CN218866002U - 一种在线阻抗测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种在线阻抗测量装置，实现了准确测量电子元器件在上电工作状态下的真实阻抗。该在线阻抗测量装置包括：矢量网络分析仪10、发射卡钳20、接收卡钳30、第一同轴开关K1、第二同轴开关K2以及多段同轴线缆；两同轴开关均为一进二出切换器；矢量网络分析仪10的信号发射端口1经同轴线缆与开关K1的输入端连接，开关K1的第一输出端经同轴线缆与发射卡钳20的接线端连接；矢量网络分析仪10的信号接收端口2经同轴线缆与开关K2的输入端连接，开关K2的第一输出端经同轴线缆与接收卡钳30的接线端连接；两同轴开关的第二输出端经同轴线缆相连；发射卡钳20和接收卡钳30套接在待测器件的工作回路上。

Description

一种在线阻抗测量装置

技术领域

本实用新型涉及电子测量技术领域，更具体地说，涉及一种在线阻抗测量装置。

背景技术

电子元器件的频域复阻抗(简称为阻抗)是电路设计(例如射频电路设计)中需要关注的基本参数，其阻抗大小会影响到电路的性能，因此电子元器件的阻抗测量是电路设计的基础和关键环节。

传统的阻抗测量方案需要将待测器件从其工作回路中拆下，再单独连接到阻抗测量装置中去进行测量。电子元器件分为无源器件(例如电阻、电容、电感等)和有源器件(例如电机阻抗、DC/DC电源内阻等)两种。对于无源器件来说，由于其在上电工作状态下与断电状态下阻抗基本无差别，所以使用传统阻抗测量方案不会带来测量误差。但是对于有源器件来说，其在上电工作状态下与断电状态下的阻抗具有显著差别，所以使用传统阻抗测量方案所测量的其在断电状态下的阻抗无法反映其在上电工作状态下的真实阻抗。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种在线阻抗测量装置，以准确测量电子元器件在上电工作状态下的真实阻抗。

一种在线阻抗测量装置，包括：矢量网络分析仪10、发射卡钳20、接收卡钳30、第一同轴开关K1、第二同轴开关K2以及多段同轴线缆；

其中，两同轴开关均为一进二出切换器；

矢量网络分析仪10的信号发射端口1经同轴线缆与第一同轴开关K1的输入端连接，第一同轴开关K1的第一输出端经同轴线缆与发射卡钳20的接线端连接；

矢量网络分析仪10的信号接收端口2经同轴线缆与第二同轴开关K2的输入端连接，第二同轴开关K2的第一输出端经同轴线缆与接收卡钳30的接线端连接；

两同轴开关的第二输出端经同轴线缆相连；

发射卡钳20和接收卡钳30套接在待测器件的工作回路上。

在又一个实施例中，连接在第一同轴开关K1的第一输出端与发射卡钳20的接线端之间的同轴线缆长度为a，连接在第二同轴开关K2的第一输出端与接收卡钳30的接线端之间的同轴线缆长度为b，连接在第一同轴开关K1的第二输出端与第二同轴开关K2的第二输出端之间的同轴线缆长度为c；

其中，a≥0，b≥0，c≥0。

在又一个实施例中，a>0，b>0，c>0，a＝b＝c/2。

在又一个实施例中，所述在线阻抗测量装置还包括：串联在信号发射端口1与第一同轴开关K1的输入端之间的至少一个信号放大器，和/或串联在信号接收端口2与第二同轴开关K2的输入端之间的至少一个信号放大器。

在又一个实施例中，所述在线阻抗测量装置还包括：卡钳固定工装50；

卡钳固定工装50用于固定发射卡钳20和接收卡钳30的相对位置。

在又一个实施例中，卡钳固定工装50上设置有四个已固定位置的同轴接头，分别是：对称固定在卡钳固定工装50上半部分左、右两侧的第一接头和第二接头，以及对称固定在卡钳固定工装50下半部分左、右两侧的第三接头和第四接头；

其中，第一个同轴开关K1的第一输出端依次经过第一接头、第一接头与第二接头之间连接的同轴线缆、第二接头与发射卡钳20的接线端连接；第二同轴开关K2的第一输出端依次经过第三接头、第三接头与第四接头之间连接的同轴线缆、第四接头与接收卡钳30的接线端连接。

在又一个实施例中，所述同轴接头为同轴法兰接头。

在又一个实施例中，矢量网络分析仪10为射频矢量网络分析仪。

在又一个实施例中，所述一进二出切换器为双刀双掷开关。

在又一个实施例中，矢量网络分析仪10的配件包括：开路校准器、短路校准器和阻抗已知的标准负载。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型将在线阻抗测量装置的两个卡钳套接在待测器件的工作回路上，当两同轴开关接通两卡钳时，在线阻抗测量装置与待测环路之间通过电磁耦合(无电气接触)，使得矢量网络分析仪的测量值与待测器件的阻抗之间建立了一种固定映射关系，而该固定映射关系可通过预先使用在线阻抗测量装置测量标准器件(即阻抗值已知的器件)的阻抗反推得到，从而可以得到待测器件的阻抗。相较于现有技术，本实用新型在测量待测器件的阻抗时无需将其从工作回路中拆下，所以测量结果可以准确反映其在上电工作状态下的真实阻抗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的一种在线阻抗测量装置结构示意图；

图2为图1所示在线阻抗测量装置与待测环路之间通过电磁耦合时的等效电路图；

图3为使用图1所示在线阻抗测量装置进行Z_x测算的方法流程图；

图4为本实用新型实施例公开的又一种在线阻抗测量装置结构示意图；

图5为本实用新型实施例公开的又一种在线阻抗测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，本实用新型实施例公开了一种在线阻抗测量装置，包括：矢量网络分析仪10、发射卡钳20、接收卡钳30、第一同轴开关K1、第二同轴开关K2以及多段同轴线缆；

其中，两同轴开关均为适配同轴线缆使用的一进二出切换器(例如双刀双掷开关，或者其他具有一进二出切换功能的器件)；

矢量网络分析仪10的信号发射端口1经同轴线缆与第一同轴开关K1的输入端连接，第一同轴开关K1的第一输出端经同轴线缆与发射卡钳20的接线端连接；

矢量网络分析仪10的信号接收端口2经同轴线缆与第二同轴开关K2的输入端连接，第二同轴开关K2的第一输出端经同轴线缆与接收卡钳30的接线端连接；两同轴开关的第二输出端经同轴线缆相连；

发射卡钳20和接收卡钳30套接在待测器件Z_x的工作回路(以下将待测器件Z_x的工作回路简称为待测环路，Z_x既表示待测器件也表示待测器件的阻抗，待测环路上其余所有器件的阻抗用Z_m示意)上；

所述在线阻抗测量装置还包括：串联在矢量网络分析仪10的信号发射端口1与第一同轴开关K1的输入端之间的至少一个信号放大器，和/或串联在矢量网络分析仪10的信号接收端口2与第二同轴开关K2的输入端之间的至少一个信号放大器(图1中仅以在矢量网络分析仪10的信号发射端口1与第一同轴开关K1的输入端之间串联一个信号放大器40作为示例)。

下面结合图2～图3，来对图1所示技术方案的工作原理进行详述：

矢量网络分析仪10透过定向设备对发送和反射信号取样，进行各种比值的测量(例如包括：测量信号接收端口2感受到的总阻抗与信号发射端口1感受到的总阻抗的比值S21)，是一种常见的射频测量仪器。

在线阻抗测量装置内各组件之间的连接线缆采用同轴线缆。同轴线缆是绝大部分射频信号传输所采用的线缆形式。同轴线缆在芯线外包裹一层绝缘介质，然后再包裹一层屏蔽层，芯线作为电流流出线，屏蔽层作为电流返回线。同轴线缆可以保证电流往返路径的一致性，避免测量结果产生畸变。

同轴开关适配同轴线缆使用。为便于描述，本实用新型实施例将同轴开关的输入端接通自身第一输出端的状态定义为A状态，将同轴开关的输入端接通自身第二输出端的状态定义为B状态。当两同轴开关均处于A状态且发射卡钳20和接收卡钳30均套接在待测环路上时，在线阻抗测量装置与待测环路之间通过电磁耦合，其构成的电磁耦合系统的等效电路图如图2所示。

图2所示等效电路的原理及参数含义介绍如下：

矢量网络分析仪10的信号发射端口1等效为一个理想电压源V₀与一个阻抗Rs₁的串联结构，信号接收端口2等效为一个阻抗Rs₂；Rs₁＝Rs₂且Rs₂大小已知，一般为50Ω；

信号放大器40的输入端等效为一个阻抗R_Gi，信号放大器40的输出端等效为一个阻抗R_Go与又一理想电压源V₁的串联组合，阻抗R_Gi两端电压*信号放大器40的增益G＝阻抗R_Go两端电压+理想电压源V₁的输出电压；

发射卡钳20和接收卡钳30分别等效为电感L₁和电感L₂；

待测环路与电感L₁、电感L₂耦合的等效电感为L_m；待测环路等效为待测器件Z_x、电感L_m以及待测环路上其余所有器件Z_m串联构成的回路；

理想电压源V₀、阻抗Rs₁以及阻抗R_Gi串联构成回路；

阻抗R_Go、理想电压源V₁以及电感L₁串联构成回路；

电感L₂与阻抗Rs₂串联构成回路；

信号放大器40的输入阻抗(即沿着图2下方虚线线段从左向右看所看到的阻抗)、接收卡钳30的输入阻抗(即沿着图2上方虚线线段从左向右看所看到的阻抗)分别表示为Z_p0和Z_p2，输入阻抗Z_p0、Z_p2两端电压分别表示为V_p0、V_p2。

在图2所示等效电路下，矢量网络分析仪10用于测量信号接收端口2感受到的总阻抗与信号发射端口1感受到的总阻抗的比值，将该比值定义为S21，则S21＝V_p2/V_p0。S21是关于被测器件的阻抗Z_x的一元一次函数，已知S21以及该一元一次函数的一次项系数和常数项，就可以计算得到Z_x。S21由矢量网络分析仪10自动计算输出；该一元一次函数的一次项系数和常数项取决于图2所示等效电路中各器件的参数值，但通常情况下这些参数值的准确值难以精确得到(Rs₁、Rs₂除外)，所以需要通过让图1所示在线阻抗测量装置测量标准器件(即阻抗值已知的器件)的阻抗来反推出该一元一次函数的一次项系数和常数项，然后再去计算Z_x。

使用图1所示在线阻抗测量装置进行Z_x测算的具体过程如图3所示，包括如下步骤S1～步骤S3：

步骤S1：对矢量网络分析仪10进行校准，之后进入步骤S2。

对矢量网络分析仪10进行校准是保证测量准确性的必要条件。具体的，步骤S1又细分为如下6个小步骤：

步骤S101：将两同轴开关切换至A状态，并卸下两卡钳从而露出两个同轴线缆接头，之后进入步骤S102。

步骤S102：在这两个同轴线缆接头之间连接开路校准器(开路校准器是矢量网络分析仪10的配件之一)，打开信号放大器40，并依次在矢量网络分析仪10的两个端口进行Open(开关)校准，然后关闭信号放大器40，之后进入步骤S103。

步骤S103：在这两个同轴线缆接头之间连接短路校准器(短路校准器也是矢量网络分析仪10的配件之一)，打开信号放大器40，并依次在矢量网络分析仪10的两个端口进行Short(短路)校准，然后关闭信号放大器40，之后进入步骤S104。

步骤S104：在这两个同轴线缆接头之间连接阻抗为已知值Rs₂的标准负载(标准负载也是矢量网络分析仪10的配件之一)，打开信号放大器40，并依次在矢量网络分析仪10的两个端口进行Load(负载)校准，然后关闭信号放大器40，之后进入步骤S105。

步骤S105：将两同轴开关切换至B状态，此时矢量网络分析仪10的信号发射端口1与信号接收端口2通过同轴线缆连通，打开信号放大器40，并在矢量网络分析仪10上进行一次Through(直通连接)校准，然后关闭信号放大器40，之后进入步骤S106。

步骤S106：保存并应用本次校准结果，然后将两同轴开关切换至A状态。

步骤S2：对待测环路进行校准，之后进入步骤S3。

具体的，步骤S2又细分为如下3个小步骤：

步骤S201：将两卡钳套接在待测环路上，之后进入步骤S202。

步骤S202：将待测器件短路，用矢量网络分析仪10测量S21，并记录为S₂₁|z₀，之后进入步骤S203。

步骤S203：将待测环路中的待测阻抗用一个标准器件(即阻抗值已知、为Z₁的器件)替代，用矢量网络分析仪10测量S21，并记录为S₂₁|z₁。

步骤S3：进行阻抗测量与计算，至此结束。

具体的，步骤S3又细分为如下2个小步骤：

步骤S301：将待测器件装回待测环路中使其恢复正常工作，用矢量网络分析仪10测量S21，并记录为S₂₁|z_x，之后进入步骤S302。

步骤S302：按如下公式计算待测器件的阻抗Z_x：

基于步骤S202、步骤S203的测量值建立二元一次方程组可以反推出一元一次函数的一次项系数和常数项，再基于步骤S301的测量值即可计算出阻抗Z_x，上述公式即为对此计算过程进行联立、化简后最终得到的Z_x计算公式。

由以上述描述可知，本实用新型实施例将在线阻抗测量装置的两个卡钳套接在待测器件Z_x的工作回路上，当两同轴开关均处于A状态时，在线阻抗测量装置与待测环路之间通过电磁耦合(无电气接触)，使得矢量网络分析仪10的测量值S₂₁|z₁与待测器件的阻抗Z_x之间建立了一种固定映射关系，而该固定映射关系可通过预先使用在线阻抗测量装置测量标准器件(即阻抗值已知的器件)的阻抗反推得到，从而可以得到待测器件的阻抗Z_x。相较于现有技术，本实用新型实施例在测量待测器件的阻抗Z_x时无需将其从工作回路中拆下，所以测量结果可以准确反映其在上电工作状态下的真实阻抗。

其中，仍参见图1，假设连接在第一同轴开关K1的第一输出端与发射卡钳20的接线端之间的同轴线缆长度为a，连接在第二同轴开关K2的第一输出端与接收卡钳30的接线端之间的同轴线缆长度为b，连接在第一同轴开关K1的第二输出端与第二同轴开关K2的第二输出端之间的同轴线缆长度为c。在一个实施例中，可设置a≥0，b≥0，c≥0；a＝0时表示第一同轴开关K1的第一输出端不经同轴线缆、直接连接到接收卡钳30的接线端，b＝0时的含义、c＝0时的含义同理可得，不再赘述。

在又一实施例中，也可设置a>0，b>0，c>0，a＝b＝c/2。此设置方式可提高步骤S1对矢量网络分析仪10校准结果的准确性，解析如下：由于S101～S104都是在两同轴开关为A状态下进行的，矢量网络分析仪10的两个端口都分别引入了a的额外长度的同轴线缆，因此两同轴开关切到B状态做Through校准时，也需要补充2a的额外长度的同轴线缆(即两同轴开关切到B状态后，矢量网络分析仪10的信号发射端口1经2a长度的同轴线缆与信号接收端口2连通)，这样步骤S1过程中信号通过同轴线缆的长度一致，校准的结果才更准确。

此外，考虑到在线阻抗测量装置与待测器件的工作回路之间通过电磁耦合时，耦合系数是靠校准过程来定标推算的，而如果校准/测量过程中系统的结构位置(主要是发射卡钳20与接收卡钳30的相对位置，其相对位置包括相对地理位置和相对朝向)发生变化，耦合系数就会随之发生变化，校准出来的耦合系数就不准确了，直接影响测量结果的准确性。所以为保证测量结果的准确性，基于上述公开的任一实施例，还可以在在线阻抗测量装置中引入卡钳固定工装50；卡钳固定工装50用于固定发射卡钳20和接收卡钳30的相对位置，仍参见图1。

仍参见图1，在又一实施例中，卡钳固定工装50上还可设置四个已固定位置的同轴接头(例如为同轴法兰接头)，分别是：对称固定在卡钳固定工装50上半部分左、右两侧的第一接头和第二接头(如图1中卡钳固定工装50上半部分左、右两侧的黑点)，以及对称固定在卡钳固定工装50下半部分左、右两侧的第三接头和第四接头(如图1中卡钳固定工装50下半部分左、右两侧的黑点)。第一个同轴开关K1的第一输出端依次经过第一接头、第一接头与第二接头之间连接的长度为b的同轴线缆(如图1中横贯卡钳固定工装50上半部分的长度为b的黑线)、第二接头与发射卡钳20的接线端连接；第二同轴开关K2的第一输出端依次经过第三接头、第三接头与第四接头之间连接的长度为a的同轴线缆(如图1中横贯卡钳固定工装50下半部分的长度为a的黑线)、第四接头与接收卡钳30的接线端连接。

在上述公开的任一实施例中，信号放大器40能够提高Z_x的测量上限，且信号放大器40的增益越大，Z_x的测量上限提高地越高，在实际应用时可按需定制信号放大器40的增益。具体解析如下：

根据步骤S302给出的公式可知，Z_x与S₂₁|z_X成反比，即如果Z_x越大，则测到的S₂₁|z_X越小。但由于矢量网络分析仪10存在本底噪声，S₂₁|z_X没有办法无限小(S₂₁|z_X下限为仪器本底噪声)，因此在Z_x大到一定值以后，S₂₁|z_X会维持在本底噪声，无法映射到真实的Z_x，可见矢量网络分析仪10本底噪声的存在，导致可测量到的Z_x有上限。

而如果引入了信号放大器40，则S₂₁|z₁和S₂₁|z_X会发生变化，最终效果是使增大，从而使有限的S₂₁|z_X能够映射到更大的Z_x，提高Z_x的测量上限。

图1仅是以在矢量网络分析仪10的信号发射端口1与第一同轴开关K1的输入端之间串联一个信号放大器40作为示例，此外基于上述公开的任一实施例，在其他可选位置设置信号放大器(例如图4所示，在矢量网络分析仪10的信号接收端口2与第二同轴开关K2的输入端之间串联一个信号放大器)或者在线阻抗测量装置中不设置信号放大器(例如图5所示)也均属于本申请保护范围。

在上述任一实施例中，待测回路通常为射频电路，但并不局限。当待测回路通常为射频电路时，矢量网络分析仪10相应采用射频矢量网络分析仪、信号放大器相应采用射频放大器；当待测回路通常为其他类型的电路时，矢量网络分析仪10、信号放大器的类型相应调整即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，不再赘述。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种在线阻抗测量装置，其特征在于，包括：矢量网络分析仪(10)、发射卡钳(20)、接收卡钳(30)、第一同轴开关(K1)、第二同轴开关(K2)以及多段同轴线缆；

其中，两同轴开关均为一进二出切换器；

矢量网络分析仪(10)的信号发射端口(1)经同轴线缆与第一同轴开关(K1)的输入端连接，第一同轴开关(K1)的第一输出端经同轴线缆与发射卡钳(20)的接线端连接；

矢量网络分析仪(10)的信号接收端口(2)经同轴线缆与第二同轴开关(K2)的输入端连接，第二同轴开关(K2)的第一输出端经同轴线缆与接收卡钳(30)的接线端连接；

两同轴开关的第二输出端经同轴线缆相连；

发射卡钳(20)和接收卡钳(30)套接在待测器件的工作回路上。

2.根据权利要求1所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，连接在第一同轴开关(K1)的第一输出端与发射卡钳(20)的接线端之间的同轴线缆长度为a，连接在第二同轴开关(K2)的第一输出端与接收卡钳(30)的接线端之间的同轴线缆长度为b，连接在第一同轴开关(K1)的第二输出端与第二同轴开关(K2)的第二输出端之间的同轴线缆长度为c；

其中，a≥0，b≥0，c≥0。

3.根据权利要求2所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，a>0，b>0，c>0，a＝b＝c/2。

4.根据权利要求1所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，所述在线阻抗测量装置还包括：串联在信号发射端口(1)与第一同轴开关(K1)的输入端之间的至少一个信号放大器，和/或串联在信号接收端口(2)与第二同轴开关(K2)的输入端之间的至少一个信号放大器。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，所述在线阻抗测量装置还包括：卡钳固定工装(50)；

卡钳固定工装(50)用于固定发射卡钳(20)和接收卡钳(30)的相对位置。

6.根据权利要求5所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，卡钳固定工装(50)上设置有四个已固定位置的同轴接头，分别是：对称固定在卡钳固定工装(50)上半部分左、右两侧的第一接头和第二接头，以及对称固定在卡钳固定工装(50)下半部分左、右两侧的第三接头和第四接头；

其中，第一个同轴开关(K1)的第一输出端依次经过第一接头、第一接头与第二接头之间连接的同轴线缆、第二接头与发射卡钳(20)的接线端连接；第二同轴开关(K2)的第一输出端依次经过第三接头、第三接头与第四接头之间连接的同轴线缆、第四接头与接收卡钳(30)的接线端连接。

7.根据权利要求6所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，所述同轴接头为同轴法兰接头。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，矢量网络分析仪(10)为射频矢量网络分析仪。

9.根据权利要求1～4中任一项所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，所述一进二出切换器为双刀双掷开关。

10.根据权利要求1～4中任一项所述的在线阻抗测量装置，其特征在于，矢量网络分析仪(10)的配件包括：开路校准器、短路校准器和阻抗已知的标准负载。

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