CN117538627A - 一种端口阻抗一致性测量设备与方法 - Google Patents

一种端口阻抗一致性测量设备与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于检测技术领域，涉及一种端口阻抗一致性测量设备与方法，该设备包括壳体与设置在壳体内的信号源、射频通道与数字处理单元，以及设置在壳体外部的显示控制单元；射频通道包括定向耦合器、微带线巴伦、第一微带定向耦合器、第二微带定向耦合器、微带合路器、射频开关与宽带对数检波器；本发明设备具有极高的测量灵敏度，能够对端口阻抗一致性参数直接测量，无需测量待测件的具体阻抗参数，直接将被测端口阻抗和参考端口阻抗的一致性的差异转换为电压信号，只需要简单的AD采样即可得出测量结果；该端口阻抗一致性测量设备结构简单，能够集成化设置，具有便携性的优点。

Description

一种端口阻抗一致性测量设备与方法
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体而言，涉及一种端口阻抗一致性测量设备与方法。
背景技术
在对零部件端口阻抗一致性有要求的使用环境，比如相控阵天线阵列，天线单元的端口阻抗一致性对整个相控阵天线阵列的性能有很大影响，影响相控阵天线阵列的功率合成和指向性，有利于整个探测系统的性能提升。天线单元端口的差异过大将会引入设计之外的旁瓣合成，降低整个探测系统的性能。
对天线单元的电气指标测试通常在生产过程中进行，在经过运输、储存、安装后，天线单元的电气指标有可能发生变化。在外场装配条件下对天线单元的测量往往比较困难，传统的测量方式是用便携式网络分析仪测量参考件的阻抗参数，然后测量被测件的阻抗参数，最后通过参数对比计算出被测件与被测件的阻抗一致性指标，这种方式步骤多耗时长，不利于大规模快速测量，并且便携式网络分析仪属于精密仪器，价格昂贵，在严酷的外场环境下易出故障，造成不必要的损失。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种端口阻抗一致性测量设备与方法。
第一方面，本发明提供了一种端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备，包括壳体与设置在壳体内的信号源、射频通道与数字处理单元，以及设置在壳体外部的显示控制单元；
数字处理单元的输出端与信号源的控制输入端电信号连接；
射频通道包括定向耦合器、微带线巴伦、第一微带定向耦合器、第二微带定向耦合器、微带合路器、射频开关与宽带对数检波器；
定向耦合器的第一输出端与微带线巴伦的输入端电信号连接；微带线巴伦的第一输出端与第一微带定向耦合器的第一输入端电信号连接；第一微带定向耦合器的第二输入端用于待测信号输入；微带线巴伦的第二输出端与第二微带定向耦合器的第一输入端电信号连接；第二微带定向耦合器的第二输入端用于参考信号输入；
第一微带定向耦合器的输出端与微带合路器的第一输入端电信号连接；第二微带定向耦合器的输出端与微带合路器的第二输入端电信号连接；微带合路器的输出端与射频开关的第二输入端电信号连接；
定向耦合器的第二输出端与射频开关的第一输入端电信号连接；射频开关的输出端与宽带对数检波器的输入端电信号连接；
宽带对数检波器的输出端与数字处理单元的输入端电信号连接；
数字处理单元与显示控制单元电信号连接。
第二方面，本发明提供了基于一种端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的端口阻抗一致性测量方法，包括：
在测量开始时，显示控制单元接收数字控制单元发送的控制指令，通过数字处理电路发送频率信息到信号源，信号源输出给定频率的连续波射频信号；
连续波射频信号通过定向耦合器与微带线巴伦分为两路差分信号，一路耦合信号作为发射频率与功率基准信号，另一路进入微带巴伦电路；
进入微带巴伦电路的耦合信号输出两路差分信号分别进入第一微带定向耦合器与第二微带定向耦合器，一路经过第二微带定向耦合器后输出到待测件，另一路经过第三微带定向耦合器后输出到参考件输入端；
输入到待测件的信号根据待测件的端口阻抗值的参数，反射幅相特征的信号回第二微带定向耦合器，输入到参考件的信号根据参考件的端口阻抗值的参数，反射幅相特征的信号回第三微带定向耦合器；
反射回第二微带定向耦合器的信号与反射回第三微带定向耦合器的信号通过耦合后同时进入微带合路器；
微带合路器根据待测件的耦合信号与参考件的耦合信号的幅度相位信息进行合成，输出差异合成信号；
差异合成信号与入射基准信号通过射频开关进行分时切换，进入宽带对数检波器进行检波，将幅度信息转换为电压信息；
数字处理电路对电压信息进行采样处理，输出入射基准信号与差异合成信号的差值，该差值用于表示待测件和参考件之间的端口阻抗差异；
显示控制单元对入射基准信号与差异合成信号的差值进行显示，测量过程完成。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，数字处理单元包括数字处理电路与模数采样单元；模数采样单元包括模数转换器；数字处理电路包括处理器；模数转换器的输入端与宽带对数检波器的输出端电信号连接；模数转换器的输出端与处理器的输入端电信号连接；处理器的输出端与信号源的控制输入端、控制单元电信号连接。
进一步，射频开关的输出端设置有射频放大器；射频开关的输出端通过射频放大器与宽带对数检波器的输入端电信号连接。
进一步，显示控制单元包括触控板与液晶显示屏；数字处理单元与触控板电信号连接；触控板与液晶显示屏电信号连接。
进一步，微带线巴伦生成与信号源发射信号幅度相等、相位相差180°的差分信号。
进一步，操作人员通过显示控制单元输入指令，数字电路对显示控制单元的面板的输入指令进行处理，并转换为控制信号发送至信号源和射频通道。
本发明的有益效果是：
（1）具有极高的测量灵敏度，依赖于射频通道采用自干扰对消的方式，通过微带巴伦生成一路与发射信号幅度相等、相位相差180°的差分信号，通过合路后进行相互抵消，使发射泄漏信号大大降低，从而极大提高对反射耦合信号的测试灵敏度；
（2）该端口阻抗一致性测量设备能够对端口阻抗一致性参数直接测量，无需测量待测件的具体阻抗参数，直接将被测端口阻抗和参考端口阻抗的一致性的差异转换为电压信号，只需要简单的AD采样即可得出测量结果；
（3）该端口阻抗一致性测量设备结构简单，能够集成化设置，具有便携性的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的原理框图；
图2为本发明实施例1中端口阻抗均为50.0ohm时的入射基准信号与发射泄漏信号比较的效果图；
图3为测试件入射基准与差异合成信号的差值随阻抗变化的柱状图；
图4为测试件入射基准与差异合成信号的差值随阻抗变化的折线图；
图5为端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的俯视图；
图6为端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的侧视图；
图7为端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的剖视图；
图8为端口阻抗一致性测量方法的原理图。
图标：1-壳体；2-显示控制单元；3-待测件射频接口；4-参考件射频接口；5-测试电缆；6-信号源；7-射频通道；8-数字处理单元；9-电池。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
作为一个实施例，如附图1所示，为解决上述技术问题，本实施例提供一种端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备，包括壳体与设置在壳体内的信号源、射频通道与数字处理单元，以及设置在壳体外部的显示控制单元；
数字处理单元的输出端与信号源的控制输入端电信号连接；
射频通道包括定向耦合器、微带线巴伦、第一微带定向耦合器、第二微带定向耦合器、微带合路器、射频开关与宽带对数检波器；
定向耦合器的第一输出端与微带线巴伦的输入端电信号连接；微带线巴伦的第一输出端与第一微带定向耦合器的第一输入端电信号连接；第一微带定向耦合器的第二输入端用于待测信号输入；微带线巴伦的第二输出端与第二微带定向耦合器的第一输入端电信号连接；第二微带定向耦合器的第二输入端用于参考信号输入；
第一微带定向耦合器的输出端与微带合路器的第一输入端电信号连接；第二微带定向耦合器的输出端与微带合路器的第二输入端电信号连接；微带合路器的输出端与射频开关的第二输入端电信号连接；
定向耦合器的第二输出端与射频开关的第一输入端电信号连接；射频开关的输出端与宽带对数检波器的输入端电信号连接；
宽带对数检波器的输出端与数字处理单元的输入端电信号连接；
数字处理单元与显示控制单元电信号连接。
在实际应用过程中，壳体是整个设备的各个组件的安装载体。可选的，信号源、射频通道与数字处理单元集成设置在壳体内的电路板上或者壳体内侧板上。
信号源是设备的射频发射部件，为测量提供信号来源。
射频通道是测量设备的核心，将待测件的端口阻抗与参考件的端口阻抗进行比较，并转换为电压信号提供给数字处理电路进行处理。
数字处理电路将射频通道提供的电压信号进行处理计算，并在显示控制单元的面板上显示。
如附图1所示，端口阻抗一致性测量设备的工作原理如下:
在测量开始时，显示控制单元接收控制命令，通过数字处理电路发送频率信息到信号源，输出给定频率的连续波射频信号。该信号通过定向耦合器分为两路，一路耦合信号作为系统的发射频率和功率基准信号，进入第二微带定向耦合器后输出到待测件输入端，另一路进入微带巴伦电路到达第三微带定向耦合器输出到参考件输入端；
输入到参考件和待测件的信号根据参考件和待测件的端口阻抗分别反射回第二微带定向耦合器和第三微带定向耦合器，并通过耦合后同时进入微带合路器。
微带合路器根据待测件耦合信号和参考件耦合信号的幅度相位信息进行合成，输出差异合成信号。
差异合成信号与入射基准信号通过射频开关进行分时切换，进入宽带对数检波器进行检波，将幅度信息转换为电压信息，并通过AD采样后进入数字处理电路进行处理，输出入射基准信号和差异合成信号的差值，该差值即表示待测件和参考件之间的端口阻抗差异，并通过显示控制单元输出，测量过程完成。
在实际应用过程中，该端口阻抗一致性测量设备鞥能够设计成整体尺寸为120x60x30mm、重量小于200g，具有便携的优点。
该设备能够对端口阻抗一致性参数直接测量，无需复杂计算。该设备无需测量待测件的具体阻抗参数，直接将被测端口阻抗和参考端口阻抗的一致性的差异转换为电压信号，只需要简单的AD采样即可得出测量结果，无需进行复杂数学运算。
该设备测量灵敏度高，射频通道采用自干扰对消电路，对信号源泄露信号进行抑制，更灵敏地测量待测件与参考件之间的差异。
该设备功耗小，设备使用小信号即可满足测量需求，采用低功耗的信号源即可满足需求。数字处理电路不需要进行复杂运算，采用低功耗处理器即可满足需求，因此整机功耗小，续航时间长。
该设备环境适应性强，设备采用两路对称电路以及分时采集的方式对信号进行采集，由于使用同一AD采样器件对信号进行采集，采集时的温度条件相同，排除了温度变化对采集器件的性能影响，因此该设备在低温和高温环境中均具有良好的性能。
可选的，数字处理单元包括数字处理电路与模数采样单元；模数采样单元包括模数转换器；数字处理电路包括处理器；模数转换器的输入端与宽带对数检波器的输出端电信号连接；模数转换器的输出端与处理器的输入端电信号连接；处理器的输出端与信号源的控制输入端、控制单元电信号连接。
可选的，射频开关的输出端设置有射频放大器；射频开关的输出端通过射频放大器与宽带对数检波器的输入端电信号连接。
可选的，显示控制单元包括触控板与液晶显示屏；数字处理单元与触控板电信号连接；触控板与液晶显示屏电信号连接。
在实际应用过程中，操作人员通过显示控制单元输入指令，数字电路对显示控制单元的面板的输入指令进行处理，并转换为控制信号发送至信号源和射频通道。数字电路对信号源进行控制，使其输出设定的频率信号。显示控制单元是设备的控制输入和显示输出部件，可选的，采用带触控板的液晶显示屏，并具有折叠功能，负责控制命令的输入以及仪器设备的工作状态与测量结果输出。
可选的，微带线巴伦生成与信号源发射信号幅度相等、相位相差180°的差分信号。
该设备具有极高的测量灵敏度，依赖于射频通道采用自干扰对消的方式。第二微带定向耦合器和第三微带定向耦合器据有单向耦合性能，但是实际应用过程中二者反相隔离度大约为15dB左右，一部分发射信号会泄漏到待测件到耦合信号中，这样在待测件耦合信号弱的情况下，会使发射泄漏信号高于耦合信号，导致系统丧失反射测试功能。因此，通过微带巴伦生成一路与发射信号幅度相等、相位相差180°的差分信号，通过合路后进行相互抵消，使发射泄漏信号大大降低，从而极大提高对反射耦合信号的测试灵敏度。
如附图2所示自干扰对消的效果图，横轴为频率，单位：GHz，纵轴为信号传输参数，单位：dB。在特征阻抗为50欧姆的射频系统中，其中待测件和参考件均为50.0欧姆的阻抗，m为入射基准信号，n为差异合成信号，即发射泄漏信号。n的值为测量系统的灵敏度下限，由附图2可知，当信号源信号为0dBm时，系统的灵敏度下限达到-60dBm。入射基准信号与差异合成信号的差值为测量系统的动态范围，由图可知，系统的动态范围可达45dB。
当待测件与参考件端口阻抗存在差异时，待测耦合信号与参考耦合信号也会存在差异，差异合成信号将根据端口阻抗变化而变化。如附图3所示测试件入射基准与差异合成信号的差值随阻抗变化的柱状图，附图4为测试件入射基准与差异合成信号的差值随阻抗变化的折线图，横轴为参考件端口阻抗，纵轴为差异合成信号与入射基准信号的差值，当参考件端口阻抗为50Ω时，待测件不同端口阻抗对应的差异合成信号与入射基准信号的差值。当待测件的端口阻抗与参考件端口阻抗越接近，得出的差异合成信号与入射基准信号的差值越大；反之，待测件的端口阻抗与参考件端口阻抗越远离，得出的差异合成信号与入射基准信号的差值越小。由此可以得出端口一致性的测量结果。
如附图5所示，该端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的俯视图，显示控制单元2与设备的壳体1翻转式连接，设备的一侧设置待测件射频接口3，另一侧设置参考件射频接口4，待测件射频接口3与参考件射频接口4分别连接测试电缆5。附图6为该端口阻抗一致性测量设备的侧视图，信号源6、射频通道7、数字处理单元8与电池9均设置在壳体1内部，显示控制单元2与设备的壳体1翻转式连接。附图7为该端口阻抗一致性测量设备的剖视图。
实施例2
基于与本发明的实施例1中所示的方法相同的原理，如附图8所示，本发明的实施例中还提供了基于一种端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗设备的端口阻抗一致性测量方法，包括：
在测量开始时，显示控制单元接收数字控制单元发送的控制指令，通过数字处理电路发送频率信息到信号源，信号源输出给定频率的连续波射频信号；
连续波射频信号通过定向耦合器与微带线巴伦分为两路差分信号，一路耦合信号作为发射频率与功率基准信号，另一路进入微带巴伦电路；
进入微带巴伦电路的耦合信号输出两路差分信号分别进入第一微带定向耦合器与第二微带定向耦合器，一路经过第二微带定向耦合器后输出到待测件，另一路经过第三微带定向耦合器后输出到参考件输入端；
输入到待测件的信号根据待测件的端口阻抗值的参数，反射幅相特征的信号回第二微带定向耦合器，输入到参考件的信号根据参考件的端口阻抗值的参数，反射幅相特征的信号回第三微带定向耦合器；
反射回第二微带定向耦合器的信号与反射回第三微带定向耦合器的信号通过耦合后同时进入微带合路器；
微带合路器根据待测件的耦合信号与参考件的耦合信号的幅度相位信息进行合成，输出差异合成信号；
差异合成信号与入射基准信号通过射频开关进行分时切换，进入宽带对数检波器进行检波，将幅度信息转换为电压信息；
数字处理电路对电压信息进行采样处理，输出入射基准信号与差异合成信号的差值，该差值用于表示待测件和参考件之间的端口阻抗差异；
显示控制单元对入射基准信号与差异合成信号的差值进行显示，测量过程完成。
可选的，数字处理单元包括数字处理电路与模数采样单元；模数采样单元包括模数转换器；数字处理电路包括处理器；模数转换器的输入端与宽带对数检波器的输出端电信号连接；模数转换器的输出端与处理器的输入端电信号连接；处理器的输出端与信号源的控制输入端、控制单元电信号连接。
可选的，射频开关的输出端设置有射频放大器；射频开关的输出端通过射频放大器与宽带对数检波器的输入端电信号连接。
可选的，显示控制单元包括触控板与液晶显示屏；数字处理单元与触控板电信号连接；触控板与液晶显示屏电信号连接。
可选的，微带线巴伦生成与信号源发射信号幅度相等、相位相差180°的差分信号。
可选的，操作人员通过显示控制单元输入指令，数字电路对显示控制单元的面板的输入指令进行处理，并转换为控制信号发送至信号源和射频通道。
以上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 (7)

1.一种端口阻抗一致性测量设备，其特征在于，包括壳体与设置在壳体内的信号源、射频通道与数字处理单元，以及设置在壳体外部的显示控制单元；
数字处理单元的输出端与信号源的控制输入端电信号连接；
射频通道包括定向耦合器、微带线巴伦、第一微带定向耦合器、第二微带定向耦合器、微带合路器、射频开关与宽带对数检波器；
定向耦合器的第一输出端与微带线巴伦的输入端电信号连接；微带线巴伦的第一输出端与第一微带定向耦合器的第一输入端电信号连接；第一微带定向耦合器的第二输入端用于待测信号输入；微带线巴伦的第二输出端与第二微带定向耦合器的第一输入端电信号连接；第二微带定向耦合器的第二输入端用于参考信号输入；
第一微带定向耦合器的输出端与微带合路器的第一输入端电信号连接；第二微带定向耦合器的输出端与微带合路器的第二输入端电信号连接；微带合路器的输出端与射频开关的第二输入端电信号连接；
定向耦合器的第二输出端与射频开关的第一输入端电信号连接；射频开关的输出端与宽带对数检波器的输入端电信号连接；
宽带对数检波器的输出端与数字处理单元的输入端电信号连接；
数字处理单元与显示控制单元电信号连接。
2.根据权利要求1所述一种端口阻抗一致性测量设备，其特征在于，数字处理单元包括数字处理电路与模数采样单元；模数采样单元包括模数转换器；数字处理电路包括处理器；模数转换器的输入端与宽带对数检波器的输出端电信号连接；模数转换器的输出端与处理器的输入端电信号连接；处理器的输出端与信号源的控制输入端、控制单元电信号连接。
3.根据权利要求1所述一种端口阻抗一致性测量设备，其特征在于，射频开关的输出端设置有射频放大器；射频开关的输出端通过射频放大器与宽带对数检波器的输入端电信号连接。
4.根据权利要求1所述一种端口阻抗一致性测量设备，其特征在于，显示控制单元包括触控板与液晶显示屏；数字处理单元与触控板电信号连接；触控板与液晶显示屏电信号连接。
5.根据权利要求1所述一种端口阻抗一致性测量设备，其特征在于，微带线巴伦生成与信号源发射信号幅度相等、相位相差180°的差分信号。
6.基于权利要求1所述一种端口阻抗一致性测量设备的端口阻抗一致性测量方法，其特征在于，包括：
在测量开始时，显示控制单元接收数字控制单元发送的控制指令，通过数字处理电路发送频率信息到信号源，信号源输出给定频率的连续波射频信号；
连续波射频信号通过定向耦合器与微带线巴伦分为两路差分信号，一路耦合信号作为发射频率与功率基准信号，另一路进入微带巴伦电路；
进入微带巴伦电路的耦合信号输出两路差分信号分别进入第一微带定向耦合器与第二微带定向耦合器，一路经过第二微带定向耦合器后输出到待测件，另一路经过第三微带定向耦合器后输出到参考件输入端；
输入到待测件的信号根据待测件的端口阻抗值的参数，反射幅相特征的信号回第二微带定向耦合器，输入到参考件的信号根据参考件的端口阻抗值的参数，反射幅相特征的信号回第三微带定向耦合器；
反射回第二微带定向耦合器的信号与反射回第三微带定向耦合器的信号通过耦合后同时进入微带合路器；
微带合路器根据待测件的耦合信号与参考件的耦合信号的幅度相位信息进行合成，输出差异合成信号；
差异合成信号与入射基准信号通过射频开关进行分时切换，进入宽带对数检波器进行检波，将幅度信息转换为电压信息；
数字处理电路对电压信息进行采样处理，输出入射基准信号与差异合成信号的差值，该差值用于表示待测件和参考件之间的端口阻抗差异；
显示控制单元对入射基准信号与差异合成信号的差值进行显示，测量过程完成。
7.根据权利要求6所述端口阻抗一致性测量方法，其特征在于，操作人员通过显示控制单元输入指令，数字电路对显示控制单元的面板的输入指令进行处理，并转换为控制信号发送至信号源和射频通道。
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