时域电压测量方法、测量校准方法及测量校准验证方法与流程

本发明涉及射频电压频域测量技术领域，特别是涉及一种时域电压测量方法、测量校准方法及测量校准验证方法。

背景技术：

所谓时域测量，就是测量该变量随时间的变化数据。非接触式的板级射频电压时域测量是当前高精密测试技术日益先进之后延伸出来的一个重要的测试课题。当前大部分的电压测试需要直接接触被测点，但是这种直接接触通常需要保证不干预被测系统。随着被测对象的日益复杂，有相当一部份是希望在测量电压的同时不希望修改系统或者停止系统，这时，非接触式的板级射频电压时域测量非常有必要。

传统的非接触式的板级射频电压时域测量方式适合于大电压的探测，当电压较小时，测量精确度较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对电压较小时测量精确度较低的问题，提供一种时域电压测量方法、测量校准方法及测量校准验证方法。

一种时域电压测量方法，包括以下步骤：

固定待测PCB板微带线与电压探头的相对位置，在向所述待测PCB板微带线上输入待测板级射频电压时，将所述电压探头放置在所述待测PCB板微带线上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述待测PCB板微带线上，且所述电压探头与所述待测PCB板微带线垂直；

通过所述电压探头利用电场耦合感应出由所述待测板级射频电压在所述待测PCB板微带线周围产生的感应电动势；

通过与所述电压探头的输出端相连接的示波器采集所述感应电动势；

通过计算机根据所述示波器采集到的感应电动势计算所述待测板级射频电压。

上述时域电压测量方法，通过将电压探头放置在规定位置处，检测并采集待测PCB板微带线周围的感应电动势，根据采集到的感应电动势计算所述待测板级射频电压，能够精确地测量出所述板级射频电压的时域波形，提高了测量精确度。

一种时域电压测量校准方法，包括以下步骤：

固定校准PCB板微带线和所述电压探头的相对位置，在向所述校准PCB板微带线上输入校准板级射频电压时，将所述电压探头放置在所述校准PCB板微带线上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上，且所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直；

通过网络分析仪测试由所述校准PCB板微带线与所述电压探头构成的二端口网络，得到用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子；

其中，所述网络分析仪的第一端口与所述校准PCB板微带线的一端连接，所述网络分析仪的第二端口与所述电压探头的输出端连接，所述校准PCB板微带线的另一端与阻抗匹配的负载连接。

上述时域电压测量校准方法，通过将电压探头放置在规定位置处，并通过网络分析仪测试由校准PCB板微带线与电压探头构成的二端口网络，能够精确计算出用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子，从而提高时域电压测量精确度。

一种时域电压测量校准验证方法，包括以下步骤：

固定校准PCB板微带线和所述电压探头的相对位置，在向所述校准PCB板微带线上输入校准板级射频电压时，将所述电压探头放置在所述校准PCB板微带线的上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上，且所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直；

通过任意波形发生器向所述校准PCB板微带线的一端输入任意波形的电压信号；

通过所述电压探头利用电场耦合感应出由所述电压信号在所述校准PCB板微带线周围产生的感应电动势；

将示波器的第一通道与所述电压探头的输出端连接，通过所述第一通道采集电压探头输出的感应电动势；

将所述示波器的第二通道与所述校准PCB板微带线的另一端连接，通过所述第二通道采集所述校准PCB板微带线上的第二校准验证电压；

通过计算机根据所述示波器采集到的感应电动势计算第一校准验证电压，并根据所述第一校准验证电压和第二校准验证电压对校准因子进行校验；其中，所述校准因子用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准。

上述时域电压测量校准验证方法，通过将电压探头放置在规定位置处，通过任意波形发生器向所述校准PCB板微带线的一端输入任意波形的电压信号，通过示波器采集感应电动势与校准PCB板微带线上的第二校准验证电压，根据采集到的感应电动势计算第一校准验证电压，并根据所述第一校准验证电压和第二校准验证电压对校准因子进行校验，能够提高用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子的精确度，从而提高时域电压测量精确度。

附图说明

图1为一个实施例的电压探头的示意图；

图2为一个实施例的时域电压测量装置的结构示意图；

图3为一个实施例的时域电压测量方法流程图；

图4为一个实施例的时域电压测量校准装置的结构示意图；

图5为一个实施例的校准PCB板微带线的示意图；

图6为一个实施例的时域电压测量校准方法流程图；

图7为一个实施例的时域电压测量校准验证装置的结构示意图；

图8为一个实施例的时域电压测量校准验证方法流程图；

图9为一个实施例的校准因子的示意图；

图10(a)为一个实施例的校准验证环节中电压探头的输出电压；

图10(b)为一个实施例的校准验证环节中根据电压探头的输出电压计算还原得到的第一校准验证电压；

图10(c)为一个实施例的实际测得的板级射频电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。

本实施例提供一种时域电压测量装置，可包括待测印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)微带线，电压探头，示波器和计算机。各部分功能如下：

电压探头：可用同轴线缆所制，利用电场耦合来探测射频电压产生的电场。在一个实施例中，该探头可由一个阻抗为50Ω的同轴线缆构成。如图1所示，探测部位由内导体外伸构成，在一个实施例中，外伸长度大概在1mm-3mm左右，太短会导致信号耦合太弱，太长会导致引入干扰太大。其原理是通过电场耦合来探测板级射频电压在被测微带线上产生的电场Ev，被测的板级射频电压v(t)在空间中产生交变电场，电压探头利用电场耦合感应出由这交变电场产生的感应电动势，电压探头的内导体与SMA(SubMiniature version A，超小型A型)头连接，所形成的感应电动势v_P(t)通过探头的内导体和SMA头往信号采集设备进行传输，通常地，存在而即电压探头探测到的感应电动势与被测板级射频电压在空间中产生的电场成正比，被测板级射频电压在空间中产生的电场与被测射频电压成正比。因此通过采集v_P(t)的信号可以推知被测的板级射频电压v(t)。

示波器：电压探头的电压信号采集，示波器的一个通道(例如，通道1)连接电压探头读取探头所采集到的电压波形。在一个实施例中，通道的终端阻抗设为50Ω。为了与示波器形成阻抗匹配，微带线的阻抗可设计为50Ω。

计算机：处理数据。

上述时域电压测量装置的连接结构示意图如图2所示，所述电压探头放置在所述待测PCB板微带线的上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述待测PCB板微带线上，且所述电压探头与所述待测PCB板微带线垂直，所述电压探头的输出端与所述示波器的第一通道相连接，所述示波器的输出端与所述计算机相连接；所述电压探头利用电场耦合感应出由待测板级射频电压在所述待测PCB板微带线周围产生的感应电动势，所述示波器采集所述感应电动势并发送到计算机，所述计算机根据所述感应电动势计算所述待测板级射频电压。

可选地，在一个实施例中，为了便于放置所述电压探头，本实施例的时域电压测量装置还可包括夹具、支架和样品台。各部分功能如下：

夹具：用于固定所述电压探头，由于所述电压探头上需要连接同轴线缆，同轴线缆具有一定的刚性，需要有所述夹具来固定所述电压探头的位置。

支架：用来固定所述电压探头夹具，从而固定所述电压探头的空间位置。这是由于整个探测过程中，所述电压探头的空间位置会影响被探测信号的采集；另外，所述电压探头的空间位置影响了所述校准因子的大小以及系统的频率响应。因此可设置支架来固定所述电压探头的空间位置。

样品台：放置样品，所谓样品即是输入有待测板级射频电压的待测PCB板微带线。待测PCB板微带线可通过SMA头焊接在PCB板上。

可将所述电压探头固定在所述夹具上，并把安装了所述电压探头的夹具固定在所述支架上，使所述电压探头与所述PCB板垂直；将所述待测PCB板微带线固定在所述样品台上；调整所述样品台，使得所述电压探头底端中心的投影落在所述待测PCB板微带线上。进一步地，为了提高测量精确度，可调整所述样品台，使得所述电压探头底端的平面与所述待测PCB板微带线表面平行，所述电压探头底端中心的投影在所述待测PCB板微带线的中心处，并且使所述电压探头底端与所述待测PCB板微带线表面的距离为1毫米(误差可控制在0.1mm)。在一个实施例中，所述夹具固定在所述支架上后，所述支架在水平方向和垂直方向可调。当所述电压探头中心投影在所述待测PCB板微带线的中心时，在固定高度下，探头感应到的电场最强，最适合用于校准探头。

如图3所示，本实施例提供一种时域电压测量方法，可包括以下步骤：

S101，固定待测PCB板微带线与电压探头的相对位置，在向所述待测PCB板上输入待测板级射频电压时，将所述电压探头放置在所述待测PCB板微带线上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述待测PCB板微带线上，且所述电压探头与所述待测PCB板微带线垂直；

S102，通过所述电压探头利用电场耦合感应出由所述待测板级射频电压在所述待测PCB微带线周围产生的感应电动势；

S103，通过与所述电压探头的输出端相连接的示波器采集所述感应电动势；

S104，通过计算机根据所述示波器采集到的感应电动势计算所述待测板级射频电压。

计算机可根据所述感应电动势和预先计算的校准因子计算所述待测板级射频电压。在一个实施例中，可根据如下公式计算所述待测板级射频电压：

v(t)＝IFFT[F_PK(ω)] (1)

其中，

F_P(ω)＝FFT[v_P(t)] (3)

式中，v(t)为所述待测板级射频电压，v_P(t)为所述感应电动势，K(ω)为所述校准因子，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示反傅里叶变换。

本实施例的时域电压测量方法可基于上述实施例提供的时域电压测量装置实现。

如图4所示，本实施例提供一种时域电压测量校准测量，可包括：校准PCB板微带线，电压探头，网络分析仪和负载；所述校准PCB板微带线的一端连接所述网络分析仪的第一端口(即图中的端口1)，所述校准PCB板微带线的另一端连接所述负载，所述电压探头放置在所述校准PCB板微带线的上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上，且所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直，所述电压探头的输出端与所述网络分析仪的第二端口(即图中的端口2)相连接；所述网络分析仪通过所述第一端口和第二端口测试由所述校准PCB板微带线与所述电压探头构成的二端口网络，得到用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子。

上述时域电压测量校准装置，通过将电压探头放置在规定位置处，并通过网络分析仪测试由校准PCB板微带线与电压探头构成的二端口网络，能够精确计算出用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子，从而提高时域电压测量精确度。

如图5所示，所述校准PCB板微带线作为校准件，用来获得和确定探头的校准因子。其中，所述校准PCB板微带线阻抗50欧姆，适用频率越高越好，通常至少在2GHz以上。所述校准PCB板微带线的阻抗可设计为与信号采集设备和信号输出设备形成阻抗匹配，保证信号在传输过程中没有受到反射，从而保证校准的准确性。

所述网络分析仪的作用是测量由所述电压探头与所述校准PCB板微带线所组成的二端口网络系统的传输特性，从而得到所述校准因子。所述网络系统中，通常以所述校准PCB板微带线为端口1，而所述电压探头为端口2，利用所述网络分析仪测量信号传输的幅值衰减情况以及相位变化情况，测量的模式是频率扫描。在使用所述网络分析仪之前，可进行所述网络分析仪自校，并设置所述网络分析仪的扫描频率范围、输出功率以及带宽。校准因子算法如下：K(ω)＝S₂₁。S₂₁是网络分析仪所测得的传输系数。

可选地，本实施例的时域电压测量校准测量还可包括夹具、支架和样品台。在一个实施例中，在使用所述网络分析仪校准前，可将所述电压探头固定在所述夹具上，并把安装了所述电压探头的夹具固定在所述支架上，使所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直；将所述校准PCB板微带线固定在所述样品台上；调整所述样品台，使得所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB微带线上。进一步地，为了提高测量精确度，可调整所述样品台，使得所述电压探头底端的平面与所述校准PCB板微带线平面平行，所述电压探头底端中心的投影在所述校准PCB板微带线的中心处，并且使所述电压探头底端与所述校准PCB板微带线表面的距离为1毫米(误差可控制在0.1mm)。在一个实施例中，所述夹具固定在所述支架上后，支架在水平方向和垂直方向上可调。当所述电压探头中心投影在所述校准PCB板微带线的中心时，在固定高度下，探头感应到的电场最强，最适合用于校准探头。上述电压探头、夹具、支架和样品台等器件的实施例可与时域电压测量装置的实施例中对应的器件的实施例相同，此处不再赘述。

在实际应用中，可先通过本实施例的时域电压测量校准装置获取校准因子，再将校准因子用于时域电压测量装置中进行时域电压测量。这样，能够获得更高的测量精确度。

如图6所示，本实施例提供一种时域电压测量校准方法，可包括以下步骤：

S201，固定校准PCB板微带线和所述电压探头的相对位置，在向所述校准PCB板微带线上输入校准板级射频电压时，将所述电压探头放置在所述校准PCB板微带线上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上，且所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直；

S202，通过网络分析仪测试由所述校准PCB板微带线与所述电压探头构成的二端口网络，得到用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子；

其中，所述网络分析仪的第一端口(即图中的端口1)与所述校准PCB板微带线的一端连接，所述网络分析仪的第二端口(即图中的端口2)与所述电压探头的输出端连接，所述校准PCB板微带线的另一端与阻抗匹配的负载连接。

上述时域电压测量校准方法，通过将电压探头放置在规定位置处，并通过网络分析仪测试由校准PCB板微带线与电压探头构成的二端口网络，能够精确计算出用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子，从而提高时域电压测量精确度。

本实施例的时域电压测量校准方法可基于上述时域电压测量校准装置实现。在实际应用中，可先通过本实施例的时域电压测量校准方法获取校准因子，再将校准因子用于时域电压测量方法中进行时域电压测量。这样，能够进一步获得更高的测量精确度。具体地，在得到校准因子之后，可以将校准因子代入公式(2)，从而根据所述校准因子和所述感应电动势计算所述待测板级射频电压。

如图7所示，本发明实施例提供一种时域电压测量校准验证装置，可包括：校准PCB板微带线，电压探头，任意波形发生器，示波器和计算机所述电压探头放置在所述校准PCB板微带线的上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上，且所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直，所述电压探头的输出端与所述示波器的第一通道相连接；所述任意波形发生器的输出通道通过所述校准PCB板微带线连接至所述示波器的第二通道；所述任意波形发生器向所述校准PCB板微带线输入电压信号，所述电压探头利用电场耦合感应出由所述电压信号在所述校准PCB板微带线周围产生的感应电动势，所述示波器通过所述第一通道采集电压探头输出的感应电动势，并通过所述第二通道采集所述校准PCB板微带线上的第二校准验证电压，所述计算机根据所述示波器采集到的感应电动势计算第一校准验证电压，并根据所述第一校准验证电压和第二校准验证电压对校准因子进行校验；其中，所述校准因子用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准。

上述时域电压测量校准验证装置，通过将电压探头放置在规定位置处，通过任意波形发生器向所述校准PCB板微带线的一端输入任意波形的电压信号，通过示波器采集感应电动势与校准PCB板微带线上的第二校准验证电压，根据采集到的感应电动势计算第一校准验证电压，并根据所述第一校准验证电压和第二校准验证电压对校准因子进行校验，能够提高用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子的精确度，从而提高时域电压测量精确度。

任意波形发生器应用于校准验证部分，给所述校准PCB板微带线的其中一端输入任意的波形。可设置所述任意波形发生器内部阻抗与采集装置(即所述示波器)的内部阻抗相匹配，例如，当示波器采集通道的内部阻抗为50Ω时，任意波形发生器的内部阻抗也为50Ω。给所述校准PCB板微带线输入的波形可以是方波、三角波或者锯齿波等波形。

示波器在系统验证部分作为信号的采集。所述示波器的其中一个通道与所述电压探头连接来读取所述电压探头所采集到的电压波形，所述通道的内部阻抗设为50Ω，该电压波形用于还原被测电压，该还原的被测电压作为第一校准验证电压；与此同时，所述示波器的另一个通道同样设定内部阻抗为50Ω，并连接所述校准PCB板微带线的另一端，监测校准PCB板微带线上的电压，该电压波形作为第二校准验证电压，与第一校准验证电压对比后来验证所述校准因子的正确性。

可选地，还可包括夹具、支架和样品台。在一个实施例中，在使用所述任意波形发生器输入电压信号前，可将所述电压探头固定在所述夹具上，并把安装了所述电压探头的夹具固定在所述支架上，使所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直；将所述校准PCB板微带线固定在所述样品台上；调整所述样品台，使得所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上。进一步地，为了提高测量精确度，可调整所述样品台，使得所述电压探头底端的平面与校准PCB微带线平面平行，所述电压探头底端中心的投影在校准PCB板微带线的中心处，并且使所述电压探头底端与所述校准PCB板微带线表面的距离为1毫米(误差可控制在0.1mm)。在一个实施例中，所述夹具固定在支架上后，所述支架在水平方向和垂直方向上可调。当所述电压探头中心投影在所述校准PCB板微带线的中心时，在固定高度下，探头感应到的电场最强，最适合用于校准探头。上述电压探头、夹具、支架和样品台等器件的实施例可与时域电压测量装置的实施例中对应的器件的实施例相同，此处不再赘述。

在实际应用中，可先通过上述时域电压测量校准装置获取校准因子，再通过本实施例的时域电压测量校准验证装置对获取的校准因子进行校准验证，若验证成功，表示校准因子符合实际条件，可将校准因子用于时域电压测量装置中进行时域电压测量；若验证失败，表示校准因子不符合实际条件，可通过上述时域电压测量校准装置重新获取校准因子。这样，能够获得更高的测量精确度。

如图8所示，本实施例提供一种时域电压测量校准验证方法，可包括以下步骤：

S301，固定所述校准PCB板微带线和所述电压探头的相对位置，在向所述校准PCB板微带线上输入校准板级射频电压时，将所述电压探头放置在所述校准PCB板微带线的上方，使所述电压探头底端中心的投影落在所述校准PCB板微带线上，且所述电压探头与所述校准PCB板微带线垂直；

S302，通过任意波形发生器向所述校准PCB板微带线的一端输入任意波形的电压信号；

S303，通过所述电压探头利用电场耦合感应出由所述电压信号在所述校准PCB板微带线周围产生的感应电动势；

S304，将示波器的第一通道与所述电压探头的输出端连接，通过所述第一通道采集电压探头输出的感应电动势；

S305，将所述示波器的第二通道与所述校准PCB板微带线的另一端连接，通过所述第二通道采集所述校准PCB板微带线上的第二校准验证电压；

S306，通过计算机根据所述示波器采集到的感应电动势计算第一校准验证电压，并根据所述第一校准验证电压和第二校准验证电压对校准因子进行校验；其中，所述校准因子用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准。

上述时域电压测量校准验证方法，通过将电压探头放置在规定位置处，通过任意波形发生器向所述校准PCB板微带线的一端输入任意波形的电压信号，通过示波器采集感应电动势与校准PCB板微带线上的第二校准验证电压，根据采集到的感应电动势计算第一校准验证电压，并根据所述第一校准验证电压和第二校准验证电压对校准因子进行校验，能够提高用于对待测PCB板微带线的待测板级射频电压进行测量校准的校准因子的精确度，从而提高时域电压测量精确度。

本实施例的时域电压测量校准验证方法可基于上述时域电压测量校准验证装置实现。在实际应用中，可先通过上述时域电压测量校准方法获取校准因子，再通过本实施例的时域电压测量校准验证方法对获取的校准因子进行校准验证，若验证成功，表示校准因子符合实际条件，可将校准因子用于时域电压测量方法中进行时域电压测量；若验证失败，表示校准因子不符合实际条件，可通过上述时域电压测量校准方法重新获取校准因子。这样，能够进一步获得更高的测量精确度。

在一个实施例中，可根据如下公式计算第一校准验证电压：

v_MK(t)＝IFFT[F_MK(ω)] (5)

其中，

F_MK(ω)＝F_M(ω)·K(ω) (6)

F_M(ω)＝FFT[v_M(t)] (7)

式中，v_M(t)为所述感应电动势，v_MK(t)为所述第一校准验证电压，K(ω)为校准因子。

若所述第一校准验证电压与所述第二校准验证电压的差值小于预设的阈值，判定校验成功，可将所述校准因子代入公式(2)中进行计算，得到所述待测板级射频电压的时域波形；反之，判定校验失败，则重新计算所述校准因子。

值得一提的是，校准部分、校准验证部分及测量部分中所述电压探头与PCB板微带线(包括所述校准PCB板微带线和所述待测PCB板微带线)的位置应尽量保持一致。一致性越好，测量准确度越高。

图9为一个典型测量所得S₂₁的参数，即所述校准因子K(ω)。图10(a)和图10(b)分别为校准验证环节中所述电压探头的输出电压和根据该输出电压计算还原得到的第一校准验证电压。图10(c)为实际测得的板级射频电压，即第二校准验证电压。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。