本發(fā)明涉及一種采用交流激勵(lì)測(cè)量微弱非線性電流-電壓特性的方法，尤其適用于在強(qiáng)背景中，對(duì)微弱非線性電流-電壓進(jìn)行測(cè)試，屬于微弱電信號(hào)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

器件的電流-電壓關(guān)系是一項(xiàng)關(guān)鍵的電學(xué)性能和指標(biāo)。器件的導(dǎo)電類型和機(jī)理通常都是通過(guò)電流-電壓關(guān)系來(lái)判斷的，而電流-電壓關(guān)系主要是用直流設(shè)備測(cè)量獲得的。對(duì)于微波領(lǐng)域中常用的連接器這類器件，當(dāng)用直流方式和設(shè)備測(cè)試其電流-電壓關(guān)系時(shí)，結(jié)果表明是線性的，即歐姆型的。而當(dāng)有兩路或兩路以上的大功率微波信號(hào)通過(guò)此類器件時(shí)，會(huì)有微弱的互調(diào)信號(hào)產(chǎn)生，這表明這類器件具有微弱的非線性導(dǎo)電行為。為了研究與微弱非線性導(dǎo)電行為相聯(lián)系的物理機(jī)理，需要對(duì)強(qiáng)線性背景中微弱的非線性電流-電壓關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。

受限于直流方式和測(cè)試設(shè)備自身的局限性，目前的直流設(shè)備無(wú)法測(cè)量到強(qiáng)線性背景中的微弱非線性電流-電壓特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種采用交流激勵(lì)測(cè)量微弱非線性電流-電壓特性的方法，通過(guò)采用交流電壓信號(hào)激勵(lì)待測(cè)件，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)的線性項(xiàng)和微弱非線性在頻率空間的分離，從而獲得比線性背景低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)的非線性電流-電壓特性；解決了傳統(tǒng)的直流方式和測(cè)試設(shè)備通用性較差的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種采用交流激勵(lì)測(cè)量微弱非線性電流-電壓特性的方法，包括如下步驟：

步驟一：串聯(lián)連接信號(hào)源、待測(cè)件和采樣電阻構(gòu)成激勵(lì)回路，并聯(lián)連接諧波測(cè)試儀和待測(cè)件構(gòu)成諧波測(cè)量回路；

步驟二：設(shè)定信號(hào)源輸出信號(hào)為正弦信號(hào)，并設(shè)定正弦信號(hào)頻率；

步驟三：改變信號(hào)源輸出信號(hào)的振幅U₀，通過(guò)諧波測(cè)試儀測(cè)量每個(gè)振幅U₀對(duì)應(yīng)的第n次諧波信號(hào)的振幅U_n，n為正整數(shù)；

步驟四：根據(jù)諧波測(cè)試儀的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)件電流-電壓關(guān)系中的各項(xiàng)系數(shù)G_n，其中，R為采樣電阻的阻值，U為待測(cè)件兩端的有效電壓，U＝U₀-(R+R_s)U₁/R，R_s為信號(hào)源內(nèi)阻；

步驟五：根據(jù)所述各項(xiàng)系數(shù)G_n計(jì)算待測(cè)件電流-電壓關(guān)系，線性的電流-電壓關(guān)系為I＝G₁V；非線性的電流-電壓關(guān)系為I＝G₂V²+G₃V³+…+G_nVⁿ，其中，I為電流，V為電壓。

在上述的一種采用交流激勵(lì)測(cè)量微弱非線性電流-電壓特性的方法中，所述信號(hào)源和諧波測(cè)試儀對(duì)外BNC接口的內(nèi)芯與外導(dǎo)體作為正負(fù)極，按照直流電路的方式連接。

所述信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)的頻率小于50KHz，且不取25Hz和50Hz的整數(shù)倍。

所述步驟三中，待測(cè)件的諧波最高階次n由諧波測(cè)試儀的測(cè)試極限和噪聲水平?jīng)Q定，即當(dāng)n階次諧波信號(hào)與諧波測(cè)試儀的測(cè)試極限或噪聲水平相同時(shí)，所述n階次諧波信號(hào)為最高次諧波信號(hào)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

1、本發(fā)明通過(guò)采用交流電壓信號(hào)激勵(lì)待測(cè)件，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)的線性項(xiàng)和微弱非線性在頻率空間的分離，從而獲得比線性背景低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)的非線性電流-電壓特性；解決了傳統(tǒng)的直流方式和測(cè)試設(shè)備通用性較差的問(wèn)題。

2、本發(fā)明采用低頻激勵(lì)信號(hào)，可以沿用直流測(cè)試方式中的分壓原理，簡(jiǎn)單實(shí)用，便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的實(shí)施。

3、本發(fā)明邏輯通順、思路清晰、設(shè)計(jì)合理，本領(lǐng)域技術(shù)人員按照本發(fā)明的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠快速準(zhǔn)確的測(cè)量出強(qiáng)線性背景中微弱的非線性電流-電壓關(guān)系。

4、本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整，測(cè)試過(guò)程安全可靠，而且優(yōu)化了操作空間，減輕了工作人員的操作負(fù)擔(dān)。

5、本發(fā)明的信號(hào)源、諧波測(cè)試儀和采樣電阻均為常規(guī)零件，拆裝方便、無(wú)需特制，而且便于維修和更換，大幅降低了生產(chǎn)成本。

6、本發(fā)明適用于多種工作環(huán)境，在復(fù)雜工況下依然能夠?qū)Ω鱾€(gè)器件的非線性導(dǎo)電行為進(jìn)行測(cè)量，可操作性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的流程圖

圖2為本發(fā)明的電路圖

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的諧波測(cè)試結(jié)果圖

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的線性和非線性部分的電流-電壓關(guān)系對(duì)比圖

其中：1信號(hào)源；2待測(cè)件；3諧波測(cè)試儀；4采樣電阻；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖1～2所示，一種采用交流激勵(lì)測(cè)量微弱非線性電流-電壓特性的方法，包括如下步驟：

步驟一：串聯(lián)連接信號(hào)源1、待測(cè)件2和采樣電阻4構(gòu)成激勵(lì)回路，并聯(lián)連接諧波測(cè)試儀3和待測(cè)件2構(gòu)成諧波測(cè)量回路；

步驟二：設(shè)定信號(hào)源1輸出信號(hào)為正弦信號(hào)，并設(shè)定正弦信號(hào)頻率；

步驟三：改變信號(hào)源1輸出信號(hào)的振幅U₀，通過(guò)諧波測(cè)試儀3測(cè)量每個(gè)振幅U₀對(duì)應(yīng)的第n次諧波信號(hào)的振幅U_n，n為正整數(shù)；

步驟四：根據(jù)諧波測(cè)試儀3的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)件2電流-電壓關(guān)系中的各項(xiàng)系數(shù)G_n，其中，R為采樣電阻4的阻值，U為待測(cè)件2兩端的有效電壓，U＝U₀-(R+R_s)U₁/R，R_s為信號(hào)源內(nèi)阻；

步驟五：根據(jù)所述各項(xiàng)系數(shù)G_n計(jì)算待測(cè)件2電流-電壓關(guān)系，線性的電流-電壓關(guān)系為I＝G₁V；非線性的電流-電壓關(guān)系為I＝G₂V²+G₃V³+…+G_nVⁿ，其中，I為電流，V為電壓。

所述信號(hào)源1和諧波測(cè)試儀3對(duì)外BNC接口的內(nèi)芯與外導(dǎo)體作為正負(fù)極，按照直流電路的方式連接。

所述信號(hào)源1輸出的正弦信號(hào)的頻率小于50KHz，且不取25Hz和50Hz的整數(shù)倍。

所述步驟三中，待測(cè)件2的諧波最高階次n由諧波測(cè)試儀3的測(cè)試極限和噪聲水平?jīng)Q定，即當(dāng)n階次諧波信號(hào)與諧波測(cè)試儀3的測(cè)試極限或噪聲水平相同時(shí)，所述n階次諧波信號(hào)為最高次諧波信號(hào)。

如圖3所示，本實(shí)施例由一個(gè)1kΩ電阻并聯(lián)一個(gè)二極管而成；測(cè)試時(shí)選用Stanford公司的SR830型鎖相放大器，該儀器能提供正弦信號(hào)輸出，輸出阻抗為50Ω，并能測(cè)試諧波，采樣電阻4的阻值為50Ω；正弦激勵(lì)信號(hào)的頻率設(shè)定為878Hz，振幅的變化范圍為0.01-0.16V；諧波按照階次從低到高的順序依次測(cè)量。

當(dāng)測(cè)試到第9次諧波時(shí)，諧波信號(hào)在整個(gè)區(qū)間都是震蕩的，與噪聲水平相當(dāng)，因此最高只測(cè)量到第9次諧波，且第9次諧波的測(cè)量結(jié)果計(jì)算時(shí)不予采納。

根據(jù)諧波測(cè)試結(jié)果計(jì)算電流-電壓關(guān)系式中的各項(xiàng)系數(shù)G_n，U_n為測(cè)量到的第n次諧波信號(hào)振幅，U為待測(cè)件2兩端的有效電壓，根據(jù)分壓原理，U＝U₀-(50+R_s)U₁/R，U₀為激勵(lì)信號(hào)的振幅，U₁為一次諧波即基波的振幅，R_s＝50Ω；根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算電流-電壓關(guān)系式中的各項(xiàng)系數(shù)的平均值見(jiàn)表1：

表1

如圖4所示，根據(jù)獲得的系數(shù)G_n計(jì)算得到的待測(cè)件2的電流-電壓關(guān)系，其中線性的電流-電壓關(guān)系由I＝G₁V計(jì)算獲得；非線性的電流-電壓關(guān)系由I＝G₂V²+G₃V³+G₄V⁴+G₅V⁵+G₆V⁶+G₇V⁷+G₈V⁸計(jì)算獲得，本發(fā)明能夠獲得比線性部分低3個(gè)數(shù)量級(jí)的非線性電流-電壓特性。

本發(fā)明的工作原理是：

待測(cè)件2對(duì)信號(hào)源1發(fā)出的交流電壓信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，這種響應(yīng)既有線性的，又有非線性的；非線性響應(yīng)通過(guò)諧波形式表現(xiàn)出來(lái)，諧波電流在采樣電阻4上產(chǎn)生電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的幅度可通過(guò)諧波測(cè)試儀3進(jìn)行測(cè)量，本發(fā)明選用的信號(hào)源1為低頻信號(hào)源(＜100KHz)，這類信號(hào)源的輸出端口是BNC接口，諧波測(cè)試儀3的連接端口也是BNC接口，由于信號(hào)的頻率很低，電壓信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電路回路的長(zhǎng)度，將BNC接口的內(nèi)芯導(dǎo)體和外芯導(dǎo)體作為直流電源的正負(fù)極，即可按照直流電路的方式進(jìn)行連接，利于測(cè)量。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未詳細(xì)描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。