用于测量散射参数的耦合组件、数据测定装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于测量散射参数的数据测定装置，包括耦合组件和矢量网络分析仪，耦合组件包括第一探头、第二探头、与第一探头连接的第一端口及与第二探头连接的第二端口；第一探头、第二探头分别用于耦合被测件的射频信号；矢量网络分析仪输出端口用于与被测件的公共输入端口连接，输入端口与耦合组件的第一端口或第二端口连接，用于测量被测件公共输入端口至第一探头、第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数。采用上述传输系数和延迟系数，计算被测件的散射参数。通过上述方式，本发明能够在不改变被测件工作状态的情况下，对被测件的散射参数进行测量。
【专利说明】用于测量散射参数的耦合组件、数据测定装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波测量领域，特别是涉及一种用于测量散射参数的耦合组件、数据测定装置及方法。
【背景技术】
[0002]散射参数测量是射频微波领域常见的测量手段，对于多端口微波网络而言，散射参数包括端口的反射系数和端口间的隔离度。通过测量端口的散射参数，可以评估端口处的匹配状态以及端口与端口之间的相互耦合。矢量网络分析仪是散射参数的主要测量仪表，因仪表测试端口通常是同轴类型的，因此在测量被测件散射参数时，需要在被测件上安装射频接头，通过射频电缆将射频接头与矢量网络分析仪连接。
[0003]图1是现有测量散射参数一实施例的电路连接图，如图1所示，被测件11包括一段微带线111，为测试微带线111的散射参数，需使用包括微带线211、212和射频接头213、214的过渡件将被测件11通过电缆与矢量网络分析仪器31连接。若需获得微带线111参考面a处的散射参数，需采用“去嵌入”或“TRL校准”等技术，以消除射频接头等过渡件带来的影响。当被测件11是某个完整的微带功分网络的一部分，按上述常规的测量方法，需破坏微带功分网络的完整性，在测量位置插入用于测量的接头，此方式会影响测试结果，产生不利因素。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题是提供一种用于测量散射参数的耦合组件、数据测定装置及方法，以便在不改变被测件工作状态的情况下，对被测件的散射参数进行测量。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种用于测量散射参数的耦合组件，包括第一探头、第二探头、与第一探头连接的第一端口及与第二探头连接的第二端口 ；第一探头、第二探头分别用于耦合被测件的射频信号以使射频信号用于散射参数的测量。
[0006]其中，耦合组件包括用于设置第一探头、第二探头、第一端口及第二端口的基板。
[0007]其中，基板上可以设有被测件，即被测件与第一探头、第二探头、第一端口及第二端口设于同一基板上。
[0008]其中，第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于1/2被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于O小于被测件的总长度；第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号，且第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种用于测量散射参数的数据测定装置，包括耦合组件和矢量网络分析仪；耦合组件包括第一探头、第二探头、与第一探头连接的第一端口及与第二探头连接的第二端口 ；第一探头、第二探头分别用于耦合被测件的射频信号；矢量网络分析仪输出端口用于与被测件的公共输入端口连接，输入端口与耦合组件的第一端口或第二端口连接，用于测量被测件公共输入端口至第一探头或第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，所述传输系数和延迟系数用于所述散射参数的测量。
[0010]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种用于测量散射参数的方法，包括步骤:测定第一探头、第二探头及被测件的公共输入端口、输出端口形成的4端口微波网络中被测件公共输入端口到第一探头、第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，其中，第一探头和第二探头用于耦合被测件的射频信号；根据传输系数和延迟系数计算被测件的散射参数。
[0011]其中，第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于1/2被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于O小于被测件的总长度；第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号，且且第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同。
[0012]其中，延迟系数的获得方式为电磁场仿真软件仿真或校准的矢量网络分析仪的测量。
[0013]其中，传输系数的获得方式为利用校准的矢量网络分析仪进行测量，其中，传输系数包括幅度和相位。
[0014]其中，第一探头靠近被测件的公共输入端口，第一探头对应被测件位置的反射系数等于-(S41-S31XG21)/(S41-S31XG12);第二探头对应被测件位置的反射系数等于-(S31-S41XG12)/(S41-S31XG21);其中，S31、S41为射频信号从被测件公共输入端口到第一探头、第二探头的传输系数，G12为射频信号从第一探头到第二探头的延迟系数，G21为射频信号从第二探头到第一探头的延迟系数。
[0015]其中，两个相同4端口微波网络其射频信号输入端口间的隔离度为(S81-S71XG12)/ (S41-S31 XG12);其中，S31、S41为一 4端口微波网络中射频信号从被测件公共输入端口到两个探头的传输系数，S81、S71为射频信号从一 4端口微波网络中被测件公共输入端口到另一 4端口微波网络中两个探头的传输系数，G12为一 4端口微波网络探头间的延迟系数，S31、S71所对应的探头与各自所在4端口微波网络中的其他探头相t匕，距所述公共输入端口的距离较近。
[0016]本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况，本发明在被测件附近设置第一探头和第二探头以形成4端口微波网络，其中，第一探头、第二探头用于耦合被测件的射频信号，通过测量4端口微波网络中被测件的公共输入端口到第一探头、第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，计算被测件的散射参数。通过上述方式，本发明能够在不改变被测件工作状态的情况下，对被测件的散射参数进行测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是现有测量散射参数一实施例的电路连接图；
[0018]图2是本发明散射参数测量方法一实施例的流程示意图；
[0019]图3是本发明数据测定装置测量散射参数时一实施例的电路连接图；
[0020]图4是图3所示实施例的原理图；
[0021]图5是本发明测量端口间隔离度一实施例的原理图；
[0022]图6是本发明耦合组件进行测量的原理图；
[0023]图7是本发明耦合组件测量微带线一实施例的结构示意图；[0024]图8是本发明耦合组件测量微带线另一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0026]本发明一较佳实施例中，用于测量散射参数的数据测定装置包括耦合组件和矢量网络分析仪。
[0027]其中，用于测量散射参数的耦合组件包括第一探头、第二探头、与第一探头连接的第一端口及与第二探头连接的第二端口。其中，第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号。且第一探头和第二探头设置时，第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于1/2被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于O小于被测件的总长度；同时，第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号，且第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同。
[0028]在具体应用过程中，第一探头和第二探头可设置于被测件径向的两侧或同侧。被测件内部电磁波的工作波长可根据被测件已知的相关参数推算得出。
[0029]第一探头、第二探头及被测件的公共输入端口、输出端口形成4端口微波网络。
[0030]矢量网络分析仪的输入端口与第一端口或第二端口连接，输出端与被测件的公共输入端口连接，用于测量4端口微波网络中被测件公共输入端口到第一探头或第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数。根据测得的传输系数和延迟系数计算被测件的散射参数。
[0031]在其他实施例中，若矢量网络分析仪为多端口矢量网络分析仪，则包括多个输入端口，各输入端口分别与第一端口和第二端口同时连接。
[0032]请参阅图2，图2是本发明散射参数测量方法一实施例的流程示意图，如图2所示，包括以下步骤:
[0033]步骤201，测定第一探头、第二探头及被测件的公共输入端口、输出端口形成的4端口微波网络中被测件公共输入端口到第一探头、第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，其中，第一探头和第二探头用于耦合被测件的射频信号。
[0034]其中，延迟系数的获得方式包括电磁场仿真软件仿真及校准的矢量网络分析仪的测量。传输系数的获得方式为校准的矢量网络分析仪的测量，采用校准的矢量网络分析仪测量得到的传输系数包括幅度和相位。
[0035]步骤202，根据传输系数和延迟系数计算被测件的散射参数。
[0036]在本实施例中，被测件为一均匀传输线，在均匀传输线中设置两个测试点，测试点附近设置第一探头和第二探头，第一探头、第二探头与均匀传输线之间可以通过电容或电感进行弱耦合，通常将耦合量级设计为小于_20dB，以减弱对均匀传输线特性的影响。
[0037]其中，第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于1/2被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于O小于被测件的总长度；同时，第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号，且第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同。在具体应用过程中，第一探头和第二探头可设置于被测件径向的两侧或同侧。
[0038]通过校准的矢量网络分析仪测量被测件公共输入端口到第一探头和第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，然后根据经理论推导得出的计算公式计算被测件的散射参数。
[0039]请参阅图3，图3是本发明数据测定装置测量散射参数时一实施例的电路连接图，包括:被测件31、第一射频接头32、第二射频接头33、第一探头34、第二探头35、矢量网络分析仪36及负载37。
[0040]其中，被测件31包括传输线311，本实施例中的传输线311为均匀传输线。
[0041]本实施例的设置原理为，在均匀传输线311中设置两个测试点，利用经过校准的矢量网络分析仪36测量被测件公共输入端口到两个测试点的传输系数及测试点间的延迟系数，再利用相应的计算公式，获得测试点位置的散射参数。
[0042]具体为，传输线311两个测试点(参考面b、参考面c)附近设置第一探头34、第二探头35，第一探头34和第二探头35之间的距离为d。
[0043]传输线311输入端、输出端分别设有第一射频接头32、第二射频接头33。矢量网络分析仪36的输出端口通过电缆与第一射频接头32连接，其输入端口通过电缆连接一端口 38，该端口 38可分别与第一探头34或第二探头35连接以测试参考面b、参考面c处的传输系数及参考面b和参考面c间的延迟系数，即被测件公共输入端口到第一探头、第二探头的传输系数及第一探头，第二探头间的延迟系数。再根据本发明推导出的计算公式，得到参考面b、参考面c处的散射参数。
[0044]其中，第二射频接头33连接负载37。
[0045]为更详细的阐 述散射参数的测量过程，下面结合图3、图4进行说明。
[0046]图4是图3所示实施例的原理图，如图4所示，均匀传输线311附近设置两个相距为d的第一探头34和第二探头35，其中，d不等于1/2传输线311内部电磁波工作波长的整数倍，第一探头34和第二探头35分别与传输线311通过电容或电感的方式耦合。此结构形成4端口微波网络，其中，端口 I (Portl)、Port2分别位于传输线311的输入端、输出端，即第一射频接头32、第二射频接头33。Port3、Port4分别与第一探头34、第二探头35连接。
[0047]其中，Port I为公共输入端口。
[0048]利用图3所示矢量网络分析仪36可测量得到Portl到Port3、Port4的传输系数S31、S41，及Port2到Portl的延迟系数G12、Portl到Port2的延迟系数G21。
[0049]如图4所示，V1、V2为第一探头34、第二探头35对应传输线311位置的矢量电压，可由图3所示矢量网络分析仪36测得，其中，VI+、vr是Vl对应的入射波电压与反射波电压，V2+、V2_是V2对应的入射波电压与反射波电压。
[0050]现有传输线理论包括如下:
[0051]Vl=VI+νI (I)
[0052]V2=V2++V2_ (2)
[0053]V1+=V2+XG12 (3)
[0054]Vr=V2_XG21 (4)
[0055]G12=exp (j X AX d)为 Port2 到 Portl 的延迟系数，G21=exp (_j X AX d)为 Portl到Port2的延迟系数，A为均匀传输线的传播常数，± j为-1开根号的数值，G12=l/G21。
[0056]联合方程(I)~(4)，可以得到:
[0057]VF= (V2-V1XG21) / (G12-G21)[0058]Vl+= (V2-V1XG12) / (G21-G12)
[0059]V2-= (V1-V2XG12) / (G21-G12)
[0060]V2+= (V2-V1XG21) / (G12-G21)
[0061]其中，因第一探头34、第二探头35与传输线311之间是相互耦合的，因此，S31=KXV1, S41=KXV2，其中，K为耦合系数。
[0062]根据散射参数的定义及上述现有理论，可求得V2所在位置向负载37方向的反射系数为:Sllm=V27V2+=-(S31-S41XG12)/(S41-S31XG21), V2 所在位置对应的阻抗为:ZOX (1+Sllm)/(1-Sllm)。同理，可求得可求得Vl所在位置向负载37方向的反射系数为:S=Vl7Vl+=-(S41-S31XG21)/(S41-S31XG12)o
[0063]请参阅图5,图5是本发明测量端口间隔离度一实施例的原理图，如图5所示,包括第一传输线51、第二传输线52、第一探头53、第二探头54、第三探头55、第四探头56及2端口网络。
[0064]其中，第一传输线51的输入端、输出端分别连接Portl、Port2,第一探头53、第二探头54分别连接Port3、Port4。
[0065]第二传输线52的输入端、输出端分别连接Port5、Port6,第三探头55、第四探头56分别连接Port7、Port8。
[0066]其中，第一探头53和第二探头54之间的距离，第三探头55和第四探头56之间的距离均为d，d不等于1/2第一传输线51或第二传输线52工作波长的整数倍
[0067]其中，V1、V2分别为第一探头53、第二探头54对应第一传输线51位置的矢量电压，其中，V1\ vr是Vl对应的入射波电压与反射波电压，V2+、V2—是V2对应的入射波电压与反射波电压。
[0068]V5、V6分别为第三探头55、第四探头56对应第二传输线52位置的矢量电压，其中，V5+、V5_是V5对应的入射波电压与反射波电压，V6+、V6_是V6对应的入射波电压与反射波电压。
[0069]图5所不的原理图可测量Portl和Port5之间的隔尚度。测量原理与图4所不相同，经过类似的推导，可以得到:
[0070]V6-= (V6-V5XG21) / (G12-G21)
[0071]W= (V5-V6XG12) / (G21-G12)
[0072]V5-= (V6-V5XG12) / (G21-G12)
[0073]V5+= (V5-V6XG21) / (G12-G21)
[0074]分别测量公共输入端口 Portl到Port3和Port4的传输系数S31和S41，根据上述推导及图4所示实施例的推导，计算出Vl+= (S41-S31XG12)/ (G21-G12);再测量公共输入端口 Portl到Port7和Port8的传输系数S71和S81，根据推导，计算出V5_=(S81-S71XG12V(G21-G12)。根据 S 参数的定义，Protl 和 Port5 之间的隔离度 IS(V5=V57Vl+= (S81-S71XG12) / (S41-S31 XG12)。
[0075]请参阅图6，图6是本发明耦合组件进行测量的原理图，包括微带线61、第一探头62、第二探头63及Portl、Port2、Port3、Port4。其中，第一探头62和第二探头63之间的距离为d。
[0076]图6中探头的测量原理为，在均匀微带线61附近成对设置测量探头62、63，第一探头62、第二探头63可以使用蚀刻的方式印制在PCB上。通过测试公共输入端口 Portl到第一探头62、第二探头63的传输系数及第一探头62、第二探头63间的延迟系数，可计算得到均匀微带线61上第一探头62、第二探头63对应位置的散射参数。
[0077]请参阅图7，图7是本发明耦合组件测量微带线一实施例的结构示意图，包括被测件和测量装置。
[0078]其中，被测件包括基片711、微带线712，测量装置包括第一探头721、第二探头722。
[0079]其中，微带线712的输入端、输出端分别连有Portl、Port2，第一探头721、第二探头722分别连有Port3、Port4。
[0080]在本实施例中，具有特征阻抗ZO的均匀微带线712、第一探头721及第二探头722通过PCB蚀刻工艺制作在基片711上，探头之间的距离不等于1/2微带线712工作波长的整数倍，第一探头721及第二探头722通过与微带线712间的缝隙形成的等效电容与微带线712进行耦合，形成具有Portl?Port4的4端口微波网络。
[0081]请参阅图8，图8是本发明耦合组件测量微带线另一实施例的结构示意图，包括被测件和测量装置。
[0082]其中，被测件包括第一基片811和刻蚀在第一基片811上的微带线812。
[0083]测量装置包括第二基片821及刻蚀在第二基片821上的第一探头822和第二探头823。
[0084]其中，微带线812的输入端、输出端分别连有Portl、Port2，第一探头822、第二探头823分别连有Port3、Port4。
[0085]在本实施例中，具有特征阻抗ZO的均匀微带线812通过PCB蚀刻工艺制作在第一基片811上，第一探头822和第二探头823通过PCB蚀刻工艺制作在第二基片821上，探头之间的距离不等于1/2微带线812工作波长的整数倍，第二基片821在第一探头822和第二探头823之外的区域尽可能去除以减小对微带线812的影响，第一探头822和第二探头823通过与微带线812之间的间隙所形成的等效电容与微带线812进行耦合，形成具有Portl?Port4的4端口微波网络。
[0086]综上所述，本发明通过在被测件附近放置测量探头，避免将用于连接测试电缆的射频接头安装在被测件中，可在不改变被测件工作状态的情况下进行散射参数的测量。具体如下优点:
[0087]A.耦合组件制作成本低，适合应用于采用微带的各种微波电路散射参数的测量。
[0088]B.测量方法简单，不需要采用特殊的校准措施，只需获取耦合探头与微带线形成的4端口微波网络的传输系数即可。
[0089]C.可测频带宽，只要探头垂直于微带线的轴线之间的距离不等于1/2微带线工作波长的整数倍即可进行测量。
[0090]D.耦合探头使用PCB蚀刻工艺，尺寸精度高，一致性好。
[0091]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于测量散射参数的耦合组件，其特征在于，包括第一探头、第二探头、与第一探头连接的第一端口及与第二探头连接的第二端口； 所述第一探头、第二探头分别用于耦合被测件的射频信号以使所述射频信号用于散射参数的测量。
2.根据权利要求1所述的耦合组件，其特征在于，所述耦合组件包括用于设置所述第一探头、第二探头、第一端口及第二端口的基板。
3.根据权利要求2所述的耦合组件，其特征在于，所述基板上设置有被测件。
4.根据权利要求2或3所述的耦合组件，其特征在于，所述第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于1/2被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于O小于被测件的总长度； 其中，所述第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号，且第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同。
5.一种用于测量散射参数的数据测定装置，其特征在于，包括耦合组件和矢量网络分析仪； 所述耦合组件包括第一探头、第二探头、与第一探头连接的第一端口及与第二探头连接的第二端口 ；所述第一探头、第二探头分别用于耦合被测件的射频信号； 所述矢量网络分析仪输出端口用于与被测件的公共输入端口连接，输入端口与所述耦合组件的第一端口或第二端口连接，用于测量被测件公共输入端口至第一探头或第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，所述传输系数和延迟系数用于所述散射参数的测量。
6.一种用于测量散射参数的方法，其特征在于，包括以下步骤: 测定第一探头、第二探头及被测件的公共输入端口、输出端口形成的4端口微波网络中被测件公共输入端口到所述第一探头、第二探头的传输系数及第一探头和第二探头间的延迟系数，其中，所述第一探头和第二探头用于耦合被测件的射频信号； 根据所述传输系数和延迟系数计算被测件的散射参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于1/2被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于O小于被测件的总长度； 其中，所述第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号，且第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述延迟系数的获得方式为电磁场仿真软件仿真或校准的矢量网络分析仪的测量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述传输系数的获得方式为利用校准的矢量网络分析仪进行测量，其中，所述传输系数包括幅度和相位。
10.根据权利要求8或9任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一探头靠近被测件的公共输入端口，所述第一探头对应被测件位置的反射系数等于-(S41-S31XG21)/(S41-S31XG12)； 所述第二探头对应被测件位置的反射系数等于-(S31-S41XG12)/(S41-S31XG21)； 其中，S31、S41为射频信号从所 述被测件公共输入端口到所述第一探头、第二探头的传输系数，G12为射频信号从所述第一探头到第二探头的延迟系数，G21为射频信号从所述第二探头到第一探头的延迟系数。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，两个相同4端口微波网络其射频信号输入端口间的隔离度为(S81-S71XG12) / (S41-S31 XG12)； 其中，S31、S41为一 4端口微波网络中射频信号从所述被测件公共输入端口到两个探头的传输系数，S81、S71为射频信号从所述一 4端口微波网络中被测件公共输入端口到另一 4端口微波网络中两个探头的传输系数，G12为所述一 4端口微波网络探头间的延迟系数，S31、S71所对应的探头与各自所在4端口微波网络中的其他探头相比，距所述公共输入端口的距离较近。
【文档编号】G01R29/08GK103792435SQ201310753021
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】赖展军 申请人:京信通信技术(广州)有限公司