CN202256521U - S参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微波领域，公开了一种S参数测量装置。本实用新型中，S参数测量装置内所包含的2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和与被测器件相连的2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件。由于所有系统器件都采用大功率容量设计，因此可以测量出在大功率状态下S参数的四个要素a1、a2、b1和b2，从而计算出DUT(或AUT)的插入损耗(增益)、输入驻波、输出驻波、反向隔离等指标，进而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。进一步地，S参数测量装置还可以包含：温度检测器、电压检测器、电流检测器及各自对应的模数转换器，以便于进行温度、电流、电压变化的检测。

Description

S参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及微波领域，特别涉及微波领域中S参数的测量技术。

背景技术

S参数即散射(Scattering)参数，被定义为在给定频率和系统阻抗的条件下，任何非理想多端口网络的传输和反射特性。

S参数描述了输入到一个N端口的信号到其中每个端口的响应。S参数下标中的第一位数字代表响应端，第二位数字代表激励端。如S₂₁表示端口2相对于端口1输入信号的响应；S₁₁代表端口1相对于端口1的输入信号的响应。如图1所示的通用二端口网络中，输入到网络的信号标注为a，离开网络的信号标注为b。在图1中，如果信号发生器接到端口1，端口2接匹配负载，则二端口网络的入射波为a₁，从网络返回端口1的反射波为b₁；通过网络到端口2的信号为b₂，从负载返回网络的反射波为a₂(对于匹配负载，这个反射波数值为零)。

任何射频和微波器件，当工作在大功率状态下时，其某些物理特性会发生变化，如温度的变化、放大器工作点的变化等。这些变化将会导致器件S参数的变化。

比如说，一个标称衰减量为30dB的100W衰减器，用网络分析仪(测试功率1mW)测得的衰减量为30dB，但是在满负荷工作时，其衰减量可能会变化至31dB，如果将这个衰减器用于100W放大器或发射机的精密功率测量，仅衰减器自身就会产生20.6％的测试误差。衰减器的这种变化量称为功率系数，必须在大功率条件下测试。

又或者，功率放大器在不同的输出功率状态下，从输出端向放大器看去的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，简称“VSWR”)也会发生变化，从而导致系统效率的降低以及系统工作的不稳定。从放大器的输出端向放大器看去的驻波被称为热态VSWR(即Hot S₂₂)，这项参数必须在大功率工作状态下从放大器的输出端直接测量。

又或者，铁氧体隔离器在大功率状态下，反向隔离度可能会降低，从而导致系统工作的不稳定以及系统互调干扰。

然而，传统的S参数的测试手段是通过网络分析仪进行测试，但仅仅能够完成被测器件在小信号情况下的测试，无法了解到器件在真实工作状态下，大功率的情况下，其各项参数是否会变化，以及会发生怎样的变化。也就是说，传统的网络分析仪无法实现大功率状态下的S参数测试，从而无法有效地仿真被测器件在真实环境下的工作状态。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种S参数测量装置，使得在大功率状态下也能测试被测器件的S参数，从而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种S参数测量装置，包含：2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和与被测器件相连的2个定向耦合器；

每个所述信号发生器分别与一个所述定向耦合器相连；每个所述定向耦合器与2个所述功率检波器连接，每个所述功率检波器分别连接一个所述模数转换器，所有模数转换器均连接至所述中央控制器；

所述2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件；

所述4个功率检波器将所述2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的a₁、a₂、b₁、b₂分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给所述中央控制器，由所述中央控制器根据经模数转换后的a₁、a₂、b₁和b₂，测量S参数；

其中，所述a₁为端口1的入射波；所述a₂为端口2的入射波；所述b₁为端口1的反射波；所述b₂为端口2的反射波。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，4个功率检波器将2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的a₁、a₂、b₁、b₂分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给中央控制器，由中央控制器根据经模数转换后的a₁、a₂、b₁和b₂，测量S参数。其中，2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件。由于所有系统器件都采用大功率容量设计，因此可以测量出在大功率状态下S参数的四个要素a₁、a₂、b₁和b₂，从而计算出被测无源器件(DeviceUnder Testing，简称“DUT”)或被测有源器件(Amplifier Under Testing，简称“AUT”)的插入损耗(增益)、输入驻波、输出驻波、反向隔离等指标，进而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。

另外，S参数测量装置还包含：温度检测器及其相应的模数转换器。所述温度检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的温度，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的温度经该模数转换器转换为数字信号，该模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的温度传输至所述中央控制器。使得该S参数测量装置能够测量被测器件在大功率持续作用下温度的变化以及烧穿分析。

另外，S参数测量装置还包含：电压检测器、电流检测器及各自相应的模数转换器。所述电压检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电压，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电压经该模数转换器转换为数字信号，该模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电压传输至所述中央控制器。所述电流检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电流，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电流经该模数转换器转换为数字信号，该模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电流传输至所述中央控制器。使得该S参数测量装置能够对被测器件在大功率持续作用下的电流、电压变化进行检测。

另外，S参数测量装置外接电脑，中央控制器将测量到的S参数输出给外接的电脑进行分析。使得所有的测试均可由自动化测试软件来完成。有了前台的测试数据，测试者可以根据器件的测试要求及其在系统中的应用要求来进行各种性能分析，如温度随功率的变化、S₂₁随时间的变化等等。最终测试结果也可以在后台进行各种分析并以Excel格式输出测试报告。

附图说明

图1是通用的通用二端口网络示意图；

图2是根据本实用新型第一实施方式的S参数测量装置结构示意图；

图3是根据本实用新型第一实施方式中的S参数测量示意图；

图4是根据本实用新型第一实施方式中的测量功率放大器在不同功率等级下的S₁₁的仿真图；

图5是根据本实用新型第一实施方式中的测量功率放大器在不同输出功率时增益及其变化量的仿真图；

图6是根据本实用新型第一实施方式中的测量无源器件在不同功率等级下的S₂₁参数及其变化量的仿真图；

图7是根据本实用新型第一实施方式中的测量功率放大器在不同输出功率等级下的S₂₂的仿真图；

图8是根据本实用新型第二实施方式的S参数测量装置结构示意图；

图9是根据本实用新型第二实施方式中的检测无源器件在大功率的持续作用下温度的变化以及烧穿分析仿真图；

图10是根据本实用新型第二实施方式中的测量并分析功率放大器的温度及其变化量的仿真图。

具体实施方式

本实用新型的第一实施方式涉及一种S参数测量装置。本实施方式中的S参数测量装置实际上是一台大功率、大动态范围的标量网络分析仪，其测试功率可以从毫瓦级至千瓦级，测试频率从2MHz至18GHz。本实施方式中的被测器件可以是有源器件，也可以是无源器件。

本实施方式中的S参数测量装置具体结构如图2所示，包含：2个信号发生器(101与102)、4个功率检波器(301、302、303与304)、4个模数转换器(401、402、403与404)、1个中央控制器(501)、与被测器件相连的2个定向耦合器(201与202)。该S参数测量装置中所包含的所有器件均为功率容量大于预设门限的器件。

每个信号发生器分别与一个定向耦合器相连；每个定向耦合器与2个功率检波器连接，每个功率检波器分别连接一个模数转换器，所有模数转换器均连接至中央控制器。也就是说，如图2所示，信号发生器101与定向耦合器201相连接，信号发生器102与定向耦合器202相连接。定向耦合器201和定向耦合器202接至被测器件。功率检波器301和功率检波器302与定向耦合器201相连，功率检波器303和功率检波器304与定向耦合器202相连。模数转换器401与功率检波器301相连，模数转换器402与功率检波器302相连，模数转换器403与功率检波器303相连，模数转换器404与功率检波器304相连。模数转换器401、模数转换器402、模数转换器403、模数转换器404均接至中央控制器501。

4个功率检波器将2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的a₁、a₂、b₁、b₂分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给中央控制器，由中央控制器根据经模数转换后的a₁、a₂、b₁和b₂，测量S参数。其中，a₁为端口1的入射波；a₂为端口2的入射波；b₁为端口1的反射波；b₂为端口2的反射波。

具体地说，S参数包含S₁₁、S₂₁、S₂₂、S₁₂。S₁₁表示向端口1注入信号时端口1的反射信号，此时端口2没有信号输入(即a₂为0)；S₂₁表示向端口1注入信号时出现在端口2的信号，此时端口2没有信号输入；S₂₂表示向端口2注入信号时端口2的反射信号，此时端口1没有信号输入(即a₁为0)；S₁₂表示向端口2注入信号时测量到的出现在端口1的信号，此时端口1没有信号输入。

也就是说，S₁₁表示当接端口1的信号发生器101工作，接端口2的信号发生器102作为匹配负载时，端口1的电压反射系数；S₂₁表示当接端口1的信号发生器101工作，接端口2的信号发生器102作为匹配负载时，从端口1到端口2的传输系数，即增益或损耗。S₂₂表示当接端口1的信号发生器101作为匹配负载，接端口2的信号发生器102工作时，端口2的电压反射系数；S₁₂表示当接端口1的信号发生器101作为匹配负载，接端口2的信号发生器102工作时，从端口2到端口1的传输系数，即反向隔离或损耗。

其中，功率检波器301将检测到的a₁传输至模数转换器401中，功率检波器302将检测到的b₁传输至模数转换器402中，功率检波器303将检测到的b₂传输至模数转换器403中，功率检波器304将检测到的a₂传输至模数转换器404中，如图3所示。由中央控制器501根据经模数转换后的b₁、a₁测量S₁₁， $S_{11}=\frac{b_1}{a_1}{|}_{a_2=0};$ 由中央控制器501根据经模数转换后的b₂、a₁测量S₂₁， $S_{21}=\frac{b_2}{a_1}{|}_{a_2=0};$ 由中央控制器501根据经模数转换后的b₂、a₂测量S₂₂， $S_{22}=\frac{b_2}{a_2}{|}_{a_1=0};$ 由中央控制器501根据经模数转换后的b₁、a₂测量S₁₂， $S_{12}=\frac{b_1}{a_2}{|}_{a_1=0}.$

由于本实施方式的S参数测量装置中所有系统器件都采用大功率容量设计，因此可以测量出在大功率状态下S参数的四个要素a₁、a₂、b₁和b₂，从而计算出DUT(或AUT)的插入损耗(增益)、输入驻波、输出驻波、反向隔离等指标，进而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。

而且，在本实施方式中，S参数测量装置外接电脑，中央控制器501将测量到的S参数输出给外接的电脑进行分析。使得所有的测试均可由自动化测试软件来完成。有了前台的测试数据，测试者可以根据器件的测试要求及其在系统中的应用要求来进行各种性能分析，如S₁₁、S₂₁、S₂₂、S₁₂分别随时间的变化等等。最终测试结果也可以在后台进行各种分析并以Excel格式输出测试报告。

图4为测量功率放大器在不同功率等级下的S₁₁的仿真图，其中纵坐标VSWR表示电压驻波比，横坐标Pin表示输入功率。当放大器的输入功率变化时，其输入VSWR也会随之变化，这种变化将会影响放大器与前一级电路的匹配。因此，通过本实施方式的S参数测量装置，可以测量放大器在不同功率等级下S₁₁，最终测试结果可帮助设计者了解放大器的输入特性，正确设计系统中的相关参数。

图5为测量功率放大器在不同输出功率时增益及其变化量的仿真图，其中纵坐标Gain表示增益，Pout表示输出功率，横坐标Pin表示输入功率，图5中的线条1表示Gain(增益)，线条2表示Pout VS.Pin(输入输出关系)，从而可以方便直观地测量功率放大器在不同输出功率时的增益，从而确定放大器的1dB压缩点输出功率，还可以为系统的自动增益控制提供设计依据。

图6为测量无源器件在不同功率等级下的S₂₁参数及其变化量的仿真图，其中纵坐标Attenuation表示衰减量，横坐标Pin表示输入功率。当无源器件工作在大功率状态下时，其插入损耗(S₂₁)会发生变化。如一个50W/30dB的固定衰减器，当输入功率从零增加到50W时，其衰减量可能会变化1.1dB(如图6所示)，在测试和测量场合，这种误差不可忽视。其它的例子有用于功率放大器的微带电路板、铁氧体隔离器等。

图7为测量功率放大器在不同输出功率等级下的S₂₂的仿真图，其中纵坐标HotVSWR表示热态电压驻波比，横坐标Pout表示输出功率。这对于射频功率放大器的设计和调试有着重要的意义。功率放大器在不同的输出功率等级下，其输出S₂₂是不同的，正确测量其变化量，有助于放大器输出匹配电路的正确设计，以提高放大器的工作稳定性和效率。

本实用新型的第二实施方式涉及一种S参数测量装置。第二实施方式与第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：在本实用新型第二实施方式中，S参数测量装置还包含：温度检测器601、与该温度检测器相应的模数转换器405、电压检测器701、与该电压检测器相应的模数转换器406、电流检测器801、与该电流检测器相应的模数转换器407。

如图8所示，温度检测器一端与被测器件连接，检测被测器件的温度，另一端连接至相应的模数转换器405，将检测到的温度经该模数转换器405转换为数字信号。模数转换器405的另一端连接至中央控制器，将转换为数字信号的温度传输至所述中央控制器。使得该S参数测量装置能够测量被测器件在大功率持续作用下温度的变化以及烧穿分析。

电压检测器一端与被测器件连接，检测被测器件的电压，另一端连接至相应的模数转换器406，将检测到的电压经该模数转换器406转换为数字信号。模数转换器406的另一端连接至中央控制器，将转换为数字信号的电压传输至所述中央控制器。电流检测器一端与被测器件连接，检测被测器件的电流，另一端连接至相应的模数转换器407，将检测到的电流经该模数转换器407转换为数字信号。模数转换器407的另一端连接至中央控制器，将转换为数字信号的电流传输至所述中央控制器。使得该S参数测量装置能够对被测器件在大功率持续作用下的电流、电压变化进行检测。

由此可见，本实施方式的S参数测量装置还可以检测被测器件的温度随功率的变化。比如说，可以检测无源器件在大功率的持续作用下温度的变化以及烧穿分析，如图9所示，其中纵坐标Temp表示温度，纵坐标Time表示时间，图9中的线条1表示电路板随时间变化的温度(单位摄氏度)，图9中的线条2表示电阻随时间变化的温度(单位摄氏度)。当无源器件工作在额定功率的临界状态下时，其温度会逐渐升高，设计不当的话，无源器件可能产生烧毁现象。而本实施方式中的S参数测量装置可以根据不同的评判标准(如S₂₁的变化量)来测量并记录DUT的温度随功率和时间的变化，及最终的烧穿分析，从而有助于无源大功率组件设计中材料的正确选择和评估。

值得一提的是，S参数测量装置中还可提供多个温度传感器来同时检测功率放大器各个部位的温度，为放大器的散热设计提供依据。如图10所示的测量并分析功率放大器的温度及其变化量的仿真图，其中纵坐标Temp表示温度，纵坐标Time表示时间。图10中的线条1表示在40W下PA1(功率放大器1)随时间变化的温度(单位摄氏度)，图10中的线条2表示在40W下PA2(功率放大器2)随时间变化的温度(单位摄氏度)。

上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种S参数测量装置，其特征在于，包含：2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和与被测器件相连的2个定向耦合器；

每个所述信号发生器分别与一个所述定向耦合器相连；每个所述定向耦合器与2个所述功率检波器连接，每个所述功率检波器分别连接一个所述模数转换器，所有模数转换器均连接至所述中央控制器；

所述2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件；

所述4个功率检波器将所述2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的a₁、a₂、b₁、b₂分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给所述中央控制器，由所述中央控制器根据经模数转换后的a₁、a₂、b₁和b₂，测量S参数；

其中，所述a₁为端口1的入射波；所述a₂为端口2的入射波；所述b₁为端口1的反射波；所述b₂为端口2的反射波。

2.根据权利要求1所述的S参数测量装置，其特征在于，所述S参数包含S₁₁、S₂₁、S₂₂、S₁₂；

其中，S₁₁表示向端口1注入信号时端口1的反射信号，此时端口2没有信号输入；

S₂₁表示向端口1注入信号时出现在端口2的信号，此时端口2没有信号输入；

S₂₂表示向端口2注入信号时端口2的反射信号，此时端口1没有信号输入；

S₁₂表示向端口2注入信号时测量到的出现在端口1的信号，此时端口1没有信号输入。

3.根据权利要求2所述的S参数测量装置，其特征在于，

所述中央控制器根据经模数转换后的b₁、a₁测量所述S₁₁，其中， $S_{11}=\frac{b_1}{a_1}{|}_{a_2=0};$

所述中央控制器根据经模数转换后的b₂、a₁测量所述S₂₁，其中， $S_{21}=\frac{b_2}{a_1}{|}_{a_2=0}$

所述中央控制器根据经模数转换后的b₂、a₂测量所述S₂₂，其中， $S_{22}=\frac{b_2}{a_2}{|}_{a_1=0}$

所述中央控制器根据经模数转换后的b₁、a₂测量所述S₁₂，其中， $S_{12}=\frac{b_1}{a_2}{|}_{a_1=0}.$

4.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，

所述信号发生器输出信号的功率范围在毫瓦级至千瓦级之间，频率范围在2MHz至40GHz之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，所述S参数测量装置还包含：温度检测器和与该温度检测器相应的模数转换器；

所述温度检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的温度，另一端连接至所述相应的模数转换器，将检测到的温度经该模数转换器转换为数字信号；

所述与该温度检测器相应的模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的温度传输至所述中央控制器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，所述S参数测量装置还包含：电压检测器、电流检测器、与该电压检测器相应的模数转换器、与该电流检测器相应的模数转换器；

所述电压检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电压，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电压经该模数转换器转换为数字信号；

所述与该电压检测器相应的模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电压传输至所述中央控制器；

所述电流检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电流，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电流经该模数转换器转换为数字信号；

所述与该电流检测器相应的模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电流传输至所述中央控制器。

中央控制器，将检测到的电流传输至所述中央控制器。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，

所述被测器件包含有源器件和无源器件。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，

所述S参数测量装置外接电脑；

所述中央控制器将测量到的S参数输出给外接的电脑进行分析。

Images