專利名稱：S參數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
S參數(shù)測量裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及微波領(lǐng)域，特別涉及微波領(lǐng)域中S參數(shù)的測量技術(shù)。
技術(shù)背景[0002]S參數(shù)即散射(Scattering)參數(shù)，被定義為在給定頻率和系統(tǒng)阻抗的條件下，任何非理想多端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸和反射特性。[0003]S參數(shù)描述了輸入到一個N端口的信號到其中每個端口的響應(yīng)。S參數(shù)下標(biāo)中的第一位數(shù)字代表響應(yīng)端，第二位數(shù)字代表激勵端。如S21表示端口 2相對于端口 1輸入信號的響應(yīng)；S11代表端口 1相對于端口 1的輸入信號的響應(yīng)。如圖1所示的通用二端口網(wǎng)絡(luò)中，輸入到網(wǎng)絡(luò)的信號標(biāo)注為a，離開網(wǎng)絡(luò)的信號標(biāo)注為b。在圖1中，如果信號發(fā)生器接到端口 1，端口 2接匹配負(fù)載，則二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為ai，從網(wǎng)絡(luò)返回端口 1的反射波為b1; 通過網(wǎng)絡(luò)到端口 2的信號為Iv從負(fù)載返回網(wǎng)絡(luò)的反射波為對于匹配負(fù)載，這個反射波數(shù)值為零)。[0004]任何射頻和微波器件，當(dāng)工作在大功率狀態(tài)下時，其某些物理特性會發(fā)生變化，如溫度的變化、放大器工作點的變化等。這些變化將會導(dǎo)致器件S參數(shù)的變化。[0005]比如說，一個標(biāo)稱衰減量為30dB的100W衰減器，用網(wǎng)絡(luò)分析儀(測試功率ImW)測得的衰減量為30dB，但是在滿負(fù)荷工作時，其衰減量可能會變化至31dB，如果將這個衰減器用于100W放大器或發(fā)射機的精密功率測量，僅衰減器自身就會產(chǎn)生20. 6%的測試誤差。 衰減器的這種變化量稱為功率系數(shù)，必須在大功率條件下測試。[0006]又或者，功率放大器在不同的輸出功率狀態(tài)下，從輸出端向放大器看去的電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，簡稱“VSWR”)也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低以及系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。從放大器的輸出端向放大器看去的駐波被稱為熱態(tài)VSWR(即 Hot S22)，這項參數(shù)必須在大功率工作狀態(tài)下從放大器的輸出端直接測量。[0007]又或者，鐵氧體隔離器在大功率狀態(tài)下，反向隔離度可能會降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定以及系統(tǒng)互調(diào)干擾。[0008]然而，傳統(tǒng)的S參數(shù)的測試手段是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，但僅僅能夠完成被測器件在小信號情況下的測試，無法了解到器件在真實工作狀態(tài)下，大功率的情況下，其各項參數(shù)是否會變化，以及會發(fā)生怎樣的變化。也就是說，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀無法實現(xiàn)大功率狀態(tài)下的S參數(shù)測試，從而無法有效地仿真被測器件在真實環(huán)境下的工作狀態(tài)。實用新型內(nèi)容[0009]本實用新型的目的在于提供一種S參數(shù)測量裝置，使得在大功率狀態(tài)下也能測試被測器件的S參數(shù)，從而能夠仿真被測器件在真實環(huán)境下的工作狀態(tài)。[0010]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的實施方式提供了一種S參數(shù)測量裝置，包含 2個信號發(fā)生器、4個功率檢波器、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個中央控制器和與被測器件相連的2 個定向耦合器；4[0011]每個所述信號發(fā)生器分別與一個所述定向耦合器相連；每個所述定向耦合器與2 個所述功率檢波器連接，每個所述功率檢波器分別連接一個所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器均連接至所述中央控制器；[0012]所述2個信號發(fā)生器、4個功率檢波器、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個中央控制器和2個定向耦合器均為功率容量大于預(yù)設(shè)門限的器件；[0013]所述4個功率檢波器將所述2個信號發(fā)生器分別輸出不同功率信號時檢測到的被測器件的A^i1I2分別輸入到與本功率檢波器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，供該模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給所述中央控制器，由所述中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的ai、^ipb1和b2，測量S參數(shù)；[0014]其中，所述 為端口 1的入射波；所述 為端口 2的入射波；所述Id1為端口 1的反射波；所述1 為端口 2的反射波。[0015]本實用新型實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，4個功率檢波器將2個信號發(fā)生器分別輸出不同功率信號時檢測到的被測器件的a” a2、b” b2分別輸入到與本功率檢波器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，供該模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給中央控制器，由中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的&1、a2、h和b2，測量S參數(shù)。其中，2個信號發(fā)生器、4個功率檢波器、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個中央控制器和2個定向耦合器均為功率容量大于預(yù)設(shè)門限的器件。由于所有系統(tǒng)器件都采用大功率容量設(shè)計，因此可以測量出在大功率狀態(tài)下S 參數(shù)的四個要素 、Eipb1和Iv從而計算出被測無源器件(Device Under Testing，簡稱 “DUT”)或被測有源器件(Amplifier Under Testing，簡稱“AUT，，)的插入損耗(增益)、輸入駐波、輸出駐波、反向隔離等指標(biāo)，進(jìn)而能夠仿真被測器件在真實環(huán)境下的工作狀態(tài)。[0016]另外，S參數(shù)測量裝置還包含溫度檢測器及其相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述溫度檢測器一端與所述被測器件連接，檢測所述被測器件的溫度，另一端連接至相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 將檢測到的溫度經(jīng)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一端連接至所述中央控制器，將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的溫度傳輸至所述中央控制器。使得該S參數(shù)測量裝置能夠測量被測器件在大功率持續(xù)作用下溫度的變化以及燒穿分析。[0017]另外，S參數(shù)測量裝置還包含電壓檢測器、電流檢測器及各自相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述電壓檢測器一端與所述被測器件連接，檢測所述被測器件的電壓，另一端連接至相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將檢測到的電壓經(jīng)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一端連接至所述中央控制器，將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電壓傳輸至所述中央控制器。所述電流檢測器一端與所述被測器件連接，檢測所述被測器件的電流，另一端連接至相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將檢測到的電流經(jīng)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一端連接至所述中央控制器，將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電流傳輸至所述中央控制器。使得該S參數(shù)測量裝置能夠?qū)Ρ粶y器件在大功率持續(xù)作用下的電流、電壓變化進(jìn)行檢測。[0018]另外，S參數(shù)測量裝置外接電腦，中央控制器將測量到的S參數(shù)輸出給外接的電腦進(jìn)行分析。使得所有的測試均可由自動化測試軟件來完成。有了前臺的測試數(shù)據(jù)，測試者可以根據(jù)器件的測試要求及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用要求來進(jìn)行各種性能分析，如溫度隨功率的變化、S21隨時間的變化等等。最終測試結(jié)果也可以在后臺進(jìn)行各種分析并以Excel格式輸出測試報告。


[0019]圖1是通用的通用二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖；[0020]圖2是根據(jù)本實用新型第一實施方式的S參數(shù)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；[0021]圖3是根據(jù)本實用新型第一實施方式中的S參數(shù)測量示意圖；[0022]圖4是根據(jù)本實用新型第一實施方式中的測量功率放大器在不同功率等級下的 S11的仿真圖；[0023]圖5是根據(jù)本實用新型第一實施方式中的測量功率放大器在不同輸出功率時增益及其變化量的仿真圖；[0024]圖6是根據(jù)本實用新型第一實施方式中的測量無源器件在不同功率等級下的S21 參數(shù)及其變化量的仿真圖；[0025]圖7是根據(jù)本實用新型第一實施方式中的測量功率放大器在不同輸出功率等級下的S22的仿真圖；[0026]圖8是根據(jù)本實用新型第二實施方式的S參數(shù)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖9是根據(jù)本實用新型第二實施方式中的檢測無源器件在大功率的持續(xù)作用下溫度的變化以及燒穿分析仿真圖；[0028]圖10是根據(jù)本實用新型第二實施方式中的測量并分析功率放大器的溫度及其變化量的仿真圖。
具體實施方式
[0029]本實用新型的第一實施方式涉及一種S參數(shù)測量裝置。本實施方式中的S參數(shù)測量裝置實際上是一臺大功率、大動態(tài)范圍的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其測試功率可以從毫瓦級至千瓦級，測試頻率從2MHz至18GHz。本實施方式中的被測器件可以是有源器件，也可以是無源器件。[0030]本實施方式中的S參數(shù)測量裝置具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含2個信號發(fā)生器(101 與102)、4個功率檢波器(301,302,303與304)、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(401,402,403與404), 1 個中央控制器(501)、與被測器件相連的2個定向耦合器QOl與20 。該S參數(shù)測量裝置中所包含的所有器件均為功率容量大于預(yù)設(shè)門限的器件。[0031]每個信號發(fā)生器分別與一個定向耦合器相連；每個定向耦合器與2個功率檢波器連接，每個功率檢波器分別連接一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器均連接至中央控制器。也就是說，如圖2所示，信號發(fā)生器101與定向耦合器201相連接，信號發(fā)生器102與定向耦合器202相連接。定向耦合器201和定向耦合器202接至被測器件。功率檢波器301和功率檢波器302與定向耦合器201相連，功率檢波器303和功率檢波器304與定向耦合器202 相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換器401與功率檢波器301相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器402與功率檢波器302相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器403與功率檢波器303相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器404與功率檢波器304相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換器401、模數(shù)轉(zhuǎn)換器402、模數(shù)轉(zhuǎn)換器403、模數(shù)轉(zhuǎn)換器404均接至中央控制器501。[0032]4個功率檢波器將2個信號發(fā)生器分別輸出不同功率信號時檢測到的被測器件的 %、％、bp ID2分別輸入到與本功率檢波器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，供該模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給中央控制器，由中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的A^yb1和Iv 測量S參數(shù)。其中， 為端口 1的入射波；a2為端口 2的入射波辦為端口 1的反射波；b2為端口 2的反射波。[0033]具體地說，S參數(shù)包含S11A21A2^S1215 S11表示向端口 1注入信號時端口 1的反射信號，此時端口 2沒有信號輸入(即 為0) ；S21表示向端口 1注入信號時出現(xiàn)在端口 2的信號，此時端口 2沒有信號輸入各2表示向端口 2注入信號時端口 2的反射信號，此時端口 1沒有信號輸入(即 為0) ；S12表示向端口 2注入信號時測量到的出現(xiàn)在端口 1的信號， 此時端口 1沒有信號輸入。[0034]也就是說，S11表示當(dāng)接端口 1的信號發(fā)生器101工作，接端口 2的信號發(fā)生器102 作為匹配負(fù)載時，端口 1的電壓反射系數(shù)；S21表示當(dāng)接端口 1的信號發(fā)生器101工作，接端口 2的信號發(fā)生器102作為匹配負(fù)載時，從端口 1到端口 2的傳輸系數(shù)，即增益或損耗。S22 表示當(dāng)接端口 1的信號發(fā)生器101作為匹配負(fù)載，接端口 2的信號發(fā)生器102工作時，端口 2的電壓反射系數(shù)；S12表示當(dāng)接端口 1的信號發(fā)生器101作為匹配負(fù)載，接端口 2的信號發(fā)生器102工作時，從端口 2到端口 1的傳輸系數(shù)，即反向隔離或損耗。[0035]其中，功率檢波器301將檢測到的％傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器401中，功率檢波器302 將檢測到的h傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器402中，功率檢波器303將檢測到的ID2傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器 403中，功率檢波器304將檢測到的％傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器404中，如圖3所示。由中央控制器501根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的bp B1測量Sn，
權(quán)利要求1.一種S參數(shù)測量裝置，其特征在于，包含2個信號發(fā)生器、4個功率檢波器、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個中央控制器和與被測器件相連的2個定向耦合器；每個所述信號發(fā)生器分別與一個所述定向耦合器相連；每個所述定向耦合器與2個所述功率檢波器連接，每個所述功率檢波器分別連接一個所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器均連接至所述中央控制器；所述2個信號發(fā)生器、4個功率檢波器、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個中央控制器和2個定向耦合器均為功率容量大于預(yù)設(shè)門限的器件；所述4個功率檢波器將所述2個信號發(fā)生器分別輸出不同功率信號時檢測到的被測器件的^j2I1I2分別輸入到與本功率檢波器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，供該模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給所述中央控制器，由所述中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的 B1, B2^b1和b2，測量S參數(shù)；其中，所述 為端口 1的入射波；所述 為端口 2的入射波；所述ID1為端口 1的反射波；所述1 為端口 2的反射波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述S參數(shù)包含Sn、S21,S22,Si2 ；其中，S11表示向端口 1注入信號時端口 1的反射信號，此時端口 2沒有信號輸入； S21表示向端口 1注入信號時出現(xiàn)在端口 2的信號，此時端口 2沒有信號輸入； ^表示向端口 2注入信號時端口 2的反射信號，此時端口 1沒有信號輸入； S12表示向端口 2注入信號時測量到的出現(xiàn)在端口 1的信號，此時端口 1沒有信號輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于，K所述中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的bp 測量所述sn，其中，=— ；a,1 a2=0所述中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的b2、B1測量所述S21，其中，S21 =—αχ η丄 ^2 =0所述中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的b2、a2測量所述S22，其中，S22 =—Ci2 nL αλ= c K所述中央控制器根據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的bp a2測量所述S12，其中，^2 =— α1=0O
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述信號發(fā)生器輸出信號的功率范圍在毫瓦級至千瓦級之間，頻率范圍在2MHz至 40GHz之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述S參數(shù)測量裝置還包含溫度檢測器和與該溫度檢測器相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述溫度檢測器一端與所述被測器件連接，檢測所述被測器件的溫度，另一端連接至所述相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將檢測到的溫度經(jīng)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述與該溫度檢測器相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一端連接至所述中央控制器，將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的溫度傳輸至所述中央控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述S參數(shù)測量裝置還包含電壓檢測器、電流檢測器、與該電壓檢測器相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、與該電流檢測器相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述電壓檢測器一端與所述被測器件連接，檢測所述被測器件的電壓，另一端連接至相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將檢測到的電壓經(jīng)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述與該電壓檢測器相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一端連接至所述中央控制器，將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電壓傳輸至所述中央控制器；所述電流檢測器一端與所述被測器件連接，檢測所述被測器件的電流，另一端連接至相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將檢測到的電流經(jīng)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述與該電流檢測器相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一端連接至所述中央控制器，將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電流傳輸至所述中央控制器。中央控制器，將檢測到的電流傳輸至所述中央控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于， 所述被測器件包含有源器件和無源器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的S參數(shù)測量裝置，其特征在于， 所述S參數(shù)測量裝置外接電腦；所述中央控制器將測量到的S參數(shù)輸出給外接的電腦進(jìn)行分析。
專利摘要本實用新型涉及微波領(lǐng)域，公開了一種S參數(shù)測量裝置。本實用新型中，S參數(shù)測量裝置內(nèi)所包含的2個信號發(fā)生器、4個功率檢波器、4個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個中央控制器和與被測器件相連的2個定向耦合器均為功率容量大于預(yù)設(shè)門限的器件。由于所有系統(tǒng)器件都采用大功率容量設(shè)計，因此可以測量出在大功率狀態(tài)下S參數(shù)的四個要素a1、a2、b1和b2，從而計算出DUT(或AUT)的插入損耗(增益)、輸入駐波、輸出駐波、反向隔離等指標(biāo)，進(jìn)而能夠仿真被測器件在真實環(huán)境下的工作狀態(tài)。進(jìn)一步地，S參數(shù)測量裝置還可以包含溫度檢測器、電壓檢測器、電流檢測器及各自對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以便于進(jìn)行溫度、電流、電壓變化的檢測。
文檔編號G01R31/00GK202256521SQ20112032980
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者朱輝, 瞿純昊 申請人:朱輝, 瞿純昊