的功率值。

步骤C，然后改变功率源的输出频率，并重复步骤A和步骤B，测量并保存测量结果。

需要说明的是，本步骤测量得到的功率值，即为阻抗调配器输出端面处入射到功率探头的功率。参见图4中的2位置处，即为阻抗调配器输出端面，1位置处为阻抗调配器输入端面。

另外，步骤A和步骤B中阻抗调配器的不同阻抗状态与步骤101中测量阻抗调配器的S参数的阻抗状态相同。

步骤104，根据S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数。

可选的，超定方程的确定过程为：

参见图4，阻抗调配器输入端面入射到阻抗调配器的功率设置为P_A，功率源的反射系数设置为Γ_G，则P₀＝P_A|1-Γ_AΓ_G|²(1)。其中，P₀表示信号源传输到无反射负载上的功率，Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数。

其中，Γ_L表示测量得到的反射系数，S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂，S₁₁表示输入反射系数，S₁₂表示反向传输系数，S₂₁表示正向传输系数，S₂₂表示输出反射系数。

根据公式(1)-(3)，可以得到

公式(4)即为超定方程，超定方程中P_B表示从功率计上读取的与功率源的输出功率对应的功率值，为已知值，即步骤103中测量得到；Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数，可以根据公式(2)得到，公式(2)中的Γ_L表示反射系数，即步骤102中测量得到；η表示效率参数，根据公式(3)得到，这样超定方程中的未知数为P₀和Γ_G。其中Γ_G为复数，包括实部和虚部，这样超定方程中就有三个未知参数，理论上需要测量三组S参数以及对应的三组功率值即可得到Γ_G，但是考虑到不同的功率源反射系数及功率探头反射系数，阻抗点位置有接近重叠的可能，这样可能会导致无解现象出现，因此在本实施例中测量至少四组对应参数，来求解超定方程。

可选的，根据S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数，可以包括：基于阻抗调配器的至少四个状态，获得对应的至少四组S参数和至少四组功率值；根据至少四组S参数、对应的至少四组功率值以及反射系数求解超定方程，得到功率源的反射系数。

在求解超定方程时，根据至少四组S参数和反射系数，计算对应的至少四个Γ_A；根据至少四组S参数、反射系数以及对应的至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η；将至少四个Γ_A、对应的至少四组功率值以及至少四个η代入超定方程，得到P₀以及Γ_G的实部和虚部。

在一实施例中，根据至少四组S参数和反射系数，计算对应的至少四个Γ_A时，将至少四组S参数和反射系数分别代入第一表达式中，计算对应的至少四个Γ_A；这里第一表达式即为公式(2)；

根据至少四组S参数、反射系数以及对应的至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η时，将至少四组S参数、反射系数以及对应的至少四个Γ_A分别代入第二表达式中，计算对应的至少四个η；这里第二表达式即为上述公式(3)。

这样通过至少四组不同阻抗状态对应的至少四组参数，可以得到功率源反射系数Γ_G。

最后根据求得到的功率源反射系数、功率探头的反射系数以及功率探头校准因子不确定度、功率线性测量不确定度等参数即可得到采用功率计测量功率源的功率输出不确定度，以便帮助设计师更好的撞我设计产品性能指标情况。

上述功率源反射系数的测量方法，通过分别测量阻抗调配器的S参数、功率探头的反射系数以及与输出功率对应的功率值，采用S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数，从而可以有效解决现有技术中无法准确测量有源器件的反射系数的问题，且计算过程简单。本发明可以准确测量功率源的反射系数。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。

图5示出了本发明实施例提供的一种功率源反射系数的测量系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图5所示，功率源反射系数的测量系统包括：矢量网络分析仪组件501、功率计组件502和处理器503。

矢量网络分析仪组件501，用于测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数，以及测量功率探头的反射系数；

功率计组件502，用于基于功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，分别得到与输出功率对应的功率值；

处理器503，用于根据S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，，超定方程为：

其中，P₀表示信号源传输到无反射负载上的功率，P_B表示从功率计上读取的与功率源的输出功率对应的功率值，η表示效率参数，Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数，Γ_G表示功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，处理器503，用于：

基于阻抗调配器的至少四个状态，获得对应的至少四组S参数和至少四组功率值；

根据至少四组S参数、对应的至少四组功率值以及反射系数求解超定方程，得到功率源的反射系数。

在一种可能的实现方式中，处理器503根据至少四组S参数、对应的至少四组功率值以及反射系数求解超定方程，得到功率源的反射系数时，用于：

根据至少四组S参数和反射系数，计算对应的至少四个Γ_A；

根据至少四组S参数、反射系数以及对应的至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η；

将至少四个Γ_A、对应的至少四组功率值以及至少四个η代入超定方程，得到P₀以及Γ_G的实部和虚部。

在一种可能的实现方式中，处理器503根据至少四组S参数和反射系数，计算对应的至少四个Γ_A时，用于：

将至少四组S参数和反射系数分别代入第一表达式中，计算对应的至少四个Γ_A；

其中，第一表达式为

Γ_L表示反射系数，S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂，S₁₁表示输入反射系数，S₁₂表示反向传输系数，S₂₁表示正向传输系数，S₂₂表示输出反射系数。

在一种可能的实现方式中，处理器503根据至少四组S参数、反射系数以及对应的至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η时，用于：

将至少四组S参数、反射系数以及对应的至少四个Γ_A分别代入第二表达式中，计算对应的至少四个η；

其中，第二表达式为

P_A表示从阻抗调配器输入端面处入射到阻抗调配器的功率。

在一种可能的实现方式中，矢量网络分析仪组件501中可以包括校准件和矢量网络分析仪，将已知S参数的校准件与矢量网络分析仪连接；然后矢量网络分析仪用于预热预设时间；以及基于设置的预热后的矢量网络分析仪的输出功率和中频带宽，测量校准件的S参数，根据测量的S参数与已知的S参数的误差对设置参数后的矢量网络分析仪进行全二端口校准。

功率计组件502可以包括功率源设备、阻抗调配器、功率探头和功率计，如图4所示，采用功率计得到与输出功率对应的功率值。

上述功率源反射系数的测量系统，通过矢量网络分析仪组件分别测量阻抗调配器的S参数、功率探头的反射系数，采用功率计组件测量与输出功率对应的功率值，处理器用于采用S参数、反射系数以及功率值求解超定方程，得到功率源的反射系数，从而可以有效解决现有技术中无法准确测量有源器件的反射系数的问题，本发明可以准确测量功率源的反射系数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率源反射系数的测量方法，其特征在于，包括：

对矢量网络分析仪的两端口进行校准，采用校准后的矢量网络分析仪测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数；

采用所述校准后的矢量网络分析仪测量功率探头的反射系数；

基于所述功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，从功率计上分别读取与所述输出功率对应的功率值；

根据所述S参数、所述反射系数以及所述功率值求解超定方程，得到所述功率源的反射系数。

2.根据权利要求1所述的功率源反射系数的测量方法，其特征在于，所述超定方程为：

其中，P₀表示信号源传输到无反射负载上的功率，P_B表示从功率计上读取的与功率源的输出功率对应的功率值，η表示效率参数，Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数，Γ_G表示功率源的反射系数。

3.根据权利要求2所述的功率源反射系数的测量方法，其特征在于，所述根据所述S参数、所述反射系数以及所述功率值求解超定方程，得到所述功率源的反射系数，包括：

基于阻抗调配器的至少四个状态，获得对应的至少四组S参数和至少四组功率值；

根据所述至少四组S参数、对应的所述至少四组功率值以及所述反射系数求解所述超定方程，得到所述功率源的反射系数。

4.根据权利要求3所述的功率源反射系数的测量方法，其特征在于，所述根据所述至少四组S参数、对应的所述至少四组功率值以及所述反射系数求解所述超定方程，得到所述功率源的反射系数，包括：

根据所述至少四组S参数和所述反射系数，计算对应的至少四个Γ_A；

根据所述至少四组S参数、所述反射系数以及对应的所述至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η；

将所述至少四个Γ_A、对应的所述至少四组功率值以及所述至少四个η代入所述超定方程，得到P₀以及Γ_G的实部和虚部。

5.根据权利要求4所述的功率源反射系数的测量方法，其特征在于，所述根据所述至少四组S参数和所述反射系数，计算对应的至少四个Γ_A，包括：

将所述至少四组S参数和所述反射系数分别代入第一表达式中，计算对应的至少四个Γ_A；

其中，所述第一表达式为

Γ_L表示所述反射系数，所述S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂，S₁₁表示输入反射系数，S₁₂表示反向传输系数，S₂₁表示正向传输系数，S₂₂表示输出反射系数。

6.根据权利要求4所述的功率源反射系数的测量方法，其特征在于，所述根据所述至少四组S参数、所述反射系数以及对应的所述至少四个Γ_A，计算对应的至少四个η，包括：

将所述至少四组S参数、所述反射系数以及对应的所述至少四个Γ_A分别代入第二表达式中，计算对应的至少四个η；

其中，所述第二表达式为

P_A表示从阻抗调配器输入端面处入射到所述阻抗调配器的功率。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的功率源反射系数的测量方法，其特征在于，将已知S参数的校准件与矢量网络分析仪连接，所述对矢量网络分析仪的两端口进行校准，包括：

将所述矢量网络分析仪预热预设时间；

基于设置的预热后的矢量网络分析仪的输出功率和中频带宽，测量所述校准件的S参数，根据测量的S参数与已知的S参数的误差对设置参数后的矢量网络分析仪进行全二端口校准。

8.一种功率源反射系数的测量系统，其特征在于，包括：

矢量网络分析仪组件，用于测量处于不同阻抗状态的阻抗调配器的S参数，以及测量功率探头的反射系数；

功率计组件，用于基于所述功率源的不同输出功率和处于不同阻抗状态的阻抗调配器，分别得到与所述输出功率对应的功率值；

处理器，用于根据所述S参数、所述反射系数以及所述功率值求解超定方程，得到所述功率源的反射系数。

9.根据权利要求8所述的功率源反射系数的测量系统，其特征在于，所述超定方程为：

其中，P₀表示信号源传输到无反射负载上的功率，P_B表示从功率计上读取的与功率源的输出功率对应的功率值，η表示效率参数，Γ_A表示阻抗调配器输入端面面向负载端的反射系数，Γ_G表示功率源的反射系数。

10.根据权利要求9所述的功率源反射系数的测量系统，其特征在于，所述处理器，用于：

基于阻抗调配器的至少四个状态，获得对应的至少四组S参数和至少四组功率值；

根据所述至少四组S参数、对应的所述至少四组功率值以及所述反射系数求解所述超定方程，得到所述功率源的反射系数。

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