專利名稱：用于測量被測對象的波動參數(shù)的具有含至少兩個端口的多端口的網(wǎng)絡(luò)分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量被測對象的波動參數(shù)的具有含至少兩個端口的多端口的網(wǎng)絡(luò)分析器、以及利用這種網(wǎng)絡(luò)分析器測量被測對象的參數(shù)的相應方法。
背景技術(shù)：
具有多端口的網(wǎng)絡(luò)分析器用于測量并由此通過其波動參數(shù)來表征被測對象。這里，也被稱為S參數(shù)或雜散參數(shù)的該波動參數(shù)為多端口的相應端口規(guī)定了被饋入到相應端口的功率中有多少在被測對象上被反射或被傳輸?shù)搅硪欢丝?。為此，給常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)分析器饋送高頻信號，其中在多端口的每個端口上的反射和透射被順序地測量。也就是說，在每次測量時所述端口中只有一個端口被饋入高頻信號，其中在被施加高頻信號的端口上測量被反射的成分，在至少另一個端口上測量被透射的成分。這里，對所有的端口同時測量反射和透射是不可能的，因為會導致反射和透射的相應頻譜的重疊。因此，對于動態(tài)的隨時間快速變化的被測對象，不能使用常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)分析器，因為被測的雜散參數(shù)由于被測對象的動態(tài)而非?？焖俚刈兓⒁虼诵枰瑫r測量所有的雜散參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務在于創(chuàng)造一種網(wǎng)絡(luò)分析器和一種相應的測量方法，用它們能測量動態(tài)被測對象的雜散參數(shù)。該任務通過權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)分析器和權(quán)利要求11所述的測量方法來解決。 本發(fā)明的改進在從屬權(quán)利要求中被定義。本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器具有含至少兩個端口的多端口，其中每個端口具有來自信號源的高頻信號的饋入，并且被饋入到相應端口中的高頻信號在被測對象上被反射的信號成分以及被饋入到至少另一個端口中的一個或多個高頻信號通過所述被測對象透射到相應端口的信號成分能被測量作為相應端口的波動參數(shù)。這里，高頻信號尤其被理解成頻率為從IOOKHz開始向上一直到幾百GHz范圍的信號。本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器的特征在于，在所述網(wǎng)絡(luò)分析器工作時所述多端口的至少兩個端口被饋入不同的高頻信號，其中在所述至少兩個端口上同時測量所述高頻信號的被反射和被透射的信號成分，且所述不同的高頻信號的頻率或頻帶被相互偏置一個頻率偏移。 本發(fā)明以如下認識為基礎(chǔ)通過相應的頻率偏移可以達到合適地分開被反射和被透射的信號成分的譜，使得能夠同時測量多個端口的所有雜散參數(shù)。利用這種方式可以檢測動態(tài)快速變化的被測對象。這里，可以連續(xù)地測量被測對象的隨時間變化的雜散參數(shù)。由于利用常規(guī)網(wǎng)絡(luò)分析器順序地測量雜散參數(shù)，動態(tài)被測對象的這種測量是不可能的。在本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器的優(yōu)選實施方式中，所述高頻信號之間的頻率偏移在這里如此大，使得對每個端口而言，針對被反射和被透射的信號成分所測得的頻譜不重疊。這可以通過以下方式來實現(xiàn)所述頻率之間的差至少與以下總和一樣大，該總和由反射譜與相應載頻的最大頻率偏差以及透射譜與相應的被偏置所述頻率偏移的載頻的最大頻率偏差組成。利用這種方式確保了在兩個頻譜之間進行明確的分離。盡管如此，有時也可以允許頻譜的重疊，尤其是在執(zhí)行的測量中只對頻譜的某些成分感興趣時。為了盡可能避免雜散參數(shù)在頻率依賴性情況下的測量訛誤，在一種優(yōu)選實施方式中，高頻信號之間的頻率偏移選得不太大。因此在一種變型中，所述頻率偏移小于所述不同的高頻信號的頻帶的最小和/或最大頻率或中頻。譬如，所述頻率偏移小于或等于所述不同的高頻信號的頻帶的最小和/或最大頻率或中頻的50%，優(yōu)選小于或等于其25%，特別優(yōu)選小于或等于其10%。在特別優(yōu)選的實施方式中通過以下方式為所述的端口饋入不同的高頻信號為所述至少兩個端口的每個端口設(shè)置單獨的信號源來饋給所述的端口。在本發(fā)明另一特別優(yōu)選的擴展中，為所述多端口的每個端口設(shè)置混合器來將被饋入到相應端口的高頻信號與被反射及被透射的信號成分進行混合。利用這種方式可以從被反射和被透射的信號成分中提取相應的信息，尤其是相應的I和Q參數(shù)的形式，從它們可以得到信號的幅度和相位。 在本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器的另一優(yōu)選實施方式中，所述多端口的每個端口包括通過單獨雷達進行饋給的波導，其中所述雷達的工作頻率彼此相差所述的頻率偏移。對于某些應用，例如對于氣體渦輪旋轉(zhuǎn)葉片的雜散參數(shù)的測量，所述雷達中的一個工作在80GHZ的頻率而所述雷達中的另一個工作在80.01GHz，也即具有頻率偏移10MHz，被證明是有意義的。除了上述網(wǎng)絡(luò)分析器外，本發(fā)明另外還涉及一種測量裝置，其包括這種網(wǎng)絡(luò)分析器。這里，所述測量裝置除了所述網(wǎng)絡(luò)分析器外還包括一種根據(jù)由所述網(wǎng)絡(luò)分析器測量的波動參數(shù)確定被測對象的一個或多個其它參數(shù)的分析單元。比如，所述分析單元可以在工作時根據(jù)所述波動參數(shù)確定被測對象離多端口的間隔和/或被測對象參照多端口的相對速度作為其它參數(shù)。這里，用于根據(jù)對象的波動參數(shù)求取如間隔和速度這樣的物理量的相應方法長期以來是現(xiàn)有技術(shù)所公知的。譬如測量裝置在上述應用中可以被用來測量氣體渦輪的渦輪葉片的雜散參數(shù)。在該情形下，尤其確定渦輪葉片離渦輪外殼內(nèi)壁的徑向間隔或渦輪葉片參照該內(nèi)壁的相對速度。除了上述網(wǎng)絡(luò)分析器和基于該網(wǎng)絡(luò)分析器的測量裝置，本發(fā)明還涉及一種利用本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器測量被測對象的參數(shù)的方法。這里，所述網(wǎng)絡(luò)分析器的所述多端口的至少兩個端口被饋入不同的高頻信號，并在所述至少兩個端口上同時測量所述高頻信號的被反射和被透射的信號成分，其中所述不同的高頻信號的頻率或頻帶被相互偏置一個頻率偏移。這里，在一種優(yōu)選擴展中，利用分析單元分析所述的波動參數(shù)以便確定被測對象的其它參數(shù)。類似于上述測量裝置，這里可以根據(jù)所述波動參數(shù)確定被測對象離多端口的間隔和/ 或被測對象參照多端口的相對速度作為其它參數(shù)。如上已經(jīng)講述的，這種測量方法適合于測量氣體渦輪的旋轉(zhuǎn)葉片的特性。在該情形下，多端口優(yōu)選地在葉片的旋轉(zhuǎn)平面上被設(shè)置在渦輪外殼的內(nèi)壁上，其中根據(jù)利用所述網(wǎng)絡(luò)分析器測量的波動參數(shù)確定內(nèi)壁和葉片之間的徑向間隔。


下面借助附圖來詳細講述本發(fā)明的實施例。圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析器的簡要圖示；
圖2示出利用圖1的分析器在同時測量兩個譜時所獲得的反射譜和透射譜的示例圖； 圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的網(wǎng)絡(luò)分析器的簡要圖示；
圖4A和4B示出在圖3的網(wǎng)絡(luò)分析器中所使用的高頻源的或在網(wǎng)絡(luò)分析器中所接收的反射與透射信號成分的頻譜；以及
圖5示出用于確定氣體渦輪的渦輪葉片到渦輪外殼內(nèi)壁的間隔的本發(fā)明測量裝置的實施方式的簡圖。
具體實施例方式圖1示出具有常規(guī)多端口電路的網(wǎng)絡(luò)分析器的簡圖。所述分析器包括高頻信號源 S，所述信號源發(fā)出頻率為f_TX的高頻信號。該信號通過開關(guān)SW分別被輸入到兩個信號支路中的一個，其中每個信號支路表示一個端口 Tl或T2，所述端口通過相應信號支路到被測對象M的過渡構(gòu)成。這里被測對象M可以按照黑盒子的方式被視為具有未知特性的對象， 并因此被示為矩形?，F(xiàn)在利用網(wǎng)絡(luò)分析器執(zhí)行的測量的目的是，通過端口 Tl或T2求出被測對象M的波動參數(shù)。這種也被稱為S參數(shù)或雜散參數(shù)的波動參數(shù)給出了在端口上饋入的功率中有多少被反射或由一個端口被傳輸?shù)搅硪欢丝诓⒂纱吮煌干?。這里，在端口 Tl或T2 上的反射通過箭頭R示出，相反，從一個端口到另一端口的透射通過半圓形的雙箭頭T來表
7J\ ο在兩個端口 Tl和T2的每個信號支路中設(shè)置了 I/Q混合器MIl或MI2，其將由相應端口接收的信號與原始高頻信號進行混合，以便由此確定被調(diào)制到高頻信號上的信號成分。由于通過相同高頻源S進行饋入，載頻對于兩個混合器是相同的，也就是混合器MIl 的f_TXl等于混合器MI2的f_TX2，并對應于高頻源S的頻率f_TX。于是，對于每次測量， 通過混合器獲得反射或透射的相應I信號或Q信號，然后由此可確定信號成分的頻譜。在圖1的網(wǎng)絡(luò)分析器中，對每個端口順序地進行雜散參數(shù)的測量。為此首先通過開關(guān)SW將高頻源S與端口 Tl相連，據(jù)此可以求出在該端口上的反射以及從端口 Tl到端口 T2的透射。接著切換開關(guān)SW，使得端口 T2與高頻源S相連，據(jù)此測量在端口 T2上的反射以及信號從端口 T2到端口 Tl的透射。在測量其狀態(tài)快速變化的動態(tài)對象時，經(jīng)常希望同時求出每個端口的雜散參數(shù)，因為依次確定雜散參數(shù)會因為被測對象特性的動態(tài)變化而導致錯誤測量結(jié)果。然而，如果利用圖1的網(wǎng)絡(luò)分析器同時測量兩個端口的雜散參數(shù)，也即將兩個端口 Tl和T2同時與信號源S相連，那么就會獲得這樣一個信號，其譜不能推導出所述端口的各個透射或反射參數(shù)。這在圖2中被展示，圖2示例地示出了在同時測量兩個端口時所述端口之一的被測頻譜。這里橫坐標上繪出了頻率f，縱坐標上繪出了信號的幅度A。因為在通過兩個端口同時測量時發(fā)出具有相同頻率的信號，所以一個端口上的反射和透射的被接收的信號成分被轉(zhuǎn)換成相同的頻帶。如從圖2所看到的，由此對于信號成分產(chǎn)生反射譜 RS與透射譜TS的重疊。也即，輸出譜是兩個譜RS和TS的總和，從該總和再也不能反算出譜RS或TS。因此，在相應混合器的輸出端上施加的復信號不能夠?qū)㈥P(guān)于透射的信息與反射分離開來。
圖3示出本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)分析器的實施方式的簡圖。類似于圖1的網(wǎng)絡(luò)分析器，該分析器也包括兩個端口 Tl和T2，其被分配了相應的混合器MIl和MI2用于求出通過被測對象反射或透射的信號成分的I/Q參數(shù)。這里被測對象類似于圖1被示為矩形M。同樣，相應的反射或透射通過相同的箭頭R或T來描繪。與圖1的分析器的區(qū)別是，圖3的分析器此時包括兩個高頻源Sl和S2。這里，高頻源Sl饋給端口 Tl，高頻源S2饋給端口 T2。高頻源Sl工作在工作頻率f_TXl，相反，高頻源S2工作在不同的工作頻率f_TX2，該工作頻率f_TX2相對于源Sl的工作頻率f_TXl被偏移。這里，在圖4A中繪出了給端口饋送不同的頻率。在頻率f上繪出了信號幅度A的該圖示出了高頻源Sl的頻譜Pl或高頻源S2的頻譜P2。人們知道每個譜由在頻率f_TXl 或f_TX2時的相應尖峰組成，其中兩個頻譜相互隔開所述的偏移f_diff。由于頻率偏移，現(xiàn)在可以在兩個端口 Tl和T2上同時進行被反射或被透射的信號成分的測量。在這種測量中，混合器MIl參照頻率^1乂1的基帶求出從端口 Tl發(fā)出的高頻信號的被反射的成分以及從端口 T2發(fā)出的高頻信號的被透射的成分。類似地，混合器MI2參照頻率f_TX2的基帶求出從端口 T2發(fā)出的高頻信號的被反射的成分以及從端口 Tl發(fā)出的高頻信號的被透射的成分。由于頻率偏移，被反射和被透射的成分的譜現(xiàn)在相互隔開，如示例地通過圖4B中所述端口之一的頻譜所示。通過合適地選擇偏移，這里實現(xiàn)了被反射的信號成分RS的頻譜不會與被透射的信號成分TS的頻譜重疊，因為兩個譜相互偏移f_diff。為了使不同載頻引起的對譜的影響保持盡可能小，在一種優(yōu)選實施方式中兩個譜盡可能相互靠近，但它們不重疊。因此，頻率偏移應該至少與以下的總和一樣大，該總和由載頻f_TXl的頻譜的最大偏差與載頻f_TX2的頻譜的最大偏差組成。因而通過圖3的網(wǎng)絡(luò)分析器由于頻率偏移達到了 反射和透射的信號成分被轉(zhuǎn)換成相應混合器的輸出譜的不同頻帶。這里，反射被映射到混合器的相應基帶，相反，透射處于載頻處，該載頻為高頻源Sl 和S2的發(fā)射信號之間的差頻。由此產(chǎn)生兩個不同的頻譜，其可以針對每個端口同時和連續(xù)地被測量。利用這種方式完全可以檢測動態(tài)的、隨時間快速變化的被測對象。圖5示出了本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器的應用的例子，其在測量系統(tǒng)中被用于求出氣體渦輪的渦輪葉片到相應渦輪外殼的內(nèi)壁的徑向間隙。這里在圖5中將渦輪葉片的片段標示為被測對象M，其中該葉片在紙平面內(nèi)沿箭頭P的方向運動。這里示出了渦輪葉片的鄰近于渦輪外殼內(nèi)壁的一個片段，所述葉片在該內(nèi)壁中運動。這里在圖5中用附圖標記W表示該壁的片段?，F(xiàn)在的目的是將網(wǎng)絡(luò)分析器用于測量在快速運動的渦輪葉片和壁W之間的徑向間隙d，以便識別有時出現(xiàn)的不平衡和抵制由于渦輪葉片與壁的接觸而對渦輪的損害。為了測量，再次使用具有兩個端口 Tl和T2的網(wǎng)絡(luò)分析器，其中所述端口通過相應的波導構(gòu)成，其以漏斗形開口 01和02終止于渦輪壁W內(nèi)。類似于圖3，通過波導發(fā)出的信號的反射或透射用相應的箭頭R或T表示。這里每個波導被分配一個雷達傳感器RAl或 RA2。雷達傳感器RAl類似于圖3包含有相應的高頻源Sl和混合器Mil。同樣雷達傳感器 RA2包含有相應的高頻源S2和相應的混合器MI2。這里，所述的高頻源和混合器沒有再次在圖5中繪出。兩個雷達傳感器工作在不同的工作頻率，其彼此相隔一個預定的頻率偏移，這與圖3相一致地通過高頻源Sl和S2的不同頻率來實現(xiàn)。這里，同時測量通過所述端口的波導
7發(fā)出的高頻信號的透射和反射。對于在圖5中示出的應用尤其采用CW雷達(CW=連續(xù)波)， 該CW雷達在傳感器RAl中工作在80GHz的工作頻率，在傳感器RA2中工作在80. OlGHz的工作頻率。也就是說，兩個工作頻率相互偏移IOMHz。因此在圖5的實施方式中，對于在兩個端口的每一個上的透射和反射同時產(chǎn)生相應的I/Q參數(shù)。這些參數(shù)在相應的A/D變換器 AD中被數(shù)字化并被輸入到數(shù)字信號處理器ra。在圖5的實施方式中，信號處理器PR負責求取在渦輪葉片和壁之間的徑向間隙d 的大小。這里，采用長期以來為現(xiàn)有技術(shù)所公知的方法來求出該間隔，尤其可以借助于多普勒方法從頻譜確定所述的間隔。因為從網(wǎng)絡(luò)分析器的雜散參數(shù)確定間隔d的相應方法是已知的，所以不再詳細講述信號分析。除了徑向間隙外，有時還可以測量其它參數(shù)，譬如渦輪葉片參照壁的相對速度。另外，本發(fā)明的測量裝置并不局限于在圖5中所示的物理量的測量，而是還可以測量其它量， 該其它量的變化體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)分析器的相應雜散參數(shù)的變化。本發(fā)明相較于公知網(wǎng)絡(luò)分析器的主要優(yōu)點在于，動態(tài)系統(tǒng)的快速變化的物理量現(xiàn)在也可以被合適地測量，因為能實現(xiàn)雜散參數(shù)的同時和連續(xù)的測量。
權(quán)利要求
1.一種用于測量被測對象(M)的波動參數(shù)的具有含至少兩個端口(T1，T2)的多端口的網(wǎng)絡(luò)分析器，其中每個端口(Τ1，Τ2)具有來自信號源(S1，S2)的高頻信號的饋入，并且被饋入到相應端口(T1，T2)中的高頻信號在被測對象上被反射的信號成分以及被饋入到至少另一個端口(Τ1，Τ2)中的一個或多個高頻信號通過所述被測對象(M)透射到相應端口(Tl， Τ2)的信號成分能被測量作為相應端口(Tl，Τ2)的波動參數(shù)，其特征在于，在所述網(wǎng)絡(luò)分析器工作時所述多端口的至少兩個端口(Tl，Τ2)被饋入不同的高頻信號，并在所述至少兩個端口(T1，D)上同時測量所述高頻信號的被反射和被透射的信號成分，其中所述不同的高頻信號的頻率(f_TXl，fTX2)或頻帶被相互偏置一個頻率偏移(f_diff)。
2.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，所述頻率偏移(f_diff)如此大，使得對每個端口(T1，D)而言，針對被反射和被透射的信號成分所測得的頻譜(RS，TS)不重疊。
3.如權(quán)利要求1或2所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，所述頻率偏移(f_diff)小于所述不同的高頻信號的最小和/或最大頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，所述頻率偏移(f_diff)小于或等于所述不同的高頻信號的最小和/或最大頻率的50%，優(yōu)選小于或等于其25%，特別優(yōu)選小于或等于其10%。
5.如上述權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，為所述至少兩個端口(Tl， T2)的每個端口(Tl，T2)設(shè)置單獨的信號源(Si，S2)來饋給所述的端口(Tl，T2)。
6.如上述權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，為所述至少兩個端口(Tl， T2)的每個端口(Tl，T2)設(shè)置混合器(Mil，MI2)來將被饋入到相應端口(Tl，T2)的高頻信號與被反射及被透射的信號成分進行混合。
7.如上述權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，所述至少兩個端口(Tl，T2) 的每個端口(Tl，T2)包括通過單獨雷達(RA1，RA2)進行饋給的波導，其中所述雷達(RA1， RA2)的工作頻率彼此相差所述的頻率偏移(f_diff)。
8.如權(quán)利要求7所述的網(wǎng)絡(luò)分析器，其特征在于，所述雷達中的一個(RAl)具有80GHz 的工作頻率，所述雷達中的另一個(RA)具有80. OlGHz的工作頻率。
9.一種測量裝置，包括如上述權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)分析器和根據(jù)由所述網(wǎng)絡(luò)分析器測量的波動參數(shù)確定被測對象(M)的一個或多個其它參數(shù)(d)的分析單元(AD，PR)。
10.如權(quán)利要求9所述的測量裝置，其特征在于，所述分析單元(AD，PR)在工作時根據(jù)所述波動參數(shù)確定被測對象(M)離多端口的間隔(d)和/或被測對象(M)參照多端口的相對速度作為其它參數(shù)。
11.一種利用如權(quán)利要求1-8之一所述的網(wǎng)絡(luò)分析器測量被測對象(M)的參數(shù)的方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)分析器的所述多端口的至少兩個端口(T1，T2)被饋入不同的高頻信號，并在所述至少兩個端口(Τ1，Τ2)上同時測量所述高頻信號的被反射和被透射的信號成分，其中所述不同的高頻信號的頻率(f_TXl，fTX2)或頻帶被相互偏置一個頻率偏移(f_ diff)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，利用分析單元(AD，PR)分析所述的波動參數(shù)以便確定被測對象(M)的其它參數(shù)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述波動參數(shù)確定被測對象(M)離多端口的間隔(d)和/或被測對象(M)參照多端口的相對速度作為其它參數(shù)。
14.如權(quán)利要求11-13之一所述的方法，其特征在于，測量氣體渦輪的旋轉(zhuǎn)葉片作為被測對象。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多端口在葉片的旋轉(zhuǎn)平面上被設(shè)置在所述氣體渦輪的外殼的內(nèi)壁(W)上，根據(jù)利用所述網(wǎng)絡(luò)分析器測量的波動參數(shù)確定內(nèi)壁和葉片之間的徑向間隔(d)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量被測對象(M)的波動參數(shù)的具有含至少兩個端口(T1,T2)的多端口的網(wǎng)絡(luò)分析器，其中每個端口(T1，T2)具有來自信號源(S1，S2)的高頻信號的饋入，并且被饋入到相應端口(T1，T2)中的高頻信號在被測對象(M)上被反射的信號成分以及被饋入到至少另一個端口(T1，T2)中的一個或多個高頻信號通過所述被測對象透射到相應端口(T1，T2)的信號成分能被測量作為相應端口的波動參數(shù)。在所述網(wǎng)絡(luò)分析器工作時所述多端口的至少兩個端口(T1，T2)被饋入不同的高頻信號，并在所述至少兩個端口(T1,T2)上同時測量所述高頻信號的被反射和被透射的信號成分，其中所述不同的高頻信號的頻率(f_TX1,fTX2)或頻帶被相互偏置一個頻率偏移(f_diff)。本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分析器具有的優(yōu)點是，與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)分析器相反，它能被用來測量隨時間快速變化的動態(tài)被測對象的波動參數(shù)。
文檔編號G01B15/00GK102378894SQ201080014481
公開日2012年3月14日 申請日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者席希特 A., 齊羅夫 A., 賽森貝爾格 C., 波普拉瓦 F. 申請人:西門子公司