一种调制域微波矢量网络分析仪校准方法

1.本发明涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种调制域微波矢量网络分析仪校准方法。


背景技术：

2.调制域是由信号的时间和频率构成的平面域，它反应信号的频率与时间的关系，在此基础上发展起来的调制域分析技术，已使用于电子对抗、雷达等众多领域。应用该技术研制出来的调制域矢量网络分析仪，是电子领域的重要仪器。
3.由于任何的测量装置都不可能是理想的，校准及误差修正是任何矢量网络分析仪中的关键技术之一。对于调制域矢量网络分析仪来说，在小信号激励的情况下，由于线性和非线性都存在着失真。因此对调制域网络分析仪的系统误差通过校准和误差修正进行消除十分重要。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种调制域微波矢量网络分析仪校准方法。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种调制域矢量网络分析仪校准方法，包含以下步骤：
7.步骤1)，针对在小信号激励下的调制域矢量网络分析仪，建立了待测网络的线性和非线性模型；
8.步骤2)，确定小信号线性激励下的误差模型，推导出误差模型各误差项的值；
9.步骤3)，根据误差项的值，计算在小信号线性激励下测量待测网络的小信号s参数；
10.步骤4)，推导计算由待测网络本身的非线性引起的待测网络的反射信号和传输信号的增益压缩和非线性失真，建立非线性模型，完成对调制域微波矢量网络分析仪的校准。
11.作为本发明一种调制域矢量网络分析仪校准方法进一步的优化方案，所述步骤2)的详细步骤如下：
12.步骤2.1)，基于调制域矢量网络分析仪的自身误差项、信号源不稳定和接收机的本底噪声，建立与调制域矢量网络分析仪的硬件特性有明确物理意义的各误差项对应关系的基础误差模型；
13.步骤2.2)，通过信号流图法根据所述基础误差模型建立误差模型；
14.步骤2.3)，根据单端口校准和二端口直通校准，对参数已知的校准件进行测量，获得s参数的原始测量值；
15.步骤2.4)，通过所述原始测量值与s参数的实际值之间的数学关系解算出所述误差模型各误差项的值。
16.作为本发明一种调制域矢量网络分析仪校准方法进一步的优化方案，所述调制域
矢量网络分析仪的自身误差项包括：第一端口方向性误差、第二端口方向性误差、第一端口反射跟踪误差、第二端口反射跟踪误差、第一端口等效源失配误差、第二端口等效源失配误差、正向传输跟踪误差、反向传输跟踪误差、正向负载失配误差、反向负载失配误差、以及正串话误差和反串话误差。
17.作为本发明一种调制域矢量网络分析仪校准方法进一步的优化方案，所述步骤3)的详细步骤如下：
18.步骤3.1)，进行功率校准：
19.对信号源的输出功率进行功率扫描，记录每一个扫描点的功率设定值并用功率计测得准确功率，功率扫描的范围覆盖调制信号的最小功率和最大功率；
20.步骤3.2)，用与实际调制信号具有相同互补累积分布函数和功率谱密度的信号a
1m
(f)加入待测非线性二端口网络的输入端，测得b
1m
(f)、b
2m
(f)与a
1m
(f)，b
1m
(f)、b
2m
(f)分别为待测网络的非线性二端口网络的反射响应、传输响应；
21.步骤3.3)，根据以下公式在小信号激励下测量待测网络的小信号s参数：
[0022][0023][0024]
式中，e
df
为第一端口的方向性误差，e
xf
为向串话误差，e
rf
为第一端口的反射跟踪误差，s
11
、s
21
分别为一端口发一端口收、一端口发二端口收的s参数测量值，e
l1
为正向负载失配误差，e
s1
为第一端口的等效源失配误差，e
t1
为正向传输跟踪误差。
[0025]
作为本发明一种调制域矢量网络分析仪校准方法进一步的优化方案，所述步骤4)的具体步骤如下：
[0026]
步骤4.1)，令待测网络的非线性二端口网络的反射响应b
1m
和传输响应b
2m
分别为b
1m
＝c
g1
(f)s
11
(f)a
1m
(f)+d1(f)
[0027]b2m
＝c
g2
(f)s
21
(f)a
1m
(f)+d2(f)
[0028]
其中，c
g1
(f)、c
g2
(f)分别表示反射响应、传输响应的增益压缩函数，d1(f)、d2(f)分别表示计算反射响应、传输响应时与输入信号x(f)线性无关的非线性失真，g
sm
(f)为小信号传递函数；
[0029][0030][0031][0032][0033]
其中，为a1与b1测量数据的相关系数，为a1与b2测量数
据的相关系数，为a1与a1测量数据的相关系数；
[0034]
步骤4.2)，根据以下公式得到非线性待测网络的反射响应、传输响应，建立非线性模型，完成对调制域微波矢量网络分析仪的校准：
[0035][0036]
其中
[0037][0038][0039][0040]
其中，
[0041][0042]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0043]
本发明直接对调制域矢量网络分析仪测量的结果进行误差校准，在测量过程中进行数学消除，快捷方便；同时考虑了校准过程中的线性激励和非线性激励的情况，能够进一步减小测量误差。
附图说明
[0044]
图1为一个实施例中调制域微波矢量网络分析仪校准方法的流程示意图；
[0045]
图2为一个实施例中的信号流图；
[0046]
图3为一个实施例中直通校准时的信号流图；
[0047]
图4为一个实施例中调制域网络分析仪二端口前向测量信号流图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0049]
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0050]
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部
分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
[0051]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种调制域微波矢量网络分析仪校准方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤s220，对调制域矢量网络分析仪进行校准，建立适当的误差模型，推导出误差模型各误差项的值。
[0053]
在一个实施例中，在12项误差模型分析的基础上，加入信号源不稳定和接收机的本底噪声，建立各误差项物理意义明确误差模型；用信号流图法通过建立矢量网络分析仪的完整误差模型，其中，正向测试时的误差模型端口1激励测量s11和s21，反向测试时的误差模型端口2激励测量s12和s22；在矢量网络分析仪测量之前，要必须进行单端口校准和二端口直通校准，即对参数已知的校准件进行测量，算出误差模型中的各误差项。
[0054]
其中，调制域网络分析仪是一种电磁波能量的测试设备，它既能测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值。为了方便描述，将两端口网络的两个端口用第一端口和第二端口进行区分，并将第一端口编号为1，第二端口编号为2。
[0055]
调制域网络分析仪的自身误差项主要来源有12个误差项(正向激励6项，反向激励6项)，根据信号激励方向，误差模型分为正向激励模式和反向激励模式，对应包含的误差项各6项，即：第一端口方向性误差(表示为e
d1
)、第二端口方向性误差(表示为e
d2
)、第一端口反射跟踪误差(表示为e
r1
)、第二端口反射跟踪误差(表示为e
r2
)、第一端口等效源失配误差(表示为e
s1
)、第二端口等效源失配误差(表示为e
s2
)、正向传输跟踪误差(表示为e
t1
)、反向传输跟踪误差(表示为e
t2
)、正向负载失配误差(表示为e
l1
)、反向负载失配误差(表示为e
l2
)、正串话误差(表示为e
x1
)和反串话误差(表示为e
x2
)。
[0056]
第一端口方向性误差(表示为e
d1
)和第二端口方向性误差(表示为e
d2
)：当待测件是匹配负载(γ
l
＝0)时，反射系数的测量值也不为零，其主要原因在于测试通道定向耦合器的方向性并非理想的无穷大，而为有限值。
[0057]
第一端口反射跟踪误差(表示为e
r1
)和第二端口反射跟踪误差(表示为e
r2
)：体现为频率改变时反射测量数据出现明显的起伏。其原因在于a)定向耦合器耦合端的幅度和相位的频率响应不能同步变化；b)接收机的两个通道由于路径长度和损耗不同而不能随频率同步变化。
[0058]
第一端口等效源失配误差(表示为e
s1
)和第二端口等效源失配误差(表示为e
s2
)：由第一端口和第二端口向仪器内部看去的等效源阻抗与系统阻抗不完全匹配(包括信号源失配和矢量网络分析仪引起的阻抗变化)而多次反射引起的误差。
[0059]
正向传输跟踪误差(表示为e
t1
)和反向传输跟踪误差(表示为e
t2
)：两条通道输出振幅相位(电长度)不能随频率同步变化，表现为在传输测量中出现明显波纹。
[0060]
正向负载失配误差(表示为e
l1
)和反向负载失配误差(表示为e
l2
)：由矢量网络分析仪的未激励端口不匹配而多次反射引起的误差。
[0061]
正串话误差(表示为e
x1
)和反串话误差(表示为e
x2
)：在第一端口和第二端口完全隔离的情况下(如分别接入匹配负载)，由于仪器内部泄露、耦合等，第一端口和第二端口通道之间的隔离特性非理想，造成的信号未经过矢量网络分析仪与待测网络直接泄露造成的
误差。
[0062]
在小信号激励的线性情况下，基于上述分析，根据图2，网络分析仪误差模型如下(只考虑正向测量)：
[0063]
网络分析仪在测量之前，必须进行校准，可采用solt校准方法，校准过程如下：
[0064]
当端口1接反射系数为γ
x
的单端口器件时，信号流图简化为图3所示，可得：
[0065][0066]
当γ
x
分别等于非理想匹配、开路以及短路反射系数γ
l
、γo和γs时，得
[0067][0068][0069][0070][0071]
其中为1端口接匹配负载时s
21
的测量值，而分别是1端口接匹配负载、开路、短路(均为非理想)校准件时反射系数的测量值。即可解出e
df
、e
rf
、e
sf
以及e
xf
四个误差项。然后将两端口直通，意味着s
11
＝s
22
＝0，s
12
＝s
21
＝1，此时，信号流图可表示为图4。
[0072]
由图4信号流图得
[0073][0074][0075]
由此可得
[0076][0077][0078]
其中分别为两端口直通时s11、s21的测量值。至此就确定了误差模型中的全部误差项，校准完成。
[0079]
步骤s240，根据误差项的值，计算在小信号线性激励下测量待测网络的小信号s参数。
[0080]
1)进行功率校准后并用与实际调制信号具有相同互补累积分布函数和功率谱密度的信号a
1m
(f)加入待测非线性二端口网络的输入端。
[0081]
2)校准后可准确测得一系列|a
1m
(f)|、|b
1m
(f)|、|b
2m
(f)|，并测得b
1m
(f)、b
2m
(f)与a1m
(f)的相位差
[0082]
3)在小信号激励下测量待测网络的小信号s参数。
[0083]
首先要进行功率校准，信号源的输出功率进行功率扫描，记录每一个扫描点的功率设定值并用功率计测得准确功率，应注意功率扫描的范围应覆盖调制信号最小功率和最大功率。
[0084]
然后用与实际调制信号具有相同互补累积分布函数和功率谱密度的信号a
1m
(f)加入待测非线性二端口网络的输入端，校准后可准确测得一系列|a
1m
(f)|、|b
1m
(f)|、|b
2m
(f)|，并测得b
1m
(f)、b
2m
(f)与a
1m
(f)的相位差相位差的测量可直接利用s参数的测量结果。
[0085]
从图2的信号流图可知
[0086]
a1＝a
1m
+e
sf
b1[0087]b1m
＝e
dfa1m
+e
rf
b1[0088]b2m
＝e
xfa1m
+e
tf
b2[0089]
可得由误差项和原始测量值表示的入射波、出射波
[0090][0091][0092][0093]
则经误差修正后待测网络的小信号s参数为
[0094][0095][0096]
至此，对待测网络的小信号激励的线性情况的s参数能够计算出来。
[0097]
步骤s260，计算由待测网络本身的非线性引起的反射信号和传输信号的增益压缩和非线性失真。
[0098]
非线性网络失真可以表示为输出信号的增益压缩和非线性失真。
[0099]
y(f)＝cg(f)g
sm
(f)x(f)+d(f)
[0100]
其中cg(f)表示增益压缩函数，d(f)表示与输入信号x(f)线性无关的非线性失真。而g
sm
(f)则是小信号传递函数。
[0101]
定义信号u(f)与信号v(f)的频域相关系数为
[0102]suv
(f)＝e[u
*
(f)v(f)]
[0103]
其中e[*]表示数学期望。d(f)与x(f)线性无关意味着s
dx
(f)＝0。可以证明
[0104]
[0105][0106]
因此非线性二端口网络的反射响应和传输响应分别为
[0107]b1m
＝c
g1
(f)s
11
(f)a
1m
(f)+d1(f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0108]b2m
＝c
g2
(f)s
21
(f)a
1m
(f)+d2(f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0109]
其中s
11
(f)、s
21
(f)为此前测得的小信号s参数。
[0110][0111][0112][0113][0114]
其中，为a1与b1测量数据的相关系数，为a1与b2测量数据的相关系数，为a1与a1测量数据的相关系数；
[0115]
由于测量装置本身是线性的，所以非线性待测网络的入射波a1(f)、反射波b1(f)与测量值a
1m
(f)、b
1m
(f)之间的关系仍然是：
[0116]a1m
(f)＝a1(f)-e
sf
b1(f)
[0117]b1m
(f)＝e
dfa1m
(f)+e
rf
b1(f)＝(e
rf-e
sfedf
)b1(f)+e
df
a1(f)
[0118]b2m
(f)＝e
xfa1m
(f)+e
tf
b2(f)＝e
tf
b2(f)+e
xf
(a1(f)-e
sf
b1(f))
[0119][0120]
其中
[0121][0122][0123]
[0124]
其中
[0125][0126][0127]
这样就得到了待测网络本身的非线性引起的反射信号和传输信号的增益压缩和非线性失真。
[0128]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0129]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0130]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。