专利名称：用于测量被测对象的波动参数的具有含至少两个端口的多端口的网络分析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量被测对象的波动参数的具有含至少两个端口的多端口的网络分析器、以及利用这种网络分析器测量被测对象的参数的相应方法。
背景技术：
具有多端口的网络分析器用于测量并由此通过其波动参数来表征被测对象。这里，也被称为S参数或杂散参数的该波动参数为多端口的相应端口规定了被馈入到相应端口的功率中有多少在被测对象上被反射或被传输到另一端口。为此，给常规的网络分析器馈送高频信号，其中在多端口的每个端口上的反射和透射被顺序地测量。也就是说，在每次测量时所述端口中只有一个端口被馈入高频信号，其中在被施加高频信号的端口上测量被反射的成分，在至少另一个端口上测量被透射的成分。这里，对所有的端口同时测量反射和透射是不可能的，因为会导致反射和透射的相应频谱的重叠。因此，对于动态的随时间快速变化的被测对象，不能使用常规的网络分析器，因为被测的杂散参数由于被测对象的动态而非常快速地变化，并因此需要同时测量所有的杂散参数。
发明内容
因此本发明的任务在于创造一种网络分析器和一种相应的测量方法，用它们能测量动态被测对象的杂散参数。该任务通过权利要求1所述的网络分析器和权利要求11所述的测量方法来解决。 本发明的改进在从属权利要求中被定义。本发明的网络分析器具有含至少两个端口的多端口，其中每个端口具有来自信号源的高频信号的馈入，并且被馈入到相应端口中的高频信号在被测对象上被反射的信号成分以及被馈入到至少另一个端口中的一个或多个高频信号通过所述被测对象透射到相应端口的信号成分能被测量作为相应端口的波动参数。这里，高频信号尤其被理解成频率为从IOOKHz开始向上一直到几百GHz范围的信号。本发明的网络分析器的特征在于，在所述网络分析器工作时所述多端口的至少两个端口被馈入不同的高频信号，其中在所述至少两个端口上同时测量所述高频信号的被反射和被透射的信号成分，且所述不同的高频信号的频率或频带被相互偏置一个频率偏移。 本发明以如下认识为基础通过相应的频率偏移可以达到合适地分开被反射和被透射的信号成分的谱，使得能够同时测量多个端口的所有杂散参数。利用这种方式可以检测动态快速变化的被测对象。这里，可以连续地测量被测对象的随时间变化的杂散参数。由于利用常规网络分析器顺序地测量杂散参数，动态被测对象的这种测量是不可能的。在本发明的网络分析器的优选实施方式中，所述高频信号之间的频率偏移在这里如此大，使得对每个端口而言，针对被反射和被透射的信号成分所测得的频谱不重叠。这可以通过以下方式来实现所述频率之间的差至少与以下总和一样大，该总和由反射谱与相应载频的最大频率偏差以及透射谱与相应的被偏置所述频率偏移的载频的最大频率偏差组成。利用这种方式确保了在两个频谱之间进行明确的分离。尽管如此，有时也可以允许频谱的重叠，尤其是在执行的测量中只对频谱的某些成分感兴趣时。为了尽可能避免杂散参数在频率依赖性情况下的测量讹误，在一种优选实施方式中，高频信号之间的频率偏移选得不太大。因此在一种变型中，所述频率偏移小于所述不同的高频信号的频带的最小和/或最大频率或中频。譬如，所述频率偏移小于或等于所述不同的高频信号的频带的最小和/或最大频率或中频的50%，优选小于或等于其25%，特别优选小于或等于其10%。在特别优选的实施方式中通过以下方式为所述的端口馈入不同的高频信号为所述至少两个端口的每个端口设置单独的信号源来馈给所述的端口。在本发明另一特别优选的扩展中，为所述多端口的每个端口设置混合器来将被馈入到相应端口的高频信号与被反射及被透射的信号成分进行混合。利用这种方式可以从被反射和被透射的信号成分中提取相应的信息，尤其是相应的I和Q参数的形式，从它们可以得到信号的幅度和相位。 在本发明的网络分析器的另一优选实施方式中，所述多端口的每个端口包括通过单独雷达进行馈给的波导，其中所述雷达的工作频率彼此相差所述的频率偏移。对于某些应用，例如对于气体涡轮旋转叶片的杂散参数的测量，所述雷达中的一个工作在80GHZ的频率而所述雷达中的另一个工作在80.01GHz，也即具有频率偏移10MHz，被证明是有意义的。除了上述网络分析器外，本发明另外还涉及一种测量装置，其包括这种网络分析器。这里，所述测量装置除了所述网络分析器外还包括一种根据由所述网络分析器测量的波动参数确定被测对象的一个或多个其它参数的分析单元。比如，所述分析单元可以在工作时根据所述波动参数确定被测对象离多端口的间隔和/或被测对象参照多端口的相对速度作为其它参数。这里，用于根据对象的波动参数求取如间隔和速度这样的物理量的相应方法长期以来是现有技术所公知的。譬如测量装置在上述应用中可以被用来测量气体涡轮的涡轮叶片的杂散参数。在该情形下，尤其确定涡轮叶片离涡轮外壳内壁的径向间隔或涡轮叶片参照该内壁的相对速度。除了上述网络分析器和基于该网络分析器的测量装置，本发明还涉及一种利用本发明的网络分析器测量被测对象的参数的方法。这里，所述网络分析器的所述多端口的至少两个端口被馈入不同的高频信号，并在所述至少两个端口上同时测量所述高频信号的被反射和被透射的信号成分，其中所述不同的高频信号的频率或频带被相互偏置一个频率偏移。这里，在一种优选扩展中，利用分析单元分析所述的波动参数以便确定被测对象的其它参数。类似于上述测量装置，这里可以根据所述波动参数确定被测对象离多端口的间隔和/ 或被测对象参照多端口的相对速度作为其它参数。如上已经讲述的，这种测量方法适合于测量气体涡轮的旋转叶片的特性。在该情形下，多端口优选地在叶片的旋转平面上被设置在涡轮外壳的内壁上，其中根据利用所述网络分析器测量的波动参数确定内壁和叶片之间的径向间隔。
下面借助附图来详细讲述本发明的实施例。图1示出现有技术的网络分析器的简要图示；
图2示出利用图1的分析器在同时测量两个谱时所获得的反射谱和透射谱的示例图； 图3示出根据本发明实施方式的网络分析器的简要图示；
图4A和4B示出在图3的网络分析器中所使用的高频源的或在网络分析器中所接收的反射与透射信号成分的频谱；以及
图5示出用于确定气体涡轮的涡轮叶片到涡轮外壳内壁的间隔的本发明测量装置的实施方式的简图。
具体实施例方式图1示出具有常规多端口电路的网络分析器的简图。所述分析器包括高频信号源 S，所述信号源发出频率为f_TX的高频信号。该信号通过开关SW分别被输入到两个信号支路中的一个，其中每个信号支路表示一个端口 Tl或T2，所述端口通过相应信号支路到被测对象M的过渡构成。这里被测对象M可以按照黑盒子的方式被视为具有未知特性的对象， 并因此被示为矩形。现在利用网络分析器执行的测量的目的是，通过端口 Tl或T2求出被测对象M的波动参数。这种也被称为S参数或杂散参数的波动参数给出了在端口上馈入的功率中有多少被反射或由一个端口被传输到另一端口并由此被透射。这里，在端口 Tl或T2 上的反射通过箭头R示出，相反，从一个端口到另一端口的透射通过半圆形的双箭头T来表
7J\ ο在两个端口 Tl和T2的每个信号支路中设置了 I/Q混合器MIl或MI2，其将由相应端口接收的信号与原始高频信号进行混合，以便由此确定被调制到高频信号上的信号成分。由于通过相同高频源S进行馈入，载频对于两个混合器是相同的，也就是混合器MIl 的f_TXl等于混合器MI2的f_TX2，并对应于高频源S的频率f_TX。于是，对于每次测量， 通过混合器获得反射或透射的相应I信号或Q信号，然后由此可确定信号成分的频谱。在图1的网络分析器中，对每个端口顺序地进行杂散参数的测量。为此首先通过开关SW将高频源S与端口 Tl相连，据此可以求出在该端口上的反射以及从端口 Tl到端口 T2的透射。接着切换开关SW，使得端口 T2与高频源S相连，据此测量在端口 T2上的反射以及信号从端口 T2到端口 Tl的透射。在测量其状态快速变化的动态对象时，经常希望同时求出每个端口的杂散参数，因为依次确定杂散参数会因为被测对象特性的动态变化而导致错误测量结果。然而，如果利用图1的网络分析器同时测量两个端口的杂散参数，也即将两个端口 Tl和T2同时与信号源S相连，那么就会获得这样一个信号，其谱不能推导出所述端口的各个透射或反射参数。这在图2中被展示，图2示例地示出了在同时测量两个端口时所述端口之一的被测频谱。这里横坐标上绘出了频率f，纵坐标上绘出了信号的幅度A。因为在通过两个端口同时测量时发出具有相同频率的信号，所以一个端口上的反射和透射的被接收的信号成分被转换成相同的频带。如从图2所看到的，由此对于信号成分产生反射谱 RS与透射谱TS的重叠。也即，输出谱是两个谱RS和TS的总和，从该总和再也不能反算出谱RS或TS。因此，在相应混合器的输出端上施加的复信号不能够将关于透射的信息与反射分离开来。
图3示出本发明网络分析器的实施方式的简图。类似于图1的网络分析器，该分析器也包括两个端口 Tl和T2，其被分配了相应的混合器MIl和MI2用于求出通过被测对象反射或透射的信号成分的I/Q参数。这里被测对象类似于图1被示为矩形M。同样，相应的反射或透射通过相同的箭头R或T来描绘。与图1的分析器的区别是，图3的分析器此时包括两个高频源Sl和S2。这里，高频源Sl馈给端口 Tl，高频源S2馈给端口 T2。高频源Sl工作在工作频率f_TXl，相反，高频源S2工作在不同的工作频率f_TX2，该工作频率f_TX2相对于源Sl的工作频率f_TXl被偏移。这里，在图4A中绘出了给端口馈送不同的频率。在频率f上绘出了信号幅度A的该图示出了高频源Sl的频谱Pl或高频源S2的频谱P2。人们知道每个谱由在频率f_TXl 或f_TX2时的相应尖峰组成，其中两个频谱相互隔开所述的偏移f_diff。由于频率偏移，现在可以在两个端口 Tl和T2上同时进行被反射或被透射的信号成分的测量。在这种测量中，混合器MIl参照频率^1乂1的基带求出从端口 Tl发出的高频信号的被反射的成分以及从端口 T2发出的高频信号的被透射的成分。类似地，混合器MI2参照频率f_TX2的基带求出从端口 T2发出的高频信号的被反射的成分以及从端口 Tl发出的高频信号的被透射的成分。由于频率偏移，被反射和被透射的成分的谱现在相互隔开，如示例地通过图4B中所述端口之一的频谱所示。通过合适地选择偏移，这里实现了被反射的信号成分RS的频谱不会与被透射的信号成分TS的频谱重叠，因为两个谱相互偏移f_diff。为了使不同载频引起的对谱的影响保持尽可能小，在一种优选实施方式中两个谱尽可能相互靠近，但它们不重叠。因此，频率偏移应该至少与以下的总和一样大，该总和由载频f_TXl的频谱的最大偏差与载频f_TX2的频谱的最大偏差组成。因而通过图3的网络分析器由于频率偏移达到了 反射和透射的信号成分被转换成相应混合器的输出谱的不同频带。这里，反射被映射到混合器的相应基带，相反，透射处于载频处，该载频为高频源Sl 和S2的发射信号之间的差频。由此产生两个不同的频谱，其可以针对每个端口同时和连续地被测量。利用这种方式完全可以检测动态的、随时间快速变化的被测对象。图5示出了本发明的网络分析器的应用的例子，其在测量系统中被用于求出气体涡轮的涡轮叶片到相应涡轮外壳的内壁的径向间隙。这里在图5中将涡轮叶片的片段标示为被测对象M，其中该叶片在纸平面内沿箭头P的方向运动。这里示出了涡轮叶片的邻近于涡轮外壳内壁的一个片段，所述叶片在该内壁中运动。这里在图5中用附图标记W表示该壁的片段。现在的目的是将网络分析器用于测量在快速运动的涡轮叶片和壁W之间的径向间隙d，以便识别有时出现的不平衡和抵制由于涡轮叶片与壁的接触而对涡轮的损害。为了测量，再次使用具有两个端口 Tl和T2的网络分析器，其中所述端口通过相应的波导构成，其以漏斗形开口 01和02终止于涡轮壁W内。类似于图3，通过波导发出的信号的反射或透射用相应的箭头R或T表示。这里每个波导被分配一个雷达传感器RAl或 RA2。雷达传感器RAl类似于图3包含有相应的高频源Sl和混合器Mil。同样雷达传感器 RA2包含有相应的高频源S2和相应的混合器MI2。这里，所述的高频源和混合器没有再次在图5中绘出。两个雷达传感器工作在不同的工作频率，其彼此相隔一个预定的频率偏移，这与图3相一致地通过高频源Sl和S2的不同频率来实现。这里，同时测量通过所述端口的波导
7发出的高频信号的透射和反射。对于在图5中示出的应用尤其采用CW雷达(CW=连续波)， 该CW雷达在传感器RAl中工作在80GHz的工作频率，在传感器RA2中工作在80. OlGHz的工作频率。也就是说，两个工作频率相互偏移IOMHz。因此在图5的实施方式中，对于在两个端口的每一个上的透射和反射同时产生相应的I/Q参数。这些参数在相应的A/D变换器 AD中被数字化并被输入到数字信号处理器ra。在图5的实施方式中，信号处理器PR负责求取在涡轮叶片和壁之间的径向间隙d 的大小。这里，采用长期以来为现有技术所公知的方法来求出该间隔，尤其可以借助于多普勒方法从频谱确定所述的间隔。因为从网络分析器的杂散参数确定间隔d的相应方法是已知的，所以不再详细讲述信号分析。除了径向间隙外，有时还可以测量其它参数，譬如涡轮叶片参照壁的相对速度。另外，本发明的测量装置并不局限于在图5中所示的物理量的测量，而是还可以测量其它量， 该其它量的变化体现为网络分析器的相应杂散参数的变化。本发明相较于公知网络分析器的主要优点在于，动态系统的快速变化的物理量现在也可以被合适地测量，因为能实现杂散参数的同时和连续的测量。
权利要求
1.一种用于测量被测对象(M)的波动参数的具有含至少两个端口(T1，T2)的多端口的网络分析器，其中每个端口(Τ1，Τ2)具有来自信号源(S1，S2)的高频信号的馈入，并且被馈入到相应端口(T1，T2)中的高频信号在被测对象上被反射的信号成分以及被馈入到至少另一个端口(Τ1，Τ2)中的一个或多个高频信号通过所述被测对象(M)透射到相应端口(Tl， Τ2)的信号成分能被测量作为相应端口(Tl，Τ2)的波动参数，其特征在于，在所述网络分析器工作时所述多端口的至少两个端口(Tl，Τ2)被馈入不同的高频信号，并在所述至少两个端口(T1，D)上同时测量所述高频信号的被反射和被透射的信号成分，其中所述不同的高频信号的频率(f_TXl，fTX2)或频带被相互偏置一个频率偏移(f_diff)。
2.如权利要求1所述的网络分析器，其特征在于，所述频率偏移(f_diff)如此大，使得对每个端口(T1，D)而言，针对被反射和被透射的信号成分所测得的频谱(RS，TS)不重叠。
3.如权利要求1或2所述的网络分析器，其特征在于，所述频率偏移(f_diff)小于所述不同的高频信号的最小和/或最大频率。
4.如权利要求3所述的网络分析器，其特征在于，所述频率偏移(f_diff)小于或等于所述不同的高频信号的最小和/或最大频率的50%，优选小于或等于其25%，特别优选小于或等于其10%。
5.如上述权利要求之一所述的网络分析器，其特征在于，为所述至少两个端口(Tl， T2)的每个端口(Tl，T2)设置单独的信号源(Si，S2)来馈给所述的端口(Tl，T2)。
6.如上述权利要求之一所述的网络分析器，其特征在于，为所述至少两个端口(Tl， T2)的每个端口(Tl，T2)设置混合器(Mil，MI2)来将被馈入到相应端口(Tl，T2)的高频信号与被反射及被透射的信号成分进行混合。
7.如上述权利要求之一所述的网络分析器，其特征在于，所述至少两个端口(Tl，T2) 的每个端口(Tl，T2)包括通过单独雷达(RA1，RA2)进行馈给的波导，其中所述雷达(RA1， RA2)的工作频率彼此相差所述的频率偏移(f_diff)。
8.如权利要求7所述的网络分析器，其特征在于，所述雷达中的一个(RAl)具有80GHz 的工作频率，所述雷达中的另一个(RA)具有80. OlGHz的工作频率。
9.一种测量装置，包括如上述权利要求之一所述的网络分析器和根据由所述网络分析器测量的波动参数确定被测对象(M)的一个或多个其它参数(d)的分析单元(AD，PR)。
10.如权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述分析单元(AD，PR)在工作时根据所述波动参数确定被测对象(M)离多端口的间隔(d)和/或被测对象(M)参照多端口的相对速度作为其它参数。
11.一种利用如权利要求1-8之一所述的网络分析器测量被测对象(M)的参数的方法，其特征在于，所述网络分析器的所述多端口的至少两个端口(T1，T2)被馈入不同的高频信号，并在所述至少两个端口(Τ1，Τ2)上同时测量所述高频信号的被反射和被透射的信号成分，其中所述不同的高频信号的频率(f_TXl，fTX2)或频带被相互偏置一个频率偏移(f_ diff)。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，利用分析单元(AD，PR)分析所述的波动参数以便确定被测对象(M)的其它参数。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所述波动参数确定被测对象(M)离多端口的间隔(d)和/或被测对象(M)参照多端口的相对速度作为其它参数。
14.如权利要求11-13之一所述的方法，其特征在于，测量气体涡轮的旋转叶片作为被测对象。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多端口在叶片的旋转平面上被设置在所述气体涡轮的外壳的内壁(W)上，根据利用所述网络分析器测量的波动参数确定内壁和叶片之间的径向间隔(d)。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量被测对象(M)的波动参数的具有含至少两个端口(T1,T2)的多端口的网络分析器，其中每个端口(T1，T2)具有来自信号源(S1，S2)的高频信号的馈入，并且被馈入到相应端口(T1，T2)中的高频信号在被测对象(M)上被反射的信号成分以及被馈入到至少另一个端口(T1，T2)中的一个或多个高频信号通过所述被测对象透射到相应端口(T1，T2)的信号成分能被测量作为相应端口的波动参数。在所述网络分析器工作时所述多端口的至少两个端口(T1，T2)被馈入不同的高频信号，并在所述至少两个端口(T1,T2)上同时测量所述高频信号的被反射和被透射的信号成分，其中所述不同的高频信号的频率(f_TX1,fTX2)或频带被相互偏置一个频率偏移(f_diff)。本发明的网络分析器具有的优点是，与常规网络分析器相反，它能被用来测量随时间快速变化的动态被测对象的波动参数。
文档编号G01B15/00GK102378894SQ201080014481
公开日2012年3月14日 申请日期2010年2月25日 优先权日2009年4月2日
发明者席希特 A., 齐罗夫 A., 赛森贝尔格 C., 波普拉瓦 F. 申请人:西门子公司