一種天饋線測試儀及延伸器件誤差修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天饋線測試儀、以及利用所述天饋線測試儀完成的延伸器件誤差修正方法。所述天饋線測試儀，包括信號合成模塊、功分器、定向耦合器、測試端口、幅相接收機模塊、FPGA數(shù)字中頻處理器和CPU控制器，其中：信號合成模塊，包括激勵信號源和本振信號源；幅相接收機模塊，包括一個R通道和一個A通道，在R通道和A通道后方各設(shè)置一個A/D轉(zhuǎn)換模塊。在測量過程中先在儀器的測試端口完成校準(zhǔn)后，再接上延伸器件的情況下，通過利用本發(fā)明中的天饋線測試儀對延伸器件的傳輸參數(shù)進行測量，根據(jù)電纜的理論損耗公式，利用延伸器件的傳輸參數(shù)對延伸器件接被測件的測試數(shù)據(jù)進行修正，無需重新校準(zhǔn)，從而提高了測量精度和測試效率。
【專利說明】一種天饋線測試儀及延伸器件誤差修正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天饋線測試儀、以及在接入延伸器件時利用天饋線測試儀完成的延伸器件誤差修正方法。

【背景技術(shù)】
[0002]天饋線測試儀，由于其硬件系統(tǒng)的不完善性，存在系統(tǒng)誤差。目前，天饋線測試儀在測量之前必須先進行校準(zhǔn)，以對系統(tǒng)誤差進行修正。天饋線測試儀的系統(tǒng)誤差可用一個具有三項誤差系數(shù)的誤差模型來表示，如圖1所示:三個誤差系數(shù)項分別為Ed(方向性)、Es (源匹配)和民(反射跟蹤)，a為入射波，b為反射波，Γπ為測量反射系數(shù)，Γ為實際反射系數(shù)。
[0003]通過公式(9)可以得到誤差系數(shù)項、反射系數(shù)測量值、反射系數(shù)實際值的關(guān)系，即:
[0004]Γ m = Ed- (EdEs-Er) Γ +Es Γ m Γ (9)
[0005]現(xiàn)有的校準(zhǔn)與誤差修正方法有兩種:機械校準(zhǔn)和電子校準(zhǔn)。
[0006]機械校準(zhǔn)過程為:依次連接開路器、短路器、負(fù)載到測試端口，獲得由3個公式(9)方程式組成的方程組，進行方程組求解得到誤差系數(shù)項。
[0007]電子校準(zhǔn)過程為:連接電子校準(zhǔn)件到測試端口，電子校準(zhǔn)件內(nèi)部通過電子開關(guān)形成各種電子標(biāo)準(zhǔn)，獲得由公式(9)組成的方程組，進行方程組求解得到誤差系數(shù)項。在后面的測試中使用誤差系數(shù)項對測量值同樣使用公式(9)進行誤差修正得到正確的測量值。
[0008]但在很多的實際測量情形中，無法在被測件的測試端面進行校準(zhǔn)，例如探針測量、或是使用了電纜等延伸線后導(dǎo)致測試端口與校準(zhǔn)件不匹配等。這種情況下，目前僅在儀器的測試端口進行校準(zhǔn)，把延伸器件和被測件當(dāng)作一個整體進行測量，忽略了延伸器件造成的影響，由于被測件的測試端面和校準(zhǔn)端面不一致，而存在較大的誤差。另外，若延伸器件端面可以進行校準(zhǔn)，天饋線測試儀可以在延伸器件端面重新校準(zhǔn)，以提高測量精度，然而效率較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種天饋線測試儀，在儀器完成校準(zhǔn)后，再接延伸器件時，無需重新校準(zhǔn)就可以修正因校準(zhǔn)端面和測試端面不一致而造成的誤差，利于提高測試精度和測試效率。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種天饋線測試儀，包括信號合成模塊、功分器、定向耦合器、測試端口、幅相接收機模塊、FPGA數(shù)字中頻處理器和CPU控制器，其中:
[0012]信號合成模塊，包括激勵信號源和本振信號源；
[0013]幅相接收機模塊，包括一個R通道和一個A通道，在R通道和A通道后方各設(shè)置一個A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0014]激勵信號源，用于產(chǎn)生激勵信號，并將產(chǎn)生的激勵信號發(fā)送至功分器；
[0015]功分器，用于將所述激勵信號功分為兩路，一路作為參考信號送入R通道表征入射波，另一路經(jīng)定向耦合器加到測試端口上作為被測件的激勵信號；
[0016]定向耦合器，用于將從測試端口得到的被測件的反射波分離出來送入A通道；
[0017]本振信號源，用于產(chǎn)生與激勵信號源同步的頻差固定的本振信號，并將產(chǎn)生的本振信號分別送入R通道和A通道；
[0018]進入R通道和A通道的信號分別與本振信號進行基波混頻，輸出中頻信號；
[0019]A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于對所述中頻信號進行放大濾波和數(shù)字化，轉(zhuǎn)化為數(shù)字化中頻信號;
[0020]FPGA對數(shù)字化中頻處理器，用于對所述數(shù)字化中頻信號進行I/Q分解和濾波，提取被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息，并發(fā)送給CPU控制器；
[0021]CPU控制器,一方面用于控制信號合成模塊產(chǎn)生射頻信號，另一方面用于對被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息進行比值運算、誤差修正，求出被測網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)。
[0022]進一步，上述CPU控制器還連接有通信接口。
[0023]此外，本發(fā)明還提出了一種延伸器件誤差修正方法，其采用如下技術(shù)方案:
[0024]一種延伸器件誤差修正方法，采用上述天饋線測試儀，在接入延伸器件的測試中，
[0025]將延伸器件等效于一段有耗傳輸線，其長度為I，則散射參數(shù)矩陣S為:
[0026]
_I_r(Z-Z(;)sinh(;//) 2ΖΖ(! ? ⑴
2ZZ0 cosh(f/) + (Z2 + Zn2 )sinh(;//)2ZZn(Z2 - Zn2 )sinh(;//)
[0027]式中，Z、Z0分別表示傳輸線和儀器端口的阻抗，Y = a +j β，α、β分別表示傳輸線的損耗和延時；
[0028]當(dāng)Z = Z(1時，該段傳輸線的散射參數(shù)矩陣簡化為:

5*,, I 「O e—yl ",、
[0029][5]= 11 12 =⑵
_?21 O22」[e ζ O
[0030]儀器本質(zhì)是進行反射參數(shù)的測量，其測量值可由公式(3)式表達:
[0031]rm = S21.Γ.S12 = e_2Yl.Γ (3)
[0032]式中，rm表不儀器測量值，r表不被測件的真實值，S21、S12表不延伸器件的正向和反向傳輸參數(shù)；
[0033]在進行端口延伸時，先使延伸器件末端懸空，測量空氣開路，近似認(rèn)為Γ = I ;這樣獲得的測量值rml為:
[0034]rml = e_2Yl (4)
[0035]由rml可獲得延伸器件的插入損耗Loss為:
[0036]Loss = 1log10 Γ ml (5)
[0037]利用公式(5)，對Γ ml的幅值部份進行修正，修正過程如下:
[0038]①由公式(5)獲得各頻點的損耗值，計為Loss1 ；
[0039]②采用最小二乘法對Loss1進行直線擬合，之后選擇1/4和3/4掃寬處的兩個頻點，代入式(6)、(7)中，獲得所有頻點的損耗值，計為Loss2:
[0040]Loss( f) = Loss\*( j^-^)" (6)
- Lossl
1Og1 7~rr ?Lossl /γτ\
[0041]η --7~廠 (7).細(xì)2
[0042]③將Loss2重新代入公式(5)中，獲得修正后Γ ml幅值；
[0043]再接上真實的被測件，這樣獲得的測量值Γπ2可由公式(8)式表達:
[0044]rm2 = e_2Yl*r (8)
[0045]將修正后的Γπ1幅值帶入⑶式中，得到被測件的真實值Γ。
[0046]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0047]本發(fā)明述及的天饋線測試儀，在測量過程中先在儀器的測試端口完成校準(zhǔn)后，再接上延伸器件的情況下，通過利用本發(fā)明中的天饋線測試儀對延伸器件的傳輸參數(shù)進行測量，根據(jù)電纜的理論損耗公式，利用延伸器件的傳輸參數(shù)對延伸器件接被測件的測試數(shù)據(jù)進行修正，無需重新校準(zhǔn)，從而提高了測量精度和測試效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中天饋線測試儀誤差系數(shù)模型示意圖；
[0049]圖2為本發(fā)明中天饋線測試儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖；
[0050]圖3為接入延伸器件的測試中信號傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型示意圖；
[0051]圖4為圖3中信號傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型簡化示意圖；
[0052]其中，1-信號合成模塊，2-功分器,3-定向I禹合器,4-測試端口，5-幅相接收機模塊，6-FPGA數(shù)字中頻處理器，7-CPU控制器，8-通信接口，9-激勵信號源，10-本振信號源。

【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明:
[0054]結(jié)合圖2所示，一種天饋線測試儀，包括信號合成模塊1、功分器2、定向耦合器3、測試端口 4、幅相接收機模塊5、FPGA數(shù)字中頻處理器6和CPU控制器7。
[0055]其中，信號合成模塊I，包括激勵信號源9和本振信號源10。
[0056]幅相接收機模塊5，包括一個R通道和一個A通道，在R通道和A通道后方各設(shè)置一個A/D轉(zhuǎn)換模塊。
[0057]激勵信號源9，用于產(chǎn)生激勵信號，并將產(chǎn)生的激勵信號發(fā)送至功分器2。
[0058]功分器2，用于將所述激勵信號功分為兩路，一路作為參考信號送入R通道表征入射波，另一路經(jīng)定向耦合器3加到測試端口 4上作為被測件的激勵信號。
[0059]定向耦合器3，用于將從測試端口得到的被測件的反射波分離出來送入A通道。
[0060]本振信號源10，用于產(chǎn)生與激勵信號源9同步的頻差固定的本振信號，并將產(chǎn)生的本振信號分別送入R通道和A通道。
[0061]進入R通道和A通道的信號分別與本振信號進行基波混頻，輸出中頻信號。
[0062]A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于對中頻信號進行放大濾波和數(shù)字化，轉(zhuǎn)化為數(shù)字化中頻信號。
[0063]FPGA對數(shù)字化中頻處理器6，用于對所述數(shù)字化中頻信號進行I/Q分解和濾波，提取被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息，并發(fā)送給CPU控制器7。
[0064]CPU控制器7是整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理中心，一方面通過向信號合成模塊I上的CPLD發(fā)送數(shù)字信號來控制該模塊產(chǎn)生射頻信號，另一方面用于對被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息進行比值運算、誤差修正，求出被測網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)。
[0065]此外，CPU控制器7還連接有通信接口 8，用于實現(xiàn)上位機對天饋線測試儀的遠(yuǎn)程控制功能，當(dāng)然，天饋線測試儀還可以將測量結(jié)果通過通信接口 8傳至上位機。
[0066]本發(fā)明還提出了一種延伸器件誤差修正方法，其采用如下技術(shù)方案:
[0067]一種延伸器件誤差修正方法，采用上述的天饋線測試儀，在使用了延伸器件的測試中，信號傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型如圖3所示:
[0068]將延伸器件等效于一段有耗傳輸線，其長度為I，則散射參數(shù)矩陣S為:
_I_Uz2-Zi; )^nh(yl) 2ZZ,, I (1)
0069— 2ZZ? cosh( κ/) + (Z2 + Zt)2 )sinh(;//) [ 2ZZ(I(Z2 — Z": )Sinh(;//)」
[0070]式中，Z、Z0分別表示傳輸線和儀器端口的阻抗，Y = a +j β，α、β分別表示傳輸線的損耗和延時；
[0071]當(dāng)Z = Ztl時，該段傳輸線的散射參數(shù)矩陣簡化為:
'5,, Sp I 「O e—rl ' ,,
[0072][5*]=— = _yl⑵
21 22^ U
[0073]此時，信號傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型可以簡化為圖4所示，
[0074]儀器本質(zhì)是進行反射參數(shù)的測量，其測量值可由公式(3)式表達:
[0075]rm = S21.Γ.S12 = e-2Yl.Γ (3)
[0076]式中，rm表不儀器測量值，r表不被測件的真實值，s21、S12表不延伸器件的正向和反向傳輸參數(shù)；
[0077]在進行端口延伸時，先使延伸器件末端懸空，測量空氣開路，近似認(rèn)為Γ = I ;這樣獲得的測量值rml為:
[0078]rml = e_2Yl (4)
[0079]在計算被測件的真實值Γ前，先利用電纜的理論損耗公式對Γ ml的幅值部份進行修正:
[0080]由rml可獲得延伸器件的插入損耗Loss為:
[0081]Loss = 1log10 rml| (5)
[0082]由于延伸器件接空氣開路時其轉(zhuǎn)接處存在一定的反射，所以測得的Loss值表現(xiàn)為一條波動遞減的曲線，為了去除波動以接近真實值，利用公式(5)，對Γπ1的幅值部份進行修正，
[0083]Γ μ的幅值修正過程為:
[0084]①由公式(5)獲得各頻點的損耗值，計為Loss1 ；
[0085]②采用最小二乘法對Loss1進行直線擬合，之后選擇1/4和3/4掃寬處的兩個頻點，代入式(6)、(7)中，獲得所有頻點的損耗值，計為Loss2:
[0086]Loss( f) = Laswl * ( / )n(b)


Jreq \.Lossl
1Og1O 7~^
Γ nLossl /n\
[0087]n =-7—廠 (7)
logl(1f4

freql
[0088]③將Loss2重新代入公式(5)中，獲得修正后Γ ml幅值；
[0089]再接上真實的被測件，這樣獲得的測量值Γπ2可由公式(8)式表達:
[0090]rm2 = e_2Yl*r (8)
[0091]將修正后的Γπ1幅值帶入⑶式中，得到被測件的真實值Γ。
[0092]根據(jù)上述端口延伸的原理，天饋線測試儀的端口延伸步驟如下:
[0093]①在測試端口完成校準(zhǔn)過程，打開誤差修正；
[0094]②進入端口延伸菜單，按屏幕提示連接延伸器件，點擊“測量開路”;
[0095]③等待測量完成后，儀器自動進行端口延伸相關(guān)計算，并打開端口延伸誤差修正。
[0096]相比現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明中的天饋線測試儀能夠?qū)y量中使用了延伸器件等而引入的損耗和相位誤差進行修正，無需重新校準(zhǔn)，提高了測量精度和測試效率。
[0097]當(dāng)然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實施例，應(yīng)當(dāng)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護。
【權(quán)利要求】
1.一種天饋線測試儀，其特征在于，包括信號合成模塊、功分器、定向耦合器、測試端口、幅相接收機模塊、FPGA數(shù)字中頻處理器和CPU控制器，其中: 信號合成模塊，包括激勵信號源和本振信號源； 幅相接收機模塊，包括一個R通道和一個A通道，在R通道和A通道后方各設(shè)置一個A/D轉(zhuǎn)換模塊； 激勵信號源，用于產(chǎn)生激勵信號，并將產(chǎn)生的激勵信號發(fā)送至功分器； 功分器，用于將所述激勵信號功分為兩路，一路作為參考信號送入R通道表征入射波，另一路經(jīng)定向耦合器加到測試端口上作為被測件的激勵信號； 定向耦合器，用于將從測試端口得到的被測件的反射波分離出來送入A通道； 本振信號源，用于產(chǎn)生與激勵信號源同步的頻差固定的本振信號，并將產(chǎn)生的本振信號分別送入R通道和A通道； 進入R通道和A通道的信號分別與本振信號進行基波混頻，輸出中頻信號； A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于對所述中頻信號進行放大濾波和數(shù)字化，轉(zhuǎn)化為數(shù)字化中頻信號；FPGA數(shù)字化中頻處理器，用于對所述數(shù)字化中頻信號進行I/Q分解和濾波，提取被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息，并發(fā)送給CPU控制器； (PU控制器，一方面用于控制信號合成模塊產(chǎn)生射頻信號，另一方面用于對被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息進行比值運算、誤差修正，求出被測網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天饋線測試儀，其特征在于，所述CPU控制器還連接有通信接口。
3.—種延伸器件誤差修正方法，采用如權(quán)利要求1所述的天饋線測試儀，其特征在于，在接入延伸器件的測試中， 將延伸器件等效于一段有耗傳輸線，其長度為I，則散射參數(shù)矩陣S為:rciIr(Z2--Zn2)sinh(y/) 2ΖΖ0 ?..1ol =-^^--U)2ΖΖ(Ι cosh(y/) + (Z" + Ζ(； )sinh(;//) [ 2ZZn(Z2 - Z0" )sinh(;//) 式中，Ζ、Ztl分別表示傳輸線和儀器端口的阻抗，Y = a+ji3，α、β分別表示傳輸線的損耗和延時； 當(dāng)Z = Ztl時，該段傳輸線的散射參數(shù)矩陣簡化為:
「5^ & I 「O e—r! I ,.[S]= 11 12 =2)
L^21 ^22」k ο _ 儀器本質(zhì)是進行反射參數(shù)的測量，其測量值可由公式(3)式表達: r m = S21.Γ.S12 = e_2Yl.Γ (3) 式中，Γπ表示儀器測量值，Γ表示被測件的真實值，S21、S12表示延伸器件的正向和反向傳輸參數(shù)； 在進行端口延伸時，先使延伸器件末端懸空，測量空氣開路，近似認(rèn)為Γ = I ;這樣獲得的測量值Γπ1為:
Γml = e 2γ1 (4) 由Γπ1可獲得延伸器件的插入損耗Loss為:
Loss = 1log10I rml I (5) 利用公式(5)，對Γπ1的幅值部份進行修正，修正過程如下: ①由公式(5)獲得各頻點的損耗值，計為Loss1； ②采用最小二乘法對Loss1進行直線擬合，之后選擇1/4和3/4掃寬處的兩個頻點，代入式(6)、(7)中，獲得所有頻點的損耗值，計為Loss2:
Loss( /.) = Loss I * (^~Y (O)

f1-eq\
t Lossl
1g10 7~Γ
Lossl ?η\ η =-7— {().細(xì)2 ③將Loss2重新代入公式(5)中，獲得修正后Γμ幅值； 再接上真實的被測件，這樣獲得的測量值Γπ2可由公式(8)式表達: rffl2 = e-2Yl.Γ (8) 將修正后的Γπ1幅值帶入(8)式中，得到被測件的真實值Γ。
【文檔編號】G01R31/00GK104316785SQ201410524341
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】鄭恢康, 孫林, 祝林林 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所