CN1255961C - 多端口器件分析装置和方法以及该装置的校准方法 - Google Patents

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Abstract

一种多端口器件分析装置，包括：信号源，多个测试端口，多个测量单元，基准信号测量单元，多个终端电阻器，开关装置，把测试信号有选择地提供给一个测试端口(输入端口)，使终端电阻器不连接具有测试信号的测试端口(输入端口)，同时使终端电阻器连接所有其它的测试端口；其中，在不改变测试端口和DUT终端之间连接的情况下，获得多端口DUT的参数，同时改变测试端口的选择，直至所有测试端口都被指定为输入端口。

Description

多端口器件分析装置和方法以及该装置的校准方法
本发明涉及分析具有三个或更多个终端(端口)的多端口器件特性的多端口器件分析装置和方法，特别涉及在不改变被测的多端口器件和分析装置之间连接的情况下，可高效率和宽动态范围地测量多端口器件的各种参数的多端口器件分析装置和方法以及多端口分析装置的校准方法。
为了分析在各种通信系统中使用的通信器件或通信部件(被测器件)的特性，常常使用网络分析器。网络分析器可获得各种测试参数，例如被测器件的发射函数、反射特性和相位特性(以下称为“分散(scattering)参数S”或“S参数”)。在现有技术中已知这种S参数，通过观察响应于来自网络分析器的扫描频率信号产生的被测器件的频率响应(电压和相位)来确定该S参数。
网络分析器一般包括两个端口，一个端口为输入端口，另一个端口为输出端口。输入端口把扫描频率信号(测试信号)传送至被测器件，输出端口则接收被测器件的响应输出信号。网络分析器的输入端口和输出端口一般这样组成，即通过网络分析器中的开关操作可以将其中任一个端口转换为另一个端口。图1所示的方框图表示这种网络分析器的结构实例。
下面简要说明图1所示的网络分析器的结构和操作。网络分析器10有分别与定向电桥(或定向耦合器)11和12连接的两个输入-输出端口P1和P2。各电桥11和12起信号分离电路的作用。来自信号发生器15的测试信号通过开关13有选择地传送给电桥11或电桥12中的一个。测试信号(扫描频率信号)从端口P1和端口P2中选择的一个端口传送给被测器件。来自信号发生器15的测试信号还传送给网络分析器内部作为基准信号。就是说，该基准信号和来自电桥11或12的输入信号被分别提供给频率转换器17、18和19，从而被转换成低频信号。
经频率转换后的输入信号和基准信号分别由A/D转换器21、22和23转换成数字信号。由数字信号处理器(DSP)25处理该数字信号，以确定被测器件的S参数。在控制系统所有操作的CPU 28的控制之下，显示器29按各种格式显示该S参数或由该S参数导出的其它数据。
待测试的器件，例如在通信器件和系统中使用的部件，有时不仅仅形成有两个终端，而是有三个或更多个终端(以下也可称为“多端口器件”)。为了测量多端口器件的S参数，可以与具有两个端口的网络分析器组合地使用具有三个或更多个端口的S参数测试仪。图2中示出这种实例，其中，三端口DUT与具有三端口的三端口S参数测试仪连接。
在使用图2所示的三端口测试仪的情况下，在DUT与测试端口90、92和94连接之前，最好按高精度校准测试仪，以测试DUT。一般来说，利用测试端口90和92、测试端口92和94及测试端口94和92之间的预定两端口校准仪进行这种校准处理。然后，DUT与测试仪连接，测量S参数。
下面更详细地说明使用常规网络分析器测量三端口器件的S参数的处理方法。图3是表示用于三端口器件测试的网络分析器实例的方框图。图3所示的网络分析器200在其中包括三端口测试仪，而且以与图2所示实例相同的方式起作用。
网络分析器200包括扫描频率信号的信号源210，分别具有两个开关电路(用电路1和电路2表示)的开关212、214、216、218及220，接收电路222和三个定向电桥(耦合器)230、232及234。接收电路222包括三个测量单元224、226和228。因此，图3所示的接收电路222与图1所示的频率转换器17、18、19和A/D转换器21、22、23及DSP 25相对应。测量单元228将测量信号源210的信号电平，即基准电平“R”。其它测量单元224和226将测量来自被测器件的输出信号(发射信号和/或反射信号)的信号电平。在本实例中，基于测量单元224和228之间电压比的测量结果被表示为“测量A”，而基于测量单元226和228之间电压比的测量结果被表示为“测量B”。
图4是表示在用图3所示的网络分析器测试三端口器件300的S参数时S参数类型和开关设定与信号扫描操作数之间关系的表。在图4中，符号SW1-SW5分别对应于开关212-220。当开关中的开关电路(电路1或电路2)打开时，该电路与其它电路部件连接成通路，而当该开关电路关闭时，该电路通过终端电阻器接地。
三端口器件(DUT)300与网络分析器200的测试端口240、242和244连接。首先，这样设定开关，即使得测试信号通过测试端口240提供给DUT 300。在这种条件下，网络分析器200测量DUT 300的S参数S11、S21和S31。例如，对于测量S参数S11来说，把测试(扫描频率)信号210通过开关212(SW1)和测试端口240施加在DUT 300上。此时，来自DUT 300的输入终端(1)的被反射的信号通过定向电桥230和开关216(SW3)由测量单元224接收，进行“测量A”。与此同时，对于测量S参数S21来说，来自DUT 300的终端(2)的发射信号通过电桥232和开关218(SW4)及开关220(SW5)由测量单元226接收，进行“测量B”。因此，通过对测试信号210的一次扫描可以测量S参数S11和S21。
对于测量S参数S31来说，在通过测试端口240把测试信号210施加在DUT 300的终端(1)上时，可测量来自DUT 300的终端(3)的发射信号。这样，改变开关5的连接，使来自DUT 300的终端(3)的发射信号通过定向电桥234和开关220由测量单元226来接收。如上所述，对于测量S参数S11、S21和S31来说，如图4的左侧列所示，必须两次把扫描信号施加给终端(1)。
按同样的方式，通过把测试信号施加在DUT 300的终端(2)上，按图4所示中心列的设定，网络分析器200测量DUT 300的S参数S12、S22和S32。按图4所示右侧列的设定，网络分析器200还测量DUT 300的S参数S13、S23和S33。这样，按上述步骤和条件测量所有的S参数。
但是，在用图2所示的三端口测试仪或图3所示的三端口网络分析器300的测量中存在的问题是，即使在两个测试端口之间进行校准步骤(两端口校准)后，测试中的三端口器件的测量精度也不够高。更具体地说，在测试DUT之前，将在测试端口90和92(240和242)、测试端口92和94(242和244)及测试端口94和90(244和240)之间进行两端口校准。但是，按照上述校准步骤，尽管可以消除两个测试端口之间的误差系数，但不能完全校准第三测试端口中的误差系数。例如，在测试端口90和92(240和242)之间的校准中，未测量在这种情况下测试端口94上的误差。
在用上述常规测试仪或网络分析器200测量S参数的情况下所存在的另一问题是，它需要很长的时间来完成测量。例如，如图4的表所示，对于测量三个S参数的各组来说，必须两次把扫描测试信号施加在DUT上。因此，为了获得所有九个S参数，必须重复六次测试信号的扫描，导致花费长时间才能完成测量。
再一个问题涉及信号损失，即测量动态范围损失。由于图3所示的实例包括用于发射来自DUT的信号的与开关216或220串联连接的开关218，所以在信号达到测量单元224或226之前，将导致信号损失。这种信号损失使测量动态范围或网络分析器中的测量灵敏度下降。
在用两端口网络分析器(图5A)或通过两端口测试仪(图5B)测试三端口器件(DUT)中，DUT的第三终端必须通过已知值的电阻器终接。在S参数测量之前，在两个测试端口P1和P2(Q1和Q2)之间进行两端口校准。然后，DUT的两端口与网络分析器(图5A)或测试仪(图5B)的测试端口连接，而DUT的剩余端口与电阻器R连接。在这种条件下，测量DUT的两端口的S参数。然后，通过使DUT的下两个端口与测试端口连接和使电阻器R与DUT的剩余端口连接，可测量S参数。通过把相同的处理重复一次以上，可以获得所有的S参数。
在利用上述图5A所示的两端口网络分析器或图5B所示的两端口测试仪进行的测量中，必须手工地多次改变DUT和网络分析器(测试仪)及电阻器R之间的连接。因此，该测试方法的缺点是复杂和费时。并且，在电阻器R偏离理想值的情况下，在电阻器R的端口上会发生反射，导致S参数测量中的误差。
因此，本发明的目的在于提供能够高效率和高精度地精确测量具有三个或更多个端口的多端口器件的参数的多端口器件分析装置和方法。
本发明的另一个目的在于提供多端口器件分析装置的校准方法，该方法在多端口器件的测量中可以检测分析装置的误差系数和补偿该误差系数。
本发明的再一个目的在于提供在不改变被测多端口器件和分析装置之间的连接的情况下，高效率和宽动态范围地测量多端口器件的各种参数的多端口器件分析装置和方法。
本发明的再一个目的在于提供高效率、高精度和宽动态范围地测量三端口器件的S参数的三端口器件分析装置和该装置的校准方法。
本发明的再一个目的在于提供利用两端口网络分析器，高效率和高精度地测量三端口器件的S参数的三端口器件分析装置。
为了测试具有三个或更多个端口的多端口器件，本发明的多端口器件分析装置包括：信号源，用于把测试信号提供给被测多端口器件(DUT)的一个终端；多个测试端口，用于连接多端口DUT的所有终端与对应的测试端口；多个测量单元，用于测量来自与多端口DUT的相应终端连接的对应测试端口的信号；基准信号测量单元，用于测量测试信号，以获得与由多个测量单元测得的来自测试端口的信号的测量值相关的基准数据；多个终端电阻器，各电阻器被分别分配给一个测试端口；和开关装置，用于有选择地把测试信号提供给一个测试端口(输入端口)，使终端电阻器与提供有测试信号的测试端口(输入端口)不连接，而使终端电阻器与所有其它的测试端口连接；其中，在不改变测试端口和DUT终端之间连接的情况下，可获得多端口DUT的参数，同时改变测试端口的选择，直至所有测试端口都被指定为输入端口。
按照本发明，由于本发明的多端口器件分析装置有可以连接多端口DUT的所有端口的端口数，所以一旦DUT被全部连接，那么就不需要改变分析装置和DUT之间的连接。此外，多端口器件分析装置在各测试端口上设有终端电阻器(为了接收来自DUT的信号)，各终端电阻器被包括在校准级和S参数测量级中。因此，即使终端电阻器偏离理想值时，也可以实现精确的测量。
图1是表示具有两个测试端口的网络分析器的结构实例的方框图。
图2是表示在常规技术中用网络分析器和三端口测试仪的组合测量三端口器件的结构实例的示意图。
图3是表示其中具有用于分析三端口器件的三端口测试仪的网络分析器的结构实例的示意性方框图。
图4是表示当用图3所示的网络分析器测试三端口器件的S参数时S参数的类型和开关设定等的表。
图5A是表示用两端口网络分析器测量三端口器件的基本结构的示意图，图5B是表示用两端口测试仪测量三端口器件的基本结构的示意图。
图6是表示作为本发明的多端口器件分析装置的第一实施例的三端口网络分析器的方框图。
图7是表示当用图6所示的装置测试三端口器件时S参数的类型和开关设定之间关系的表。
图8是表示在本发明第一实施例中作为三端口网络分析器和三端口测试仪的组合的三端口器件分析装置的示意性方框图。
图9表示图8所示的三端口器件分析装置中的测量模式表。
图10(a)表示在图9所示的表中用“S”表示的测试端口的信号流模式，图10(b)表示在图9所示的表中用“R”表示的测试端口的信号流模式。
图11是当被测器件与图8所示的三端口器件分析装置中的测试仪连接时的信号流图。
图12是表示在图6和图8所示的本发明的三端口器件分析装置中的校准处理的流程图。
图13表示在断开被测器件的校准处理中本发明的多端口分析装置的信号流图。
图14是表示在用于测量具有n端口的多端口器件的具有n测试端口的第二实施例中多端口器件分析装置的基本结构实例的方框图。
图15是表示在采用两端口网络分析器测量三端口器件的第三实施例中多端口器件分析装置的结构实例的方框图。
图16是表示在图15所示的分析装置中的测量模式表。
图17(a)表示在图16所示的表中用“S”表示的测试端口的信号流模式，图17(b)表示在图16所示的表中用“R”表示的测试端口的信号流模式。
图18是在图16所示的表中用“L”表示的测试端口的信号流图。
图19是在连接被测器件时在图16所示的测量模式中的信号流图。
图20是表示在图15所示的本发明的多端口(三端口)分析装置中的校准处理流程图。
图21表示在断开被测器件的校准处理中图15所示的分析装置的信号流图。
下面，参照附图说明本发明的优选实施例。将参照图6-图13说明本发明的多端口器件分析装置的涉及三端口分析装置的第一实施例。图6所示的三端口分析装置是在同一机壳内装有三端口测试仪的网络分析器100。网络分析器100包括信号源112、功率分配器114、具有测量单元122、124、126和128的接收器电路120、各自具有两个开关电路和终端电阻器(归一化阻抗)的开关130和132、以及定向电桥(或耦合器)134、136和138。
信号源112产生其频率根据来自扫描控制器116的控制信号在预定范围内线性变化的测试信号。功率分配器114分配来自信号源112的测试信号的功率，并通过开关130和132提供给三端口DUT 140的所选择的终端，和提供给接收器电路120中的测量单元122。
接收器电路120有四个测量单元122、124、126和128。各测量单元可以由例如图1所示的频率转换器、A/D转换器和信号处理器构成。测量单元122将测量信号源112的信号电平，即基准电平“R”。其它测量单元124、126和128将测量来自三端口DUT 140的输出信号(发射信号和/或反射信号)的信号电平。在本实例中，把基于测量单元122和124之间的电压比率的测量结果表示为“测量A”，把基于测量单元122和126之间的电压比率的测量结果表示为“测量B”。此外，把基于测量单元122和128之间的电压比率的测量结果表示为“测量C”。
各开关130和132包括用图6中的圆圈1和2表示的两个开关电路，该开关将电路与外部信号通路连接或与内部终端电阻器连接。开关130和132中的各终端电阻器被设定为DUT 140和网络分析器的特征(归一化的)阻抗，该阻抗一般为50欧姆。因此，开关130和132具有把测试信号提供给三端口DUT的被选择的输入端口和终接DUT的其它端口的功能。
定向电桥(或定向耦合器)134、136和138把来自开关130和132的测试信号传送至DUT，和检测来自DUT的信号(发射信号和/或反射信号)，并把检测信号提供给接收器电路120。把来自定向电桥134的检测信号提供给测量单元124，把来自定向电桥136的检测信号提供给测量单元126，把来自定向电桥138的检测信号提供给测量单元128。
图7是表示当用图6所示的网络分析器测试三端口器件140的S参数时S参数的类型和开关设定以及信号扫描数之间关系的表。在图7中，符号SW1和SW2分别对应于开关130和132。在该表中，当开关电路(用圆圈1或2表示)打开时，意味着开关电路与外部电路部件连接，而当开关电路关闭时，意味着开关电路通过终端电阻器接地。
三端口DUT 140与网络分析器100的测试端口144、146和148连接。首先，这样设定开关130，以便把测试(扫描频率)信号通过定向电桥134和测试端口144提供给DUT 140的端口(1)。在该条件下，网络分析器100测量DUT 140的S参数S11、S21和S31。来自DUT 140的端口(1)的反射信号通过定向电桥134由测量单元124接收，以确定S参数S11(测量A)。对于测量S参数S21来说，来自DUT 140的端口(2)的发射信号通过定向电桥136由测量单元126接收(测量B)。对于测量S参数S31来说，来自DUT 140的端口(3)的发射信号由测量单元128接收(测量C)。因此，通过测试信号的一次扫描同时测量三个S参数S11、S21和S31。
接着，开关130和132被设定为图7所示的中心列，以便将测试(扫描频率)信号通过定向电桥136和测试端口146提供给DUT 140的端口(2)。在该条件下，网络分析器100测量DUT 140的S参数S12、S22和S32。来自DUT 140的端口(1)的发射信号通过定向电桥134由测量单元124接收，以测量S参数S12(测量A)。来自DUT140的端口(2)的反射信号通过定向电桥136由测量单元126接收，以测量S参数S22(测量B)。来自DUT 140的端口(3)的发射信号由测量单元128接收，以测量S参数S32(测量C)。因此，通过测试信号的一次扫描同时测量三个S参数S12、S22和S32。
随后，开关130和132被设定为图7所示的右侧列，以便将测试(扫描频率)信号通过定向电桥138和测试端口148提供给DUT 140的端口(3)。在该条件下，网络分析器100测量DUT 140的S参数S13、S23和S33。来自DUT 140的端口(1)的发射信号通过定向电桥134由测量单元124接收，以测量S参数S13(测量A)。来自DUT140的端口(2)的发射信号通过定向电桥136由测量单元126接收，以测量S参数S32(测量B)。来自DUT 140的端口(3)的反射信号由测量单元128从定向电桥138接收，以测量S参数S33(测量C)。因此，通过测试信号的一次扫描同时测量三个S参数S13、S23和S33。
如上所述，本发明的网络分析器有与DUT 140的端口数相同数量的测量单元124、126和128(除了用于基准测试信号的测量单元122以外)。通过测试信号的一次扫描可同时估算来自DUT 140的对应三个端口的三个信号(一个反射信号和两个发射信号)。因此，仅通过测试信号的三次扫描就可以测量DUT 140的所有(九个)S参数。此外，由于各对测量单元和定向电桥被分配给DUT的端口，所以在不使用开关或改变发射路径中的连接的情况下，来自DUT的三个信号被传送给对应的测量单元。由此大大降低发射路径中的信号损失，从而获得更宽的测量动态范围。
参照图8-13说明本发明的校准方法。图8是表示组合三端口网络分析器10和三端口测试仪30的三端口分析装置的示意性方框图。尽管图8的实例有分开的网络分析器和测试仪，但该装置的结构与在同一机壳中装有测试仪的图6所示的网络分析器的结构相同。
在图8中，网络分析器10包括信号源12、扫描控制器14、三个测量单元14、16和18、测量控制器24、显示器26和控制器28。信号源12在扫描控制器14的控制下产生正弦波测试信号。例如，信号源12和扫描控制器14形成频率同步器，由此产生其频率在预定范围内线性变化(扫描)的测试信号。当测试三端口器件(DUT)40时，测试信号通过开关32(在测试仪30中)有选择地提供给DUT40的一个端口。测量单元14、16和18对应于图6所示的网络分析器中的测量单元124、126和128。
测量控制器24控制网络分析器10的整个操作，包括完成校准步骤，确定整个分析装置的误差系数和补偿该误差系数，以高精度地获得DUT的S参数。显示器26显示各种测量条件和测试参数的测量结果。控制器28包括各种键和开关及指示器件，用作该装置的操作者的界面。
测试仪30包括开关32、三个定向电桥(定向耦合器)34、36和38、以及三个测试端口44、46和48。被测器件(DUT)40的三个端口通过电缆与对应的测试端口连接。开关32把来自信号源12的测试信号有选择地提供给测试端口44、46或48的其中一个端口，即DUT 40的一个端口。定向电桥34、36和38检测来自对应测试端口即DUT 40的端口的信号，并传送给相应的测量单元14、16和18。
图9是表示图8所示的分析装置中的测量模式的表。该表表示测试仪30的测试端口把测试信号提供给DUT，并且该测试端口接收来自DUT的信号。例如，在模式a中，测试端口44起信号源“S”的作用，而测试端口46和48则起接收器“R”的作用，把接收的信号传送给测量单元16和18。但是，应该指出，由于通过测试端口44的来自DUT的反射信号也由测量单元14接收，所以表中的符号“S”表示信号源和接收器二者。因此，在模式a中测量DUT的S参数S11、S21和S31，在模式b中测量DUT的S参数S12、S22和S32，而在模式c中则测量DUT的S参数S13、S23和S33。
下面参照图10和图11的信号流图，说明图9所示的表中测量模式a-c所涉及的误差系数。图10(a)表示图9所示表中用“S”表示的测试端口的信号流模式，图10(b)表示图9所示表中用“R”表示的测试端口的信号流模式。各个测试端口44、46和48用两个节点来表示，在图10(a)中为节点50和52，在图10(b)中为节点54和56。
如图10(a)所示，考虑与信号源12连接的测试端口，来自信号源12的测试信号被输入至节点50。同时，一部分测试信号例如通过测试仪30中的定向电桥被传送至“R”模式中的其它测试端口(Ed：方向性)。来自DUT 40的反射信号被输入至反射节点52。同时，一部分反射信号被传送至“R”模式测试端口(Er：反射跟踪)，而另一部分反射信号由测试仪30中的测试端口或其它部件反射回到输入节点50(Es：源匹配)。
如图10(b)所示，考虑仅与测量单元连接的测试端口，即在“R”模式中，来自DUT的信号被测量单元接收。同时，来自DUT的一部分信号被输入至反射节点54，并传送到“R”模式测试端口(Et：发射跟踪)，而该信号的另一部分由测试仪30中的测试端口或其它部件反射回到输入节点56(El：负载匹配)。
图11是在图9所示的测量模式中DUT与测试仪30连接时的信号流图。对于三端口DUT 40来说，限定九个S参数S11、S12、S13、S21、S22、S23、S31、S32和S33，其中，各参数为用复数表示的幅度比率。S21和S31分别表示从测试端口44至测试端口46和48的发射系数。S11表示测试端口44上的反射系数。同样，S32和S12分别表示从测试端口46至测试端口48及44的发射系数。S22表示在测试端口46上的反射系数。S13和S23分别表示从测试端口48至测试端口44及46的发射系数。S33表示在测试端口48上的反射系数。可以利用测量单元通过测量模式a-c测量电压来测量上述所有S参数。
正如参照图10(a)和图10(b)的描述，以及如图11所示，在S参数测量中包括各种误差系数(项)。例如，在测量模式a中，与信号源和测量单元14连接的测试端口44与三个误差系数Ed、Es和Er有关。与测量单元16连接的测试端口46与两个误差系数Et和El有关，而与测量单元16连接的测试端口48与两个误差系数Et’和El’有关。此外，来自测试源12的一部分测试信号可在测试仪30内漏泄，并到达测量单元16和18，因此，这些漏泄信号也被认为是误差系数(Ex、Ex’：隔离)。
因此，为了高精度测量DUT的S参数，必须检测和补偿这些误差系数(项)。图12是表示在本发明的三端口器件分析装置中的这种校准处理的流图。在校准处理期间，DUT 40不连接该分析装置的测试端口。图13表示在不连接DUT的校准处理中分析装置的信号流图。在图12和图13中，与信号源连接的测试端口用“测试端口a”来表示，把对应于“测试端口a”的测量单元表示为“电路a”。未与信号源连接的测试端口分别用“测试端口b”和“测试端口c”来表示，把与测试端口b和c对应的测量单元分别表示为“电路b”和“电路c”。
在图12所示的校准处理中，当操作者通过控制器28开始校准处理时(步骤100)，测试仪30中的开关32选择一种测量模式(步骤101)。例如，可以选择测量模式a，把信号源提供给测试端口44(测试端口a)。在校准处理中最好采用具有“断路”、“短路”和“负载”三种模式的校准设定。
对于测量误差系数Ex和Ex’来说，测量控制器24把测试端口a设定为“断路”，把来自测试源的预定频率的测试信号提供给测试端口a(步骤102)。由于未连接DUT，所以没有信号被测试端口46接收，电路b(测量单元16)可以直接测量误差系数Ex，该误差系数是在测试仪30内从信号源漏泄到测量单元16的信号(步骤103)。同样，通过测量被电路c(测量单元18)接收的信号，可以直接确定误差系数Ex’(步骤104)
在图12所示的校准处理中，误差系数Ed、Es和Er如下确定。一般地，对于确定这些误差系数来说，测试端口a(测试端口44)在测试信号施加在其上时被提供三个不同的条件。在各条件下估算被电路a(测量单元14)接收的信号，从而获得三个公式。通过求解这三个公式可以确定误差系数Ed、Es和Er。
例如，假设测试端口44的反射系数为S11，被电路a(测量单元14)接收的电压VR 11可如下表示：
VR 11＝Ed+ErS11/(1-EsS11)            ……(1)
一般地，上述三个不同条件包括“断路”、“短路”和“负载”测试端口44。“负载”指测试端口44与具有例如50欧姆的装置的特征(归一化)阻抗的终端电阻器连接。
因此，在图12的处理中，通过保持测试端口a(44)的断路电路，测量电路a(测量单元14)上的电压(步骤105)。当测试端口断开时，反射信号有与测试信号相同的相位，即S11＝1，式(1)表示为：
VR 11＝Ed+Er/(1-Es)             ……(2)
在下一个步骤中，测试端口a(44)被短路(步骤106)，测量电路a(测量单元44)上的电压(步骤107)。当测试端口短路时，反射信号有与测试信号相反的相位，即S11＝-1，式(1)表示为：
VR 11＝Ed-Er/(1+Es)            ……(3)
在下一个步骤中，测试端口a(44)终接归一化电阻器(步骤108)，测量电路a(测量单元44)上的电压(步骤109)。当测试端口被归一化(理想)阻抗终接时，不出现反射信号，即S11＝0，因此，式(1)表示为：
VR 11＝Ed                           ……(4)
因此，通过求解上述步骤中获得的式(1)、(2)和(3)，可以确定三个误差系数Ed、Es和Er(步骤110)。
图12所示的校准处理进行到确定误差系数Et和El的步骤。在测试端口44和46按理想方式连接的情况下，各测试端口上的反射系数为零，而各测试端口上的发射系数为一(1)。因此，在该条件下，分别由测量单元14和16测量的电压如下表示：
VR 11＝Ed+ErE1/(1-EsE1)            ……(5)
VR 21＝Et/(1-EsE1)                 ……(6)
由于在上述步骤110中已知误差系数Ed、Er和Es，所以可以按式(5)确定误差系数El，根据该结果和式(6)，可以确定误差系数Et。
因此，在图20所示的流程图中，测试端口a(44)和b(46)被连接在一起(步骤111)，测量电路a(测量单元14)上的电压VR 11和电路b(测量单元16)上的电压VR 21(步骤112)。该校准处理将在步骤110中获得的误差系数Ed、Es和Er提供给上述式(5)和(6)，从而确定关于测试端口b(46)的误差系数Et和El(步骤113)。
利用与步骤111-113相同的步骤，还可以确定误差系数Et’和El’。测试端口a(44)和c(48)被连接在一起(步骤114)，测量电路a(测量单元14)上的电压VR 11和电路c(测量单元18)上的电压VR 31(步骤115)。在该条件下，分别由电路a(测量单元14)和电路c(测量单元18)测量的电压如下表示：
VR 11＝Ed+ErE1’/(1-EsE1’)             ……(7)
VR 21＝Et’/(1-EsE1’)                  ……(8)
该处理方法将在步骤110中获得的误差系数Ed、Es和Er提供给式(7)和(8)，可以确定关于测试端口c(48)的误差系数Et’和El’(步骤116)。
在上述处理中，可获得测量模式a(其中，把测试信号提供给测试端口44)中所包括的误差系数。然后，该处理方法查询是否存在其误差系数未确定的剩余测量模式(步骤117)。在上述实例中，由于未估算测量模式b和c的误差系数，所以处理返回步骤101，改变测试仪30中的开关32，把测试信号提供给测试端口b(46)。重复步骤101至117中的步骤，直至相对于测量模式b和c来说，收集了所有的误差项。然后，结束校准处理。
如上所述，可以获得三端口分析装置中所有测量模式的误差系数。因此，当通过把DUT连接到该装置上来测量DUT的S参数时，在S参数的计算期间可以消除(补偿)这种误差系数。因此，可以高精度地获得三端口DUT 40的S参数。
由于本发明的多端口器件分析装置有可以连接多端口DUT的所有端口的多个端口，所以一旦全部连接DUT，那么就不需要改变分析装置和DUT之间的连接。此外，多端口器件分析装置在各端口(信号接收端口)上设有终端电阻器，各终端电阻器包括在校准级和S参数测量级中。因此，即使当终端电阻器偏离理想值时，也可以实现精确的测量。
图14是表示用于测量具有n个端口的多端口器件的本发明多端口器件分析装置的第二实施例的基本结构实例的方框图。在本实例中，多端口分析装置有n个测试端口P1-Pn和具有n个测量单元MU1-MUn(除了基准测试信号的测量单元R之外)的接收器电路1202，用于测试具有n个终端(端口)的多端口器件。图14所示的多端口器件分析装置还包括n个定向电桥(耦合器)BRG1-BRGn和n个开关SW1-SWn、n个终端电阻器TR 1-TRn、信号源112、功率分配器114和扫描控制器116。如图14所示，尽管测试端口、测量单元、开关和定向电桥的数量增加，但基本结构与图6和图8所示的实例相同。
信号源112根据来自扫描控制器116的控制信号产生其频率在预定范围内线性变化的测试信号。功率分配器114分配来自信号源112的测试信号的功率，把测试信号通过开关SW1-SWn的其中一个开关提供给n端口DUT的所选择终端。测量单元R将测量来自信号源112的测试信号的信号电平。其它测量单元MU1-Mun将测量来自DUT的相应端口的输出信号(发射信号和/或反射信号)的信号电平。
各个开关SW1-SWn使对应的测试端口和定向电桥与测试源112或终端电阻器TR连接。当测量n端口DUT的S参数时，测试端口P1-Pn的其中一个端口被提供来自测试源112的测试信号，而所有其它测试端口都与终端电阻器TR连接。把各个终端电阻器TR1-TRn设定为分析系统和DUT的归一化(特征)阻抗，该阻抗一般为50欧姆。定向电桥BRG1-BRGn把来自DUT的信号(发射信号和/或反射信号)传送到对应的测量单元MU1-MUn。
在测量DUT的S参数前，校准图14所示的多端口器件分析装置，以确定各种误差系数。误差系数和确定这类误差系数的步骤大致与上述说明的三端口分析器件的步骤相同。但是，如果DUT的端口数(n)和分析装置多于三个，那么误差系数和S参数的数量将大于第一实施例中的数量。
由于本发明的多端口器件分析装置有可以连接多端口DUT的所有端口的多个端口，所以一旦全部连接DUT，那么就不需要改变分析装置和DUT之间的连接。此外，多端口器件分析装置在各测试端口上(为了接收来自DUT的信号)设有终端电阻器，各终端电阻器包括在校准级和S参数测量级中。因此，即使当终端电阻器偏离理想值时，也可以实现精确的测量。
图15是表示用于测量三端口器件的多端口器件分析装置的第三实施例的基本结构的方框图。在本实例中，多端口器件分析装置是两端口网络分析器和三端口测试仪的组合。在图15中，网络分析器310包括信号源12、扫描控制器14、两个测量单元14和16、测量控制器24、显示器26和控制器28。信号源12在扫描控制器14的控制下产生正弦波测试信号。当测试被测(DUT)40的三端口器件时，把测试信号提供给通过开关32(在测试仪330中)选择的DUT 40的一个端口。
测量控制器24控制网络分析器310的整个工作，包括完成校准步骤，确定整个分析装置的误差系数和补偿误差系数，以高精度地获得被测器件的S参数。显示器26显示各种测量条件和测试参数的测量结果。控制器28包括各种键和开关及指示器件，用作该装置的操作者的界面。
测试仪330包括开关32、三个定向电桥(定向耦合器)34、36和38、三个测试端口44、46和48、开关150以及终端电阻器152。被测器件(DUT)40的三个端口通过电缆与对应的测试端口连接。开关32把来自信号源12的测试信号有选择地提供给测试端口44、46或48的其中一个端口，即DUT 40的一个端口。
定向电桥34、36和38检测来自对应测试端口即DUT 40端口的信号，并发射给两个测量单元14和16。由于网络分析器310仅有两个测量单元14和16，所以把来自一个定向电桥的信号提供给终端电阻器152。由开关150来进行这种选择。终端电阻器152是分析装置(和DUT)的归一化(特征)阻抗，该阻抗一般为50欧姆。
图16是表示在图15所示的分析装置中的测量模式表。该表表示测试仪330的测试端口把测试信号提供给DUT 40，该测试端口把来自DUT的信号传送给终端电阻器152。例如，在模式a中，测试端口44起信号源“S”的作用，把测试信号输入至DUT，把来自DUT的反射信号传送至测量单元14。测试端口46起接收器“R”的作用，把接收的信号传送至测量单元16，而测试端口48起负载“L”的作用，通过终端电阻器152终接DUT的对应端口。因此，在模式a和b中测量DUT 40的S参数S11、S21和S31，在模式c和d中测量DUT40的S参数S12、S22和S32，而在模式e和f中测量DUT 40的S参数S13、S23和S33。
参照图17-19的信号流图，下面说明在图16所示的表中测量模式a-f所包括的误差项(系数)。图17(a)表示在图16所示的表中用“S”表示的测试端口的信号流模式，图17(b)表示在图16所示的表中用“R”表示的测试端口的信号流模式。各个测试端口44、46和48用两个节点来表示，在图17(a)中为节点50和52，而在图17(b)中为节点54和56。由于图17(a)和图17(b)中的误差项与图10(a)和图10(b)中的误差项相同，所以这里不再解释。
图18是在图16所示的表中用“L”表示的测试端口的信号流图，其中，测试端口与测试仪330中的终端电阻器152连接。由于终端电阻器152可以不是理想的，所以来自DUT 40的信号的一部分将被反射回至测试端口(误差系数Ez)。
图19是DUT连接到测试仪时在图16所示的测量模式中的信号流图。对于三端口DUT 40来说，限定九个S参数S11、S12、S13、S21、S22、S23、S31、S32和S33，其中，各参数是由复数表示的幅度比率。这些S参数在现有技术中是众所周知的，并参照图11进行过说明。在图15所示的多端口分析装置中，通过利用测量模式a-f由测量单元测量电压来获得所有S参数。
图20是表示在本发明的多端口(三端口)分析装置中的校准处理的流程图。在校准处理期间，DUT 40不与分析装置的测试端口连接。图21表示在断开被测器件的校准处理中分析装置的信号流图。由于图20所示的校准处理与图12所示的校准处理相同，所以仅给出以下简要说明。
当开始校准处理时(步骤400)时，开关32选择一个测量模式(步骤401)。对于测量误差系数Ex来说，测试端口a(测试端口44)被断开，把测试信号提供给测试端口a(步骤402)。测量单元16测量误差系数Ex(步骤403)。
为了确定误差系数Ed、Es和Er，通过维持测试端口a的断路，测量单元14测量接收的信号(步骤404)。把测试端口a短路(步骤405)，测量单元14测量接收的信号(步骤406)。测试端口a由终端(归一化的)电阻器来终接(步骤407)，测量单元14测量接收的信号(步骤408)。通过求解在上述步骤中获得的式(1)、(2)和(3)，确定误差系数Ed、Es和Er(步骤409)。
图20所示的校准处理进行到确定误差系数Et和El的步骤。测试端口a(测试端口44)和测试端口b(测试端口46)被连接在一起(步骤410)，测量单元16测量接收的信号(步骤411)。通过把系数Ed、Es和Er以及测量的电压带入式(5)和(6)，确定误差系数Et和El(步骤412)。
通过与步骤410-412相同的步骤，也可以确定误差系数Ez。测试端口a(测试端口44)和测试端口c(测试端口48)被连接在一起(步骤413)，利用测量单元14测量电压VR 11(步骤414)。在该条件下，由测量单元14测量的电压如下表示：
VR 11＝Ed+ErEz/(1-EsEz)                ……(9)
该处理将以上获得的误差系数Ed、Es和Er提供给式(9)，可以确定(步骤415)关于测试端口c(测试端口48)的误差系数Ez。
然后，该处理方法查询是否剩余其误差系数未确定的测量模式(步骤416)，如果有未校准的模式，那么处理返回步骤401，重复步骤401至415中的步骤，直至相对于测量模式b-f来说，收集到所有的误差项。
如上所述，可以获得三端口器件分析装置中相对于所有测量模式的误差系数。因此，当通过把DUT与该装置连接来测量DUT的S参数时，在S参数的计算期间，这种误差系数被消除(补偿)。因此，可以高精度地获得三端口DUT的S参数。
此外，在本发明的三端口器件分析装置中，一旦全部连接DUT，那么就不需要改变分析装置和DUT之间的连接。此外，三端口分析装置设有终接DUT的三端口的其中一个端口的终端电阻器152，同一终端电阻器152包括在校准级和S参数测量级中。因此，即使在终端电阻器偏离理想值时，也可以实现精确的测量。
在本发明的上述说明中，可以进行各种改进。例如，利用断路、短路和负载三个条件来确定误差系数Ed、Es和Er。但是，不同的条件例如由已知反射系数S11的不同终端电阻器来终接测试端口。此外，当确定误差系数Et和El时，不需要两个测试端口之间的这种连接相同，即发射系数可以小于一(1)。仅要求在误差系数的计算中必须把这些不同的条件加入到式(1)-(9)中。
尽管这里仅具体说明和论述了优选实施例，但应该明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，根据上述技术并在所附权利要求书的范围内可以进行本发明的许多改进和变更。

Claims (21)

1、一种用于测试具有多个端子的多端口器件的多端口器件分析装置，包括：
信号源，用于提供一测试信号到受测试的多端口器件的一端子；
多个测试端口，用于将受测试的多端口器件的所有端子连接到对应的测试端口，并选择性地将来自该信号源的测试信号提供给受测试的多端口器件的一个端子以及接收来自受测试的多端口器件的所选择端子的信号；
多个测量单元，用于测量来自与受测试的多端口器件的对应的端子连接的对应测试端口的信号；
多个信号分离电路，设置在该信号源与所述测试端口之间，以便分离通过测试端口来自受测试的多端口器件的信号，以及传送所分离的信号给所述测量单元，每一个所述信号分离电路由一个定向电桥或一个定向耦合器构成；
一基准信号测量单元，用于测量该测试信号，以获得相对于由该多个测量单元测得的来自测试端口的信号测量值的基准数据；
多个终端电阻器，每个被分配到一个测试端口，每个终端电阻器的一端接地；
开关单元，设置在该信号源与所述测试端口之间，用于有选择地将测试信号提供到以下被称为输入测试端口的测试端口之一、并断开该终端电阻器与该输入测试端口的连接而将该终端电阻器连接到所有其他的测试端口；
其中受测试的多端口器件的参数的获得不需要改变测试端口与DUT的端子间的连接，而由开关单元改变测试端口的选择直到所有测试端口都被分配作为输入测试端口；以及
其中，除所述基准信号测量单元外，所述测量单元的数量与受测试的多端口器件的端子的最大数量相同。
2、根据权利要求1的多端口器件分析装置，还包括：
测量控制器，用于获得多端口器件分析装置的误差系数，在测量受测试的多端口器件的参数之前不连接该受测试的多端口器件；及
当连接受测试的多端口器件的所有端口到该多端口器件分析装置的相应测试端口时，测量控制器测量受测试的多端口器件的参数；并且计算测得的值以及补偿测得参数中的误差系数以获得受测试的多端口器件的真实参数。
3、根据权利要求2的多端口器件分析装置，其中所述的用于获得误差系数的测量控制器激活开关单元，用于选择性地将测试信号提供到输入测试端口、而同时提供预定的校准条件到输入测试端口，以通过利用相应的测量单元测量来自该输入测试端口的信号获得输入测试端口的误差系数。
4、根据权利要求2的多端口器件分析装置，其中所述的用于获得误差系数的测量控制器激活开关单元，用于选择性地将测试信号提供到输入测试端口、同时提供预定的校准条件到输入测试端口和/或一特殊的测试端口，以通过利用相应的测量单元测量来自输入测试端口和该特殊测试端口的信号获得输入测试端口与该特殊的测试端口间的误差系数。
5、根据权利要求2的多端口器件分析装置，其中所述的用于获得误差系数的测量控制器激活开关单元，用于顺序地改变输入测试端口、而同时测量误差系数直到所有的测试端口都被分配作为输入测试端口。
6、根据权利要求2的多端口器件分析装置，其中所述误差系数包括涉及从输入测试端口到一特殊测试端口的漏信号的第一误差系数，涉及来自输入测试端口的反射信号的第二误差系数，及涉及输入测试端口和该特殊测试端口间的发射信号的第三误差系数。
7、根据权利要求2的多端口器件分析装置，其中所述用于获得误差系数的测量控制器提供预定的校准条件到输入测试端口和/或一特殊测试端口，其中所述预定校准条件包括测试端口的“开”、“短路”和“负载”。
8、根据权利要求1的多端口器件分析装置，其中所述受测试的多端口器件的参数包括受测试的多端口器件的散射参数。
9、根据权利要求1的多端口器件分析装置，其中所述终端电阻器的每一个均设置为多端口器件分析装置和受测试的多端口器件的特征阻抗。
10、根据权利要求1的多端口器件分析装置，其中所述多端口分析装置是用于测试三端口器件的三端口器件分析装置；
其中有三个测试端口用于连接受测试器件的全部三个端口到相应的测试端口；
其中有三个测量单元用于测量来自相应的测试端口的信号；
其中有三个信号分离电路设置在该信号源与所述测试端口之间；
其中有三个终端电阻器。
11、根据权利要求10的多端口器件分析装置，还包括：
测量控制器，用于在测量受测试的多端口器件的参数之前不连接受测试的多端口器件来获得多端口分析装置的误差系数；以及
用于当将受测试的多端口器件的所有端口连接到多端口器件分析装置的相应测试端口时，测量受测试的多端口器件的参数及计算测量值并补偿参数中的误差系数以获得受测试的多端口器件的真实参数。
12、根据权利要求11的多端口器件分析装置，其中用于获得误差系数的所述测量控制器激活开关单元，以便选择性地提供测试信号到输入测试端口，同时提供预定的校准条件到输入测试端口，以通过利用相应的测量单元测量来自输入测试端口的信号获得输入测试端口的误差系数。
13、根据权利要求11的多端口器件分析装置，其中用于获得误差系数的所述测量控制器激活开关单元，以便选择性地提供测试信号到输入测试端口，同时提供预定的校准条件到输入测试端口和/或一特殊的测试端口，以通过利用相应的测量单元，测量来自输入测试端口和该特殊的测试端口的信号获得输入测试端口和该特殊的测试端口间的误差系数。
14、根据权利要求11的多端口器件分析装置，其中用于获得误差系数的所述测量控制器激活开关单元，以便顺序地改变输入测试端口，同时测量误差系数直到全部测试端口被分配作为输入测试端口。
15、根据权利要求11的多端口器件分析装置，其中用于获得误差系数的所述测量控制器提供预定的校准条件到输入测试端口和/或一特殊测试端口，其中所述预定的校准条件包括测试端口的“开路”、“短路”和“负载”。
16、一种利用多端口器件分析装置测量多端口器件的参数的方法，包括以下步骤：
(a)在不将受测试的多端口器件连接到多端口器件分析装置的测试端口的条件下获得多端口器件分析装置的误差系数；
(b)将受测试的多端口器件的所有端口均连接到多端口器件分析装置的相应测试端口；
(c)通过以下被称为输入测试端口的一个选择的测试端口，提供一测试信号到受测试的多端口器件的端口之一而通过提供在多端口器件分析装置中的终端电阻器终接受测试的多端口器件的其他端口；
(d)利用相应的测量单元经多端口器件分析装置的相应测试端口测量来自受测试的多端口器件的信号；
(e)重复步骤(c)和(d)用于获得受测试的多端口器件的参数而不改变多端口器件分析装置与受测试的多端口器件之间的连接，同时顺序地改变测试端口的选择直到所有测试端口均被分配作为输入测试端口。
17、根据权利要求16的多端口器件分析方法，其中所述的用于获得多端口器件分析装置的误差系数的步骤(a)包括这样一个过程，即选择性地提供测试信号到测试端口之一，同时提供预定的校准条件到该测试信号端口以通过测量来自该测试信号端口的信号获得测试信号端口的误差系数，其中该测试端口之一是测试信号端口。
18、根据权利要求16的多端口器件分析方法，其中所述的用于获得多端口器件分析装置的误差系数的步骤(a)包括这样一个过程，即选择性地提供测试信号到测试端口之一，同时提供预定的校准条件到该测试信号端口和/或一特殊测试端口以通过测量来自该测试信号端口和该特殊测试端口的信号获得测试信号端口和该特殊测试端口的误差系数，其中该测试端口之一是测试信号端口。
19、根据权利要求16的多端口器件分析方法，其中所述的用于获得多端口器件分析装置的误差系数的步骤(a)包括这样一个过程，即顺序地改变测试信号端口的选择同时测量误差系数直到全部测试端口均被分配作为测试信号端口。
20、一种用于测试三端口器件的三端口器件分析装置，包括：
一信号源，用于提供一测试信号到受测试的三端口器件的一个端口；
三个测试端口，用于连接受测试的三端口器件的全部三个端口到相应的测试端口，并选择性地将来自该信号源的测试信号提供给该受测试的三端口器件的一个端口以及接收来自该受测试的三端口器件的所选择端口的信号；
二个测量单元，用于测量来自连接到受测试的三端口器件的二个相应端口的二个相应的测试端口的信号；
三个信号分离电路，设置在该信号源与所述测试端口之间，以便分离通过测试端口来自该受测试的三端口器件的信号，以及传送所分离的信号给所述测量单元，每一个所述信号分离电路由一个定向电桥或一个定向耦合器构成；
一基准信号测量单元，用于测量该测试信号，以获得相对于由二个测量单元从三个测试端口测得的信号测量值的基准数据；
一个终端电阻器，其一端接地；
第一开关单元，设置在所述测量单元与信号分离电路之间，用于选择性地将测试端口之一连接到终端电阻器；
第二开关单元，设置在该信号源与所述测试端口之间，用于选择性地提供测试信号到测试端口之另一个作为输入信号测试端口；
其中，在不改变三端口器件分析装置与受测试的三端口器件间的连接的条件下，通过测量来自第二测试端口和剩余测试端口的信号、同时通过第一及第二开关单元改变用于提供测试信号的测试端口的选择直到全部测试端口被分配作为输入信号测试端口，从而获得受测试的三端口器件的参数。
21、根据权利要求20的三端口器件分析装置，还包括：
测试控制器，用于在测量受测试的三端口器件的参数之前不连接受测试的三端口器件来获得三端口分析装置的误差系数；以及
用于当将受测试的三端口器件的所有端口连接到三端口器件分析装置的相应测试端口时，测量受测试的三端口器件的参数及计算测量值并补偿参数中的误差系数，以获得受测试的三端口器件的真实参数。
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