专利名称：传感器装置、测量系统及校准方法
技术领域：
本发明涉及在例如测量射频(RF)信号功率的系统中使用的功率测量仪和传感器装置。具体而言，本发明涉及一种用于测量RF信号功率的系统，所述系统以方便于所述系统用户的方式提高了测量置信度和仪器精度。
背景技术：
用于在制造、安装和维护期间测试RF设备的标准RF功率测量系统包括通过电缆耦合到传感器单元的测量仪单元。一般而言，传感器单元包括传感元件，其将RF功率转换成等价的电压或电流信号。该传感元件一般是二极管或热电偶。该电压或电流信号可被例如放大和调节，使得测量仪单元能提供功率指示。
为了保证测量符合国家标准，以上类型的RF功率测量系统需要校准。在这一方面，通常进行两种校准过程工厂校准和用户校准。
工厂校准或者是在制造期间进行，或者是在定期的校准时间间隔(一般是一年)时进行，此时将测量仪单元、传感器单元和电缆返回工厂来校准。在多个频率点处对应传递标准来校准传感器单元，以确定传感器单元的校准因子。校准因子综合表示在某个频率处的传感器元件效率和失配损耗(RF功率源与传感器单元的输入的耦合效率的度量)，并在测量之后由测量仪单元作为测量校正而应用。因为传感元件是非线性设备，所以还校准测量仪单元以保持系统测量的线性。另外，测量仪单元通常配备有使用传递标准设定的参考功率源。
尽管工厂校准是需要的，但在测量仪单元的整个工作寿命期间使用不同的测量仪单元/电缆/传感器单元组合是很常见的。因此，有必要对特定的测量仪单元/电缆/传感器单元组合校准，并且众所周知，这是由测量仪单元的用户完成的。
在正常使用期间，传感器单元通过电缆连接到测量仪单元上。当没有输入RF信号时，由测量仪单元给出的读数中存在的偏移随后通过由测量仪单元自动完成的偏移去除过程(通常称为调零或自调零)而从测量系统中去除。测量仪单元和传感器单元的增益被认为是单个“通路增益”，于是系统可以通过这样来测量绝对功率将传感器单元与受测试的设备断开连接；将传感器单元连接到参考源上；以及执行测量仪单元提供的自动校准过程。因为测量仪单元知道所用参考源的功率，所以测量仪单元的增益因子可由测量仪单元来调节，以保证在考虑通路增益的情况下显示参考源功率的正确值。然后将传感器单元重新连接到受测试的设备上，并且测量仪单元可以测量并显示正由受测试的设备所产生的信号的绝对功率。如果所测量信号的频率不同于参考源的频率，那么用于所测量信号频率的传感器单元的校准因子应当从随功率测量系统提供的硬拷贝信息中手动地输入到测量仪单元中，以保证测量仪单元显示正确的功率。
随着时代的发展，现在功率测量系统的复杂度已增加到这样的程度，使得可以在电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中存储校准因子，EEPROM位于传感器单元中并且测量仪单元对其是可读取的。另外，二极管型的传感元件现在可以在固有的操作范围之外操作，其中功率以线性的方式转换为电流或电压。通过在传感器单元的工厂校准过程中提供进一步的阶段而使得能够如此操作二极管。该进一步的阶段要求传感器单元通常在参考源的相同频率处经受多个已知的RF功率电平，并且测量传感器单元的响应并将其存储在EEPROM中。然后当传感器单元连接到受测试的设备时，测量仪单元使用此数据来产生使传感器单元的输出线性化的校正功能，并由此允许更宽的动态范围的测量。包含上述与传感器单元相关的校准因子的校准数据，作为以和参考源的所测输出功率相关的项来表达的数据而存储在EEPROM中，使得用户能进行对传感器单元的线性度和频率校准。
本领域另一个进展是在传感器单元中提供了温度传感元件。因为传感元件的温度能影响流过传感元件的电流，所以通过测量传感元件的温度，可以对使用传感器单元所做的功率测量施加温度变化的校正。传感器单元的某些工厂校准过程包括测量传感器单元的温度变化，这些数据也存储在EEPROM中。
关于用户校准过程，如上所述，用户必须定期将传感器单元与受测试的设备断开连接，并将传感器单元连接到测量仪单元的参考源。在校准之后，用户还必须将传感器单元重新连接到受测试的设备。在这个部分手动的过程中，如果参考源没有有效地机械连接到传感器单元上，则可能产生测量误差。此外，用户校准过程也不是很方便，并且依靠RF源来测量主要是直流(DC)电路的电路(这里称为通路增益校准)，其中RF源会带来相关联的失配不确定性。另外，在用户校准过程期间，假定在工厂校准过程期间实现的多方面特性还是有效的，这样用户校准过程实际上仅仅是有效地测试功率测量系统的一般完整性以及从传感器单元的输出到测量仪单元的采集电路(acquisition circuitry)的通路增益特性。
为了减轻上述缺点，已经为功率测量系统开发了其它的设计。这些设计采用了所谓的“不用校准(no-cal)”解决方案，使用户无需进行用户校准过程的断开连接和重新连接。于是，试图减少构成功率测量系统的可变组件的数量，一种公知类型的功率测量系统具有永久耦合到特征化传感器单元上的电缆，因此减少了组成功率测量系统的独立组件的组合。
因此，功率测量系统的以上“no-cal”解决方案不能允许用户改变电缆，而这当在制造时提供的电缆随后损坏了的时候可能发生。其它一些no-cal解决方案也限制了用户改变电缆的能力。而且，这些解决方案没有考虑内部组件的磨损或老化，以及由此对功率测量精度的损害。这样，公知的功率测量系统和相关联的校准技术从精度或执行的角度来看并不完全令人满意。因此需要这样一种功率测量系统，其与传统的方法相比能进行更精确的测量，但又没有将传感器单元与受测试的设备断开连接以及连接的干扰性要求。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量电磁信号功率的功率测量系统，所述系统包括测量单元，用于将源于传感器的电信号转换成功率测量；传感器单元，包括所述传感器和放大电路；电缆，用于将所述测量单元耦合到所述传感器单元，所述传感器单元和所述电缆定义了一条通路，所述通路用于将源于所述传感器的所述电信号传送到所述测量单元；以及参考信号源，其可被接入所述通路，以将所述参考信号传送到所述测量单元。
可安排所述参考信号源代替所述传感器而耦合到所述放大电路。
除了所述传感器耦合到所述放大电路之外，还安排所述参考信号源作为对所述传感器的激励而耦合到所述放大电路。
可安排所述参考信号源产生固定参考信号。或者或附加地，所述参考信号可改变幅值以表征所述传感器的特性。
所述参考信号可以是直流(DC)信号。
所述传感器单元还可包括温度相关组件，其提供对所述传感器单元内温度的指示。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于功率测量系统的传感器单元装置，所述装置包括传感器；耦合到所述传感器的放大电路；和参考信号源，可耦合到所述放大电路，以将所述参考信号经由电缆传送到测量单元。
可安排所述参考信号源代替所述传感器而耦合到所述放大电路。
除了所述传感器耦合到所述放大电路之外，还安排所述参考信号源作为对所述传感器的激励而耦合到所述放大电路。
可安排所述参考信号源产生固定参考信号。或者或附加地，所述参考信号可改变幅值以表征所述传感器的特性。
所述装置还可包括温度相关组件，其提供对所述传感器单元装置内温度的指示。
所述参考信号可以是直流(DC)信号。
根据本发明的第三方面，提供了一种保持功率测量系统精度的方法，所述系统包括通过电缆耦合到测量仪单元的传感器单元，所述方法包括以下步骤产生测试信号；经由由所述传感器单元、所述电缆和所述测量仪单元定义的通路，在所述测量仪单元处接收所述测试信号；以及响应于所述测试信号校准所述测量仪单元；所述测试信号是接入所述通路的参考信号。
这样就可以提供一种传感器单元装置、一种功率测量系统和一种保持功率测量系统精度的方法，所述装置、系统和方法提高了测量置信度和仪器精度，提供了用户方便，并允许基于每个测量仪单元来进行精确的DC通路增益计算。所提供的内置参考信号可切换到测量通路中来建立通路增益，这就允许通路增益校准作为自动过程而由测量仪单元控制来以一种对用户完全透明的方式执行。所述通路增益校准还是可独立验证的，现有的系统和方法无法提供这样的精度。为了向传感元件提供激励而将参考信号切换到测量通路中，这种能力还允许从传感元件对参考信号激励的响应来验证传感元件的正确操作。比起现有系统和方法，通过改变参考信号激励，可以获得传感元件传递特性的更敏感表示，并由此完成对传感元件的正确操作的验证的改进。这样就可以验证传感器单元在正确运行而且传感元件的某些特性一直没有改变。由此就克服了在许多现有功率测量系统中的固有限制，尤其是那些“不用校准”类的系统。再者，对传感元件传递特性的验证可作为由测量仪单元控制的自动过程来完成，并对用户透明。
本发明的另一个好处是将传感元件与传感器单元的放大器断开连接的能力，由此在传感器单元耦合到受测试的设备的同时，允许测量仪单元执行自动测量偏移去除过程。
因为内部参考源可用来校准热敏电阻测量通路，所以还可以进行对不同测量仪单元可重复的精确的绝对热敏电阻测量。因此上述优点使得传感器单元、电缆和测量仪单元可以分开提供，并使得功率测量系统在这方面十分灵活，即允许用户替换系统的一个或多个部分并同时保持系统测量精度的置信度，而且无需将传感器连接到外部的RF功率源。


现在参考附图且仅以示例的方式描述本发明的至少一个实施例，其中图1是功率测量系统的示意图；
图2是图1的传感器单元的电路图；图3是图2电路的校准过程的流程图；和图4是图2电路的传感器验证过程的流程图。
具体实施例方式
在整个以下描述中，相同的标号将用来标识类似的部分。
参考图1，功率测量系统100包括经由电缆106而耦合到传感器单元104的测量仪单元102。测量仪单元102包括耦合到显示器110的微处理器108；易失性存储器112，例如随机访问存储器(RAM)；和非易失性存储器114，例如只读存储器(ROM)。
测量仪单元102还包括输入/输出端口116，电缆106的第一末端耦合到该端口。测量仪单元102是设计成与特定类型的传感器单元和电缆一起工作的测量仪单元。
传感器单元104包括输出端口118，其具有多个接线端。所述多个接线端中的一个是耦合到放大电路120的检测信号输出引脚(在图1中未示出)，该放大电路120耦合到例如是零偏置二极管的传感器122。EEPROM124也耦合到输出端口118的多个接线端中的一个，即EEPROM引脚(图1中未示出)，EEPROM124存储传感器122的特征。
参考图2，传感器单元104包括输入端口200，要测量的RF功率源耦合到该端口。输入端口200耦合到二极管122的负极和第一电阻器202的第一接线端，而第一电阻器202的第二接线端耦合到输出端口118的地线引脚204。二极管122的正极耦合到第一电可控开关206的第一接线端，第一开关206的第二接线端耦合到互阻抗放大器(TIA)210的反相接线端208。TIA210的反相接线端208耦合到反馈电阻器212的第一接线端，反馈电阻器212的第二接线端耦合到TIA210的输出接线端214。TIA210的输出接线端214还经由输出电阻器218耦合到检测信号输出脚216。
TIA210的非反相输入接线端220耦合到电可控双路开关222的第一接线端。双路开关222的第二接线端耦合到地线引脚204，而双路开关222的第三接线端耦合到输出端口118的可变输入电压引脚224和第二电可控开关226的第一接线端。第二开关226的第二接线端耦合到第二电阻器228的第一接线端和第三电阻器230的第一接线端，第二和第三电阻器组成分压器。第二电阻器228的第二接线端耦合到地线引脚204，而第三电阻器230的第二接线端耦合到固定参考电压源234的输出接线端232。固定参考电压源234可以是本领域公知的任何能够产生固定电压信号的合适电路。
输出接线端232还耦合到第四电阻器235的第一接线端，第四电阻器235的第二接线端耦合到第三电可控开关236的第一接线端和输出端口118的热敏电阻输出引脚238。第三电可控开关236的第二接线端耦合到热相关组件的第一接线端，所述热相关组件例如是热敏电阻240，热敏电阻240的第二接线端耦合到地线引脚204。
在操作中，通过使用电缆106将测量仪单元102耦合到传感器单元104而装配功率测量系统100。
参考图3，例如通过使用由显示器110展示的图形用户界面(GUI)(未示出)来选择校准模式，而将测量仪单元102置于内部校准模式。
一旦进入校准模式，测量仪单元102就从EEPROM124下载校准数据。在此例子中，EEPROM124存储传感器122从RF直到DC电压的传递特性，该特性是在RF功率电平范围、RF频率范围和用于RF测试的温度范围之上测量的。另外，EEPROM124存储由固定参考电压源234产生的电压的所测电压，并且存储在DC电压电平范围和温度范围上施加到可变输入电压引脚224的DC电压信号所得到的传感器122的传递特性。
一旦已经从EEPROM124下载了校准数据，就执行内部校准过程，所述过程包括，测量仪单元102通过处理器108在需要的情况下驱动第三开关236，以将热敏电阻240经由第四电阻器235而耦合(步骤300)到固定参考电压源234。一旦耦合到固定参考电压源234，热敏电阻240上的电压就构成温度测量值。温度测量值由处理器108存储在RAM112中，随后处理器驱动第三开关236将热敏电阻240断开连接(步骤300)。如果需要，处理器108随后还驱动第一开关206，以将传感器122与TIA210的反相输入接线端208断开连接(步骤300)。如果需要，处理器108还驱动双路开关222和第二开关226，以将由第二和第三电阻器228、230形成的分压器耦合(步骤302)到TIA210的非反相输入接线端220。于是，由固定参考电压源234所产生电压的一定比例被施加到TIA210的非反相输入接线端220，所述电压的一定比例与第二和第三电阻器228、230的比值相一致。由固定参考电压源234所产生电压的一定比例由测量仪单元102测量(步骤304)，即经受通路增益之后，其中通路增益是表征给定信号在给定通路上所经受的幅值变化的因子，所述变化例如是给定信号的转换以及给定信号所经受的损耗。正如本例子中的，一般通路增益由以下因素引起放大电路120、电缆106、测量增益以及通过模数转换器(ADC，未示出)而将测量仪单元102接收的模拟信号转换到数字域。
将由固定参考电压源234所产生电压的所测量比例与从EEPROM124下载的期望固定参考电压进行比较(步骤304)。然后基于期望固定参考电压与由固定参考电压源234所产生电压中所测量比例之间的任何不同，处理器108计算(步骤306)增益校准乘数。然后将所计算的校正乘数存储(步骤308)在RAM112中，用于随后由功率测量系统100进行的对测量的通路增益调节。
应该认识到测量仪单元102包括测量增益设置，而传感器单元104包括传感器增益设置。从而，一旦已经存储了增益校准乘数，那么处理器108就确定(步骤310)传感器单元104是否已经在全范围测试条件下校准了，所述全范围测试条件例如是不同的测量增益设置以及不同的传感器增益设置。如果处理器108确定(步骤310)传感器单元104还未在全范围测试条件下校准，那么处理器108就改变(步骤312)测试条件，例如传感器增益设置，并重复上述步骤300到310。或者，如果处理器108确定(步骤310)传感器单元104已经在全范围测试条件下校准了，那么校准过程就完成了。
应该认识到温度可以是另一测试条件，传感器单元104可在其上校准，因此热敏电阻240可用来提供此目的所需的进一步的常规温度测量。
参考图4，在内部校准过程之外或者代替内部校准过程，还可采用传感器验证过程。在传感器验证过程中，处理器108在需要的情况下驱动第三开关236，以保证第三开关236关闭并且可通过测量地线引脚204和热敏电阻输出引脚238上的电压来进行温度测量。如果需要，处理器108随后还驱动第一开关206，以保证(步骤400)第一开关206关闭并且传感器122耦合到TIA210的反相输入接线端208。另外如果需要，处理器108还驱动第二开关226和双路开关222，来将分压器与TIA210的非反相输入引脚220断开连接，并且将可变输入电压引脚224连接(步骤402)到TIA210的非反相输入引脚220。
一旦完成以上的连接和断开连接操作，处理器108就将DC电压范围内的第一个施加到可变输入电压引脚224和地线引脚204之间，并随后扫过(步骤404)该DC电压范围。测量仪单元102通过测量传感器122上施加的电压来测量(步骤406)传感器122的响应，并将施加到传感器122上的测量电压与施加到传感器122上的实际电压进行比较。作为以上比较的结果，确定传感器122的I-V特性，并将其与从EEPROM124得到的在测量温度处传感器122的期望I-V特性进行比较。通过比较所测量的传感器122的I-V特性与其期望的I-V特性，处理器108可确定(步骤408)传感器122的I-V特性是否已经改变，并由此确定传感器122不再适合于执行测量，例如RF功率测量。如果确定了传感器122不再适合于测量，则认为传感器验证过程完成了。
如果认为传感器122仍然在可接受的限度内操作，则随后处理器108确认(步骤410)已在全范围的测试条件下验证了传感器122，已经在以上第一校准过程中描述了所述条件的内容。如果已在全范围的测试条件下验证了传感器122，则认为传感器验证过程完成了。但是如果，例如还未在全范围的温度下校准传感器122，其中功率测量系统100在所述全范围的温度下操作，则如上所述地来改变(步骤412)测试条件并重复上述传感器验证过程的步骤400到412。
权利要求
1.一种用于测量电磁信号功率的功率测量系统，所述系统包括测量单元，用于将源于传感器的电信号转换成功率测量；传感器单元，包括所述传感器和放大电路；电缆，用于将所述测量单元耦合到所述传感器单元，所述传感器单元和所述电缆定义了一条通路，所述通路用于将源于所述传感器的所述电信号传送到所述测量单元；和参考信号源，可被接入所述通路，以将所述参考信号传送到所述测量单元。
2.如权利要求1所述的系统，其中安排所述参考信号源代替所述传感器耦合到所述放大电路。
3.如权利要求1所述的系统，其中除了所述传感器耦合到所述放大电路之外，还安排所述参考信号源作为对所述传感器的激励而耦合到所述放大电路。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述参考信号是直流信号。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器单元还包括温度相关组件，其提供对所述传感器单元内温度的指示。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述参考信号改变幅值以表征所述传感器的特性。
7.一种用于功率测量系统的传感器单元装置，所述装置包括传感器；放大电路，耦合到所述传感器；和参考信号源，可耦合到所述放大电路，以将所述参考信号经由电缆传送到测量单元。
8.如权利要求7所述的装置，其中安排所述参考信号源代替所述传感器耦合到所述放大电路。
9.如权利要求7所述的装置，其中除了所述传感器耦合到所述放大电路之外，还安排所述参考信号源作为对所述传感器的激励而耦合到所述放大电路。
10.如权利要求7所述的装置，其中安排所述参考信号源产生固定参考信号。
11.如权利要求7所述的装置，还包括温度相关组件，用于提供对所述传感器单元装置内温度的指示。
12.如权利要求7所述的装置，其中所述参考信号是直流信号。
13.如权利要求9所述的装置，其中所述参考信号改变幅值以表征所述传感器的特性。
14.一种保持功率测量系统精度的方法，所述功率测量系统包括通过电缆耦合到测量仪单元的传感器单元，所述方法包括以下步骤产生测试信号；经由由所述传感器单元、所述电缆和所述测量仪单元定义的通路，在所述测量仪单元处接收所述测试信号；以及响应于所述测试信号校准所述测量仪单元；所述测试信号是接入所述通路的参考信号。
全文摘要
本发明提供了一种功率测量仪，其中，校准作为由测量仪控制的自动过程来执行。提供了一种用于测量电磁信号功率的功率测量系统，包括测量单元，用于将源于传感器的电信号转换成功率测量；传感器单元，包括所述传感器和放大电路；电缆，用于将测量单元耦合到传感器单元，传感器单元和电缆定义了一条通路，所述通路用于将源于传感器的电信号传送到测量单元；以及参考信号源，可被接入通路，以将参考信号传送到测量单元。还提供了一种用于功率测量系统的传感器单元装置，所述装置包括传感器；耦合到所述传感器的放大电路；和参考信号源，其可耦合到所述放大电路，以将所述参考信号经由电缆传送到测量单元。并提供了一种保持功率测量系统精度的方法。
文档编号G01R21/00GK1519566SQ20041000048
公开日2004年8月11日 申请日期2004年2月2日 优先权日2003年1月31日
发明者艾伦·安德森, 埃里克·布雷克恩里奇, 布雷克恩里奇, 艾伦 安德森 申请人:安捷伦科技有限公司