一种大功率参数测量系统的制作方法

本实用新型涉及无线电检测技术领域，特别涉及一种大功率参数测量系统。

背景技术：

在现有技术的无线电领域中，任何射频和微波器件，当工作在大功率状态下时，其某些物理特性会发生变化，如温度的变化、放大器工作点的变化等。这些变化将会导致器件S参数的变化！S参数，也就是散射参数，被定义为在给定频率和系统阻抗的条件下，任何非理想多端口网络的传输和反射特性。但是现有技术，无法有效对S参数进行准确有效的检测，举一些案例。

案例一：无源器件的“功率系数”

一个标称衰减量为30dB的100W衰减器，用网络分析仪(测试功率1mW) 测得的衰减量为30dB，但是在满负荷工作时，其衰减量可能会变化至31dB，如果将这个衰减器用于100W放大器或发射机的精密功率测量，仅衰减器自身就会产生20.6％的测试误差。

衰减器的这种变化量称为功率系数，必须在大功率条件下测试。

案例二：功放的热态VSWR

功率放大器在不同的输出功率状态下，从输出端向放大器看去的VSWR 也会发生变化，从而导致系统效率的降低以及系统工作的不稳定。

从放大器的输出端向放大器看去的驻波被称为热态VSWR(即Hot S₂₂)，这项参数必须在大功率工作状态下从放大器的输出端直接测量。

案例三：铁氧体器件S₁₂的变化

铁氧体隔离器在大功率状态下，反向隔离度可能会降低，从而导致系统工作的不稳定以及系统互调干扰。

上述三个案例中，都无法使用现有技术中的网络分析仪进行测量。

技术实现要素：

为此，需要提供一种大功率参数测量系统，用于解决现有技术中网络分析仪无法对S参数进行全面准确测量的技术问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种大功率参数测量系统，包括放大器功率测量电路、温度测量电路；

所述放大器功率测量电路包括第一信号发生器、待测放大器放置端口、第一负载、第一耦合器、第二耦合器、第一数模转换器、第二数模转换器以及微控制单元，所述第一信号发生器通过第一耦合器与待测放大器放置端口的一端相连接，所述待测放大器放置端口的另一端通过第二耦合器与第一负载相连接，所述第一耦合器与第一数模转换器相连接，所述第二耦合器与第二数模转换器相连接，所述微控制单元分别与第一数模转换器、第二数模转换器相连接，微控制单元用于将收集到的数据信号发送到外部数据分析端进行处理与分析；

所述温度测量电路包括第二信号发生器、待测试器件放置端口、第三耦合器、第四耦合器、第一功率传感器、第二功率传感器、USB集线器、温度计、第二负载、第三负载以及第四负载，所述第二信号发生器通过第三耦合器与待测试器件放置端口的一端相连接，所述待测试器件放置端口的另一端通过第四耦合器与第四负载相连接，所述第三耦合器分别与第一功率传感器、第二负载相连接，所述第四耦合器分别与第二功率传感器、第三负载相连接，所述USB集线器分别与第一功率传感器、第二功率传感器相连接，USB集线器用于将收集到的数据信号发送到外部数据分析端进行处理与分析；

所述温度计设置在待测试器件上，用于检测待测试器件的温度。

作为本实用新型的一种优选结构，还包括壳体，所述放大器功率测量电路、温度测量电路设置在壳体内。

作为本实用新型的一种优选结构，所述第一耦合器与第二耦合器分别通过功率计与第一数模转换器、第二数模转换器相连接。

作为本实用新型的一种优选结构，所述温度测量电路还包括放大器、滤波器，所述第二信号发生器与放大器相连接，所述放大器与滤波器相连接，所述滤波器与第三耦合器相连接。

区别于现有技术，上述技术方案通过放大器功率测量电路，信号发生器对待测放大器发送信号，数模转换器将待测放大器的数据输送到微控制单元中，根据S参数的原理，可以测量出在大功率状态下S参数的四个要素a₁、 b₁、a₂、b₂，从而计算出DUT(或AUT)的插入损耗(增益)、输入驻波、输出驻波、反向隔离等指标。通过温度测量电路，信号发生器将信号发送给待测试器件，功率传感器对待测器件的输入输出功率进行统计，温度计检测待测器件的温度。测试者可以根据器件的测试要求及其在系统中的应用要求来进行各种性能分析，如温度随功率的变化、S₂₁随时间的变化等。为器件和系统设计提供实用的设计依据。

附图说明

图1为本实施例放大器功率测量电路的电路图；

图2为另一种实施例的放大器功率测量电路的电路图；

图3为本实施例温度测量电路的电路图；

图4为本实施例大功率参数测量系统的壳体的正视图。

附图标记说明：

10、第一信号发生器；

20、待测放大器放置端口；

30、第一负载；

40、第一耦合器；

50、第二耦合器；

60、第一数模转换器；

70、第二数模转换器；

80、微控制单元；

90、功率计；

100、第二信号发生器；

110、待测试器件放置端口；

120、第三耦合器；

130、第四耦合器；

140、第一功率传感器；

150、第二功率传感器；

160、USB集线器；

170、温度计；

180、第二负载；

190、第三负载；

200、第四负载；

210、放大器；

220、滤波器。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本实用新型S参数的测量原理为：

S参数即散射(Scattering)参数，被定义为在给定频率和系统阻抗的条件下，任何非理想多端口网络的传输和反射特性。

S参数描述了输入到一个N端口的信号到其中每个端口的响应。S参数下标中的第一位数字代表响应端，第二位数字代表激励端。如S₂₁表示端口2相对于端口1输入信号的响应；S₁₁代表端口1相对于端口1的输入信号的响应。如图1所示的通用二端口网络中，输入到网络的信号标注为a，离开网络的信号标注为b。

如果信号发生器接到端口1，端口2接匹配负载，则二端口网络的入射波为a1，从网络返回端口1的反射波为b₁；通过网络到端口2的信号为b₂，从负载返回网络的反射波为a₂(对于匹配负载，这个反射波数值为零)。用这些电压波定义的端口1的S参数为：

其中S₁₁表示当端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数；S₂₁表示当端口2接匹配负载时，从端口1到端口2的传输系数，即增益或损耗。

把信号发生器移到端口2，而端口1接匹配负载，则二端口网络的入射波为a₂，从网络返回端口2的反射波为b₂；通过网络到端口1的信号为b₁，从负载返回网络的反射波为b₂。用这些电压波定义的端口2的S参数为：

其中S₂₂表示当端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数；S₁₂表示当端口1接匹配负载时，从端口2到端口1的传输系数，即反向隔离或损耗。

如果要测量S₁₁，我们会向端口1注入信号并测量端口1反射信号，在这种情况下，端口2是没有信号输入的，所以在式1.1中，a₂＝0。如果要测量S₂₁，则向端口1注入信号，并测量出现在端口2的信号。同样，测量S₂₂时，会向端口2注入信号并测量端口2的反射信号，此时端口1没有信号输入，所以在式1.3中，a₁＝0。如果要测量S₁₂，则向端口2注入信号，并测量出现在端口1的信号。

请参阅图1以及图2，本实用新型一种大功率参数测量系统，包括放大器功率测量电路、温度测量电路；所述放大器功率测量电路包括第一信号发生器10、待测放大器放置端口20、第一负载30、第一耦合器40、第二耦合器 50、第一数模转换器60、第二数模转换器70以及微控制单元80，所述第一信号发生器通过第一耦合器与待测放大器放置端口的一端相连接，所述待测放大器放置端口的另一端通过第二耦合器与第一负载相连接，所述第一耦合器与第一数模转换器相连接，所述第二耦合器与第二数模转换器相连接，所述微控制单元分别与第一数模转换器、第二数模转换器相连接，微控制单元用于将收集到的数据信号发送到外部数据分析端进行处理与分析；

如图1、图2所示，本实施例中，所述第一耦合器与第二耦合器分别通过功率计与第一数模转换器、第二数模转换器相连接。数模转换器的数量为四个，功率计90的数量也为四个，第一耦合器分别通过两个功率计与两个数模转换器的配合与微控制单元相连接，第二耦合器也分别通过两个功率计与两个数模转换器的配合与微控制单元相连接。分别对应量测S参数的a₁、b₁、a₂、 b₂等数据。

图1中的电路即是用于检测待测器件的S₁₁、S₂₁的电路，图2中的电路是用于检测待测器件的S₂₂、S₁₂的电路。同样的，图3中的电路，也可以将第二信号发生器与负载的位置进行调换，检测相关的S₂₂、S₁₂的参数。本实施例可以根据实际的需求检测S参数的相关数据，满足电路设计的各种需求。

如图3所示，本实施例中，所述温度测量电路包括第二信号发生器100、待测试器件放置端口110、第三耦合器120、第四耦合器130、第一功率传感器140、第二功率传感器150、USB集线器160、温度计170、第二负载180、第三负载190以及第四负载200，所述第二信号发生器通过第三耦合器与待测试器件放置端口的一端相连接，所述待测试器件放置端口的另一端通过第四耦合器与第四负载相连接，所述第三耦合器分别与第一功率传感器、第二负载相连接，所述第四耦合器分别与第二功率传感器、第三负载相连接，所述 USB集线器分别与第一功率传感器、第二功率传感器相连接，USB集线器用于将收集到的数据信号发送到外部数据分析端进行处理与分析；

所述温度计设置在待测试器件上，用于检测待测试器件的温度。

如图3所示，所述温度测量电路还包括放大器210、滤波器220，所述第二信号发生器与放大器相连接，所述放大器与滤波器相连接，所述滤波器与第三耦合器相连接。

如图4所示，本实施例中，还包括壳体，所述放大器功率测量电路、温度测量电路设置在壳体内。

本实施例的相关指标及其附件具体描述，射频接口为DIN716(f)，控制接口为USB2.0，电源为USB供电,80mA/5V，工作温度范围为0～+50℃，壳体尺寸(W×H×D)为483mm(W)×89mm(H)×360mm(D)；包括大功率测试电缆,Nm-DIN716m,1米、测试电缆,3GHz,Nm-Nm,1米、射频转接器,DIN716(m)-N(f)、温度计、USB信号源,0.5-2.2GHz,N、USB信号源,1-4GHz,N、射频功率放大器,0.82-0.96GHz,49dBm、射频功率放大器,1.8-2.2GHz,49dBm以及负载,150W,4GHz,N(f)。

本实施例具有以下功能：

1、测量功率放大器在不同功率等级下的S₁₁

当放大器的输入功率变化时，其输入VSWR也会随之变化，这种变化将会影响放大器与前一级电路的匹配。

本实施例可以测量放大器在不同功率等级下S₁₁，最终测试结果可帮助设计者了解放大器的输入特性，正确设计系统中的相关参数。

2、测量功率放大器在不同输出功率时增益及其变化量

用本实施例可以方便直观地测量功率放大器在不同输出功率时的增益，从而确定放大器的P1dB输出功率，还可以为系统的自动增益控制提供设计依据。

3、测量无源器件在不同功率等级下的S₂₁参数及其变化量

当无源器件工作在大功率状态下时，其插入损耗(S₂₁)会发生变化。如一个50W/30dB的固定衰减器，当输入功率从零增加到50W时，其衰减量可能会变化1.1dB，在测试和测量场合，这种误差不可忽视；其它的例子有用于功率放大器的微带电路板、铁氧体隔离器等。

4、评估无源器件在大功率的持续作用下温度的变化以及烧穿分析

当无源器件工作在额定功率的临界状态下时，其温度会逐渐升高，设计不当的话，无源器件可能产生烧毁现象。

本实施例可以根据不同的评判标准(如S₂₁的变化量)来测量并记录DUT 的温度随功率和时间的变化，及最终的烧穿分析。本实施例的这项功能有助于无源大功率组件设计中材料的正确选择和评估。

5、测量并分析功率放大器的温度及其变化量

本实施例可提供多个温度传感器来同时检测功率放大器各个部位的温度，为放大器的散热设计提供依据。

6、测量功率放大器在不同输出功率等级下的S₂₂(Hot S₂₂)

这项功能对于射频功率放大器的设计和调试有着重要的意义。功率放大器在不同的输出功率等级下，其输出S₂₂是不同的，正确测量其变化量，有助于放大器输出匹配电路的正确设计，以提高放大器的工作稳定性和效率。

使用过程中，本实施例依据S参数的原理，可以测量出在大功率状态下S 参数的四个要素a₁、b₁、a₂、b₂，从而计算出DUT(或AUT)的插入损耗(增益)、输入驻波、输出驻波、反向隔离等指标。此外，本实施例还具备温度测量和效率测量功能，可为器件和系统设计提供实用的设计依据。测试者可以根据器件的测试要求及其在系统中的应用要求来进行各种性能分析，如温度随功率的变化、S₂₁随时间的变化等。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。