用于微波分析或测量仪器的校准装置和方法与流程

本发明涉及一种具有权利要求1的第一部分的特征的用于分析或测量微波电路或设备的工具或仪器的校准装置。特别是在使用矩形波导技术时，微波仪器此处还意指频率高达或高于thz频率的设备。

本发明还涉及一种根据权利要求20的第一部分的用于将例如矢量网络分析仪等的分析或测量仪器连接到波导校准标准件或被测试设备的装置。

本发明还涉及一种具有权利要求26的第一部分的特征的用于校准此类工具或仪器（例如矢量网络分析仪(vna)的或者传输线）的方法。

背景技术：

缩写为vna的矢量网络分析仪广泛用于分析各种不同种类的微波电路和设备，从滤波器、放大器等到等复杂得多的多功能系统。此类仪器能够通过测量散射参数（s-参数）来评估待分析电路或设备的特性，并且充当测量透射和反射的幅度以及相位和幅度（即，s-参数）的信号源和信号接收器。

然而，为提供具有最高准确性的有用测量结果，能够校准vna极其重要。通常，使用多个已知标准件实施校准，这些标准件被测量并传送到vna，并且因此从vna中去除误差。

因此，已知使用包括多个标准件的所谓的校准套件。多个标准件连接到vna的端口以实施并验证校准。这是需要专家技能和高精度的极耗时的过程。该校准过程因此容易出错。

此外，高频率的使用正稳步获得更多利益。高达约67ghz的同轴电缆可以用作传输线，并且因此在校准套件上使用标准同轴连接器。然而，对于高于67ghz的频率，使用矩形波导、而非电缆，并且因此校准套件设置有作为连接器用于待测试电路或设备上的等效法兰的标准波导法兰。

对于较低频率，当使用同轴电缆时，已知校准套件包括多个同轴连接器标准件。同轴电缆技术使得可在校准套件与vna之间在两端上使用带有连接器的柔性电缆。此类柔性电缆使得测量设置容易处理。

然而，对于较高频率（例如从约67ghz到约1thz），当需要使用波导时，情况要复杂得多。矩形波导通常是刚性的，并且当将两个相对波导法兰连接在一起时，其之间需要高质量的机械和电接触，以便获得高质量、可重复和非辐射界面，并且因此也获得良好校准。

已知校准套件包括波导校准标准件，诸如匹配负载、不同长度的短路线（称为短线（shorts））以及给定长度的直波导（称为直通段（throughs））。其按校准序列拧紧到网络分析仪(vna)的端口上或之间。在典型校准程序中，操作员必须多次将校准标准件的法兰和vna的端口连接在一起。这是极耗时、复杂和乏味的任务，因为所有螺钉需要在所有接合法兰之间进行良好接触。其需要机械和电气稳定且可重复接触，并且因此总是使用四个螺钉。如果连接不完美（例如，如果存在轻微角位移或者如果不存在完美配合），则可能存在从波导到自由空间中的泄漏，并且还增加连接处的反射。对于最准确的测量，该校准程序基于尽可能完美的所有此类连接。

技术实现要素：

因此，本发明的一目的是提供一种通过其可以克服上述问题中的一者或多者的校准装置。

特别地，本发明一目的是提供容易使用和操作的校准装置。

本发明的另一目的是提供一种以快速且容易方式允许针对大量波导校准标准件进行校准的校准装置。

本发明的另一目的是提供一种借助最少拧紧和拧开接合波导法兰以快速且可靠方式实现校准的校准装置。

特别地，本发明的一目的是提供一种可用于波导，并且对于高频率（例如高于67ghz）无任何因法兰之间的未对准或泄漏导致的校准误差的风险的校准装置。

特别地，本发明的一目的是提供一种容易且便宜制作的校准装置。

最特别目的是提供一种适合于结合不同标准波导尺寸（例如wr15,wr12,....wr3）和对应标准波导法兰尺寸针对高频率以及低频率按比例调整成在测量系统中使用的校准装置。

本发明的另一目的是提供一种通常用于波导测量的校准装置。因此，提供最初提及的装置，其具有权利要求1的表征特征。

本发明的再进一步目的是提供一种用于校准vna或类似物或者通常特定来说具有波导法兰的电路的方法，通过该方法可克服上述问题中的一者或多者。

因此，提供最初提及的方法，其具有权利要求26的表征特征。

进一步目的是提供以下装置：该装置用于将分析或测量仪器以一种方式连接到波导校准标准件或被测试设备，使得现有的校准标准件可以按比以前更容易且更快的方式使用。

因此，提供具有权利要求20的表征特征的连接装置。

有利实施例由相应所附从属权利要求给出。

附图说明

在下文中将以非限制性方式并且参照附图进一步描述本发明，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的校准装置的视图，

图2是从图1中的校准装置上方的横截面视图，

图3是通过图2中的箭头b指示的截面的放大图，

图3a是图2中的实施例中的校准器连接器元件与板元件之间的周期性结构的示意性侧视图，

图3b是校准器连接器元件与板元件之间的周期性结构的替代实施例的示意性侧视图，

图4是根据本发明的一个实施例的示例性校准器连接器元件的透视图，其包括具有周期性结构的法兰，

图5是根据本发明的另一实施例的示例性替代校准器连接器元件的透视图，其包括具有周期性结构的法兰，

图6是根据本发明的替代校准装置的示意图，并且

图7是用于将分析或测量仪器连接到波导校准标准件或被测试设备的装置的横截面视图，其中校准连接器元件直接连接在两个波导法兰之间并且在两个侧面上都设置有周期性结构。

具体实施方式

图1示出根据本发明的校准装置100的第一实施例。校准装置100在校准期间定位在vna的两个端口之间（在图中，标记为vna端口1和2），并且此后在实际测量期间由电路或被测试设备(dut)替换。因此，这些vna端口中的每一者在校准期间必须被连接和断开的次数从每一端口三或四次减少到每一端口一次。这节省校准时间并且使得校准更准确。

校准装置100包括板元件10，板元件10包括或在其内部安装有多个波导校准标准件。其在图1中在板10的两侧上的表面处可视为矩形波导开口111,112,113,114,115。此处板元件10包括具有沿着板元件10的纵向延伸部布置的校准波导结构111,112,113,114,115的细长板（仅明确示出输入端/输出端）。板元件10的相对外侧包括导电表面12,12。该校准装置还包括适于布置在板元件10的任一侧上的校准器连接器元件或法兰20a,20b，以用于借助于在那里使用的标准波导法兰30a,30b连接到vna或dut。

必须强调，图1、图2和图5中的附图是示意性的，并且并不包括周围支撑结构。法兰20a,20b实际上固定到周围壳体结构，该周围壳体结构具有允许板10在校准程序期间以一种方式移动的布置，使得不同波导开口可以一个接一个地与两个法兰20a,20b中间的波导开口重合。

所示出实施例中的每一校准器连接器元件20a,20b在其中心部分上包括法兰元件，周期性或准周期性纹理或结构27（在此文件中称为结构）布置在标准矩形波导开口23周围（参见图4）。应清楚，在替代实施例中，校准器连接器元件或法兰元件可以具有任何其它合适形状，例如矩形形状。

周期性结构27可以包括例如如图5中所示的波纹状结构或如图4中所示的包括多个销26的结构。在图4的实施例中，这些销具有正方形横截面（参见图4），但是其还可以具有其它横截面，如圆形或矩形。

通过在一个侧面上的导电平滑法兰表面或平面12与另一侧面上的具有周期性结构27的另一法兰表面之间提供连接，可以在无需机械接触的情况下连接两个波导开口（例如，波导校准标准件的波导开口和vna波导端口波导开口）。因此，允许在两个连接法兰表面之间存在间隙29，例如空气间隙或者填充有气体、真空或至少部分填充有介电材料的间隙，因为周期性结构使两个法兰表面之间的所有种类的波传播停止。周期性结构（也称为纹理）被设计成使得其停止波在间隙29内部在间隙29内的任何其它方向上的传播，而允许波至少在校准或测量的预期频带下从一个法兰表面中的波导开口横穿该间隙到达另一法兰表面中的波导开口。因此，周期性结构（例如销、柱、凹槽、脊等）的形状和尺寸以及布置被选择成防止波在除预期方向以外的任何其它方向上的传播。

两个表面（其中一个设置有周期性纹理（结构））之间的非传播或非泄漏特性从p.-s.kildal,e.alfonso,a.valero-nogueira,e.rajo-iglesias的题目为“localmetamaterial-basedwaveguidesingapsbetweenparallelmetalplates”,ieeeantennasandwirelesspropagationletters(awpl)，2009年，第8卷，第84-87页和这些作者的几个后来出版物已知。非传播特性出现在特定频带（称为阻带（stopband））内。因此，周期性纹理和间隙大小必须被设计成给出覆盖有在校准套件中被考虑的标准波导的操作频带的阻带。还已知，此类阻带可以由其它类型的周期性结构提供，如在e.rajo-iglesias,p.-s.kildal的题目为“numericalstudiesofbandwidthofparallelplatecut-offrealizedbybedofnails,corrugationsandmushroom-typeebgforuseingapwaveguides”,ietmicrowaves,antennas&propagation，2011年3月，第5卷，第3期，第282-289页中所述。这些阻带特性也用于形成所谓的间隙波导，如在per-simonkildal的题目为“waveguidesandtransmissionlinesingapsbetweenparallelconductingsurfaces”，2009年6月的专利申请第pct/ep2009/057743,22号中所述。

必须强调，先前使用或将用于间隙波导中的周期性或准周期性纹理中的任一者还可以用于本发明的校准套件和连接装置中，并且由本专利的权利要求书涵盖。

使用周期性纹理来改善波导法兰的构思从p.-s.kildal的题目为“contactlessflangesandshieldedprobes”，2012年5月15日的欧洲专利申请ep12168106.8已知。

根据本发明，这两个表面（例如导电表面或平面12和周期性结构的平面，即，由波纹状结构27的销或脊的自由外端形成的平面）不得分开多于所传输信号的波长的四分之一或者必须分开少于四分之一波长。这在上述出版物中彻底描述，尤其诸如在e.rajo-iglesias,p.-s.kildal的题目为“numericalstudiesofbandwidthofparallelplatecut-offrealizedbybedofnails,corrugationsandmushroom-typeebgforuseingapwaveguides”,ietmicrowaves,antennas&propagation，2011年3月，第5卷，第3期，第282-289页中。

特定实施例中的周期性结构27（参见图4）包括具有例如具有0.15λx0.15λ的尺寸和0.15-0.25λ的高度的横截面的销27的阵列。通过提供界面（由界面的一侧上的所述导电表面12和界面的另一侧上的周期性结构27形成），防止功率通过与例如vna波导33互连的校准器连接器元件波导23和校准波导结构（也参见图3）之间的间隙29泄漏。

根据本发明，通过使用包括周期性结构27的表面和导电表面12的组合，或在两个表面之间各自设置有周期性结构（参见例如图3b），可以因此在不必使表面机械接触的情况下连接波导，这继而消除对任何紧固构件（诸如螺钉或类似物）连接表面的需要，在已知装置中此需要如上所述是需要的，并且除了针对每一校准标准件的校准以外。

通过承认表面12,27之间的间隙或至少不需要任何机械紧固来保持表面接触，包含多个标准件的板元件10和校准器连接器元件20a,20b可以相对于彼此以可移动方式布置，使得对于借助于波导连接器元件30a,30b连接到校准器连接器元件20a,20b的波导，并且通过校准器连接器元件20a,20b和包含多个校准标准件的板10相对于彼此的位移，借助于校准波导开口111,112,113,114,115提供的不同校准标准件可以应用于波导33。这些波导可以说是自动、机械切换的，在不同校准标准件的应用之间不需要任何附接/拆除，而是频带的所有校准标准件都可以自动运行。

在图1中所示的实施例中，板单元10可借助于马达13（例如，电马达）的致动在支撑壳体内移动（仅示意性地示出，因为应清楚，适于控制板元件的线性移动（图1中的箭头t）的马达13可以以不同方式提供，并且其可以是许多不同种类的马达）。马达13借助于控制单元14控制，以借助于校准波导结构111,112,113,114,115（或由校准波导结构111,112,113,114,115形成）按任何所期望次序一个接一个地自动地将连接到波导连接器元件30a,30b的校准器连接器元件20a,20b连接到不同的校准标准件。因此，经由波导连接器元件30a,30b的vna的端口将连接到不同校准标准件，而不必从校准器连接器元件20a,20b断开波导连接器元件30a,30b。

因此，可以自动实施整个或部分校准序列，而无需操作员的参与，这是非常有利的。在此实施例中，波导连接器元件30a,30b仅需要由螺钉25或类似物紧固到校准器连接器元件20a,20b一次，以用于借助多个标准件实施整个校准序列。在有利实施例中，在板元件10上提供具有不同延迟和匹配负载的校准标准件短线、偏移短线、直通（贯通）线。这些校准标准件的组合用于不同校准程序以及校准质量验证和保证。

应清楚，在替代实施例中，校准波导结构（校准标准件）可以具有任何其它合适横截面，例如圆形。在一些实施例中，校准器连接器元件可以包括例如在矩形与圆形波导之间的过渡。还应清楚，校准标准件可以是圆形或矩形的等，而不管校准器连接器元件或波导连接器元件是包括圆形波导还是矩形波导。

当然，本发明不限于上述校准标准件，而是额外地或单独地同样适用于其它校准标准件，或不限于这些校准标准件中的仅一部分。

在包括校准套件的校准装置中，优选地针对不同频带提供具有不同周期性结构和不同大小的波导开口的不同校准器连接器元件20a,20b，因为针对不同频带需要不同尺寸的周期性结构。

图2是从图1的校准装置100上方的视图，其示出具有导电表面12,12的可移动板元件10和校准器连接器元件20a,20b的具有销26的周期性结构27相对于彼此的布置，得在其间提供间隙29,29。在有利实施例中，波导连接器元件30a,30b借助于螺钉25,25连接到校准器连接器元件20a,20b，但是替代性地还可以使用除螺钉以外的其它紧固构件。

出于更清楚示出可移动板元件10的具有导电表面12,12的部分和校准器连接器元件20a，20b的具有周期性结构27,27（此处包括多个销26）的部分的目的，图3是图2中指示为b的截面的放大图。可以看见相应板元件导电表面12,12与周期性结构27,27之间的间隙29,29，并且允许间隙29的事实（由于波导界面的一侧上的周期性结构27（在用虚线指示的vna波导与校准器连接器元件波导之间）和另一侧上的导电表面12）使得表面12,27之间能够产生相对位移，也如上所述。

图3a是具有包括多个销或突出元件26的周期性结构27的校准器连接器元件20a和具有导电表面12和空气间隙29的板元件10的示意性横截面侧视图。

图3b是一替代实施例的示意性横截面侧视图，其中校准器连接器元件20a"包括多个具有第一高度的销或突出元件261"，并且板元件10"的导电表面12"也包括多个销或突出元件262"，此处具有与校准器连接器元件20a"的销或突出元件261"相同的高度。因此，由设置在校准器连接器元件20a"和板元件10"两者上的每一多个销或突出元件261",262"形成两个周期性结构271",272"，以便在其间形成空气间隙29"，因此形成两个组销或突出元件。在一些实施例中，这两组中的销或突出元件具有相同高度，每一销或突出元件具有对应于形成所期望阻带所需的销或突出元件的总长度的一半的长度。

在又其它替代实施例中，不同高度用于不同组的销或突出元件或者波纹（未示出）。在又其它替代实施例中，销或突出元件或者波纹的长度或高度在相应组内变化（未示出），只要彼此面向布置或相对布置的销、突出元件或波纹的总长度对应于所期望阻带所需的长度。突出元件的此类布置公开于相同申请人于2015年9月24日提交的题目为“waveguideandtransmissionlinesingapsbetweenparallelconductingsurfaces”的欧洲专利申请ep15186666.2中。

图4是示出校准器连接器元件20a的透视图，其包括具有周期性结构27的法兰，该周期性结构27在波导23周围包括多个正方形销26，此处具有为(0.15λ)²的横截面尺寸和0.15-0.25λ的高度。如上所述，任何合适种类的销或波纹的宽度或横截面尺寸/高度由待被实施测量/校准的频带确定。频带越高，尺寸越小，并且尺寸随波长呈线性按比例调整；频率越高，波长λ越小，并且尺寸越小。应清楚，对于一频带，λ是对应频带的中心频率的波长。在图4中，示出提供用于紧固构件25（参见图2）以供连接到波导连接器元件（参见图2）的螺纹孔34（可以是通孔或不是通孔），和用于对准销以确保校准器连接器元件与板元件（即，波导）之间的对准的孔35。

图5是示出另一替代校准器连接器元件20a1的透视图，其包括具有周期性结构271的法兰，该周期性结构271包括在波导开口231周围具有多个与凹槽261同心布置的波纹的波纹状结构。在图5中，还示出用于紧固构件25（参见图2）以供连接到波导连接器元件（参见图2）的孔34，和用于对准销的孔35。

应清楚，在又其它替代实施例中，周期性结构还可以通过以不同方式布置的波纹设置在校准器连接器元件和板元件中的任一者或两者上。

图6是一替代实施例的示意性图解，其中板元件10'改为适于相对于校准器连接器元件20a',20b'实施旋转平移，该校准器连接器元件20a',20b'连接到波导连接器元件30a',30b'，从而形成例如vna的端口。在此实施例中，板元件10'为圆形的，并且包括校准标准件的校准波导结构111',112',113',114',115',116'（校准波导结构111'未明确示出，因为波导连接器元件20b'在图6中连接到其）不是沿着细长板的纵向延伸部以线性方式布置，而是分布和布置在距具有导电表面12',12'的圆形板元件10'的外边缘一距离处。类似于图1中所示的实施例，波导连接器元件30a',30b'借助于紧固构件25（例如螺钉或螺栓）紧固到校准器连接器元件20a',20b'。控制单元（未示出）控制板元件10'通过中心轴（未示出）的旋转移动和不同校准标准件的应用序列等，如还参考例如图1所述的。在所有其它方面中，校准装置100'的结构和功能类似于参考图1-4所述的那些。

图7示出连接装置，其包括在两侧上具有周期性或准周期性结构的校准连接器元件20c"，称为法兰间隙适配器（adapter），其仅包括表面，因此无法兰。这使得可避免螺钉，即使在将vna端口的法兰30a"连接到校准连接器元件20c"和将dut或单独校准标准件30c''的法兰30c"连接到校准连接器元件20c"的相对侧时。图7中的11"指示dut或校准标准件的端口，而33"指示vna端口。校准连接器元件20c"的外环35"确保校准连接器元件的经纹理化表面与30a",30c"的法兰表面之间的良好限定的间隙。

校准连接器元件20c"的两侧上的间隙29a",29b"形成在其周期性结构27",27"与导电表面12",12"之间。

类似元件具有与前述实施例中相同的参考编号，但是具有双撇号，并且在本文中将不进一步论述，但是应清楚，例如就考虑其形状、尺寸、周期性结构和位置等而言，其可以以相同方式变化。

因此，这些校准连接器元件或法兰间隙适配器也是可以在测量时例如借助对准销（如上文在图4,5中提及）安装在相应校准标准件与vna-端口之间并且在vna-端口与dut-端口之间的自由元件。因此，在此情况下，可以使用现有校准标准件，而不需要任何紧固构件，并且仅需要对准销。实际上，可以移除法兰螺钉或螺栓，并且仅需要对准销或类似物。

因此，可以借助对准销确保对准，而轴向公差因法兰间隙适配器的经纹理化表面不是很关键。然后，我们还可以使用普通校准套件，以便不像在其它所示出实施例中那样需要专门板12。借助于此类法兰间隙适配器，允许使用现有的单独校准标准件，这非常有利，并且能够借助现有的单独校准标准件实现更容易和更简单校准。

应注意，表面之间的间隙描述为间隙，并且其可以是小间隙。然而，该间隙还可以是零。要点是，由于在两个表面之间不需要任何电接触，因此不需要任何螺钉或类似物来确保电接触。

应清楚，校准器连接器元件可以具有不同形状和尺寸，并且还应清楚，板元件可以具有不同形状和尺寸，并且应再进一步清楚，可以以不同方式提供相对运动，从而允许板上的不同标准件在校准器连接器元件与板之间的自动连接。

在一个有利实施例中，存在四个端口、而非两个，校准装置例如适于与4-端口vna一起使用，并且包括四个校准连接器元件。

还应清楚，本发明并不限于任何特定类型的校准器、校准或波导连接器元件或连接器位置或板元件形状、周期性结构的类型、周期性结构例如在校准器连接器元件和/或板元件上的位置、材料等，但是这些特征可在所附权利要求书的范围内自由变化。

而且，可以通过不同构件以不同方式提供驱动和控制功能。特定来说，经由此处表示为控制单元的部件计算机控制板元件的移动，和因此到不同校准标准件的连接（包括校准标准件的选择、序列等）。

因此，优选地，校准程序由计算机实施，该计算机控制校准序列、对波导区段（校准器连接器元件）的存在进行所需校正、计算校准系数并将其传送到vna。

应清楚，控制功能可以由外部控制单元或单独控制单元提供，例如如图1中示意性地所示的。替代性地，用于控制校准程序（例如校准序列）的控制功能可以由vna自身的控制功能执行。

应清楚，还在其它方面中，本发明可以以许多不同方式变化。例如出于测试目的或任何其它目的，本发明构思还可以通常用于实施波导测量或者适合的波导互连。

特别地，本发明的优点是提供一种容易制作、安装、控制并且尤其容易操作的校准装置。

另外，本发明的优点是提供一种有助于现有的校准标准件的使用的连接装置。