专利名称：S参数测量装置的制作方法
技术领域：
S参数测量装置技术领域[0001]本实用新型涉及微波领域，特别涉及微波领域中S参数的测量技术。
技术背景[0002]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。[0003]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。在图1中，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ai，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Iv从负载返回网络的反射波为对于匹配负载，这个反射波数值为零)。[0004]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。[0005]比如说，一个标称衰减量为30dB的100W衰减器，用网络分析仪(测试功率ImW)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。[0006]又或者，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电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，简称“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。[0007]又或者，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。[0008]然而，传统的S参数的测试手段是通过网络分析仪进行测试，但仅仅能够完成被测器件在小信号情况下的测试，无法了解到器件在真实工作状态下，大功率的情况下，其各项参数是否会变化，以及会发生怎样的变化。也就是说，传统的网络分析仪无法实现大功率状态下的S参数测试，从而无法有效地仿真被测器件在真实环境下的工作状态。实用新型内容[0009]本实用新型的目的在于提供一种S参数测量装置，使得在大功率状态下也能测试被测器件的S参数，从而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。[0010]为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种S参数测量装置，包含 2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和与被测器件相连的2 个定向耦合器；4[0011]每个所述信号发生器分别与一个所述定向耦合器相连；每个所述定向耦合器与2 个所述功率检波器连接，每个所述功率检波器分别连接一个所述模数转换器，所有模数转换器均连接至所述中央控制器；[0012]所述2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件；[0013]所述4个功率检波器将所述2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的A^i1I2分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给所述中央控制器，由所述中央控制器根据经模数转换后的ai、^ipb1和b2，测量S参数；[0014]其中，所述 为端口 1的入射波；所述 为端口 2的入射波；所述Id1为端口 1的反射波；所述1 为端口 2的反射波。[0015]本实用新型实施方式相对于现有技术而言，4个功率检波器将2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的a” a2、b” b2分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给中央控制器，由中央控制器根据经模数转换后的&1、a2、h和b2，测量S参数。其中，2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件。由于所有系统器件都采用大功率容量设计，因此可以测量出在大功率状态下S 参数的四个要素 、Eipb1和Iv从而计算出被测无源器件(Device Under Testing，简称 “DUT”)或被测有源器件(Amplifier Under Testing，简称“AUT，，)的插入损耗(增益)、输入驻波、输出驻波、反向隔离等指标，进而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。[0016]另外，S参数测量装置还包含温度检测器及其相应的模数转换器。所述温度检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的温度，另一端连接至相应的模数转换器， 将检测到的温度经该模数转换器转换为数字信号，该模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的温度传输至所述中央控制器。使得该S参数测量装置能够测量被测器件在大功率持续作用下温度的变化以及烧穿分析。[0017]另外，S参数测量装置还包含电压检测器、电流检测器及各自相应的模数转换器。所述电压检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电压，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电压经该模数转换器转换为数字信号，该模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电压传输至所述中央控制器。所述电流检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电流，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电流经该模数转换器转换为数字信号，该模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电流传输至所述中央控制器。使得该S参数测量装置能够对被测器件在大功率持续作用下的电流、电压变化进行检测。[0018]另外，S参数测量装置外接电脑，中央控制器将测量到的S参数输出给外接的电脑进行分析。使得所有的测试均可由自动化测试软件来完成。有了前台的测试数据，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随时间的变化等等。最终测试结果也可以在后台进行各种分析并以Excel格式输出测试报告。


[0019]图1是通用的通用二端口网络示意图；[0020]图2是根据本实用新型第一实施方式的S参数测量装置结构示意图；[0021]图3是根据本实用新型第一实施方式中的S参数测量示意图；[0022]图4是根据本实用新型第一实施方式中的测量功率放大器在不同功率等级下的 S11的仿真图；[0023]图5是根据本实用新型第一实施方式中的测量功率放大器在不同输出功率时增益及其变化量的仿真图；[0024]图6是根据本实用新型第一实施方式中的测量无源器件在不同功率等级下的S21 参数及其变化量的仿真图；[0025]图7是根据本实用新型第一实施方式中的测量功率放大器在不同输出功率等级下的S22的仿真图；[0026]图8是根据本实用新型第二实施方式的S参数测量装置结构示意图；[0027]图9是根据本实用新型第二实施方式中的检测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仿真图；[0028]图10是根据本实用新型第二实施方式中的测量并分析功率放大器的温度及其变化量的仿真图。
具体实施方式
[0029]本实用新型的第一实施方式涉及一种S参数测量装置。本实施方式中的S参数测量装置实际上是一台大功率、大动态范围的标量网络分析仪，其测试功率可以从毫瓦级至千瓦级，测试频率从2MHz至18GHz。本实施方式中的被测器件可以是有源器件，也可以是无源器件。[0030]本实施方式中的S参数测量装置具体结构如图2所示，包含2个信号发生器(101 与102)、4个功率检波器(301,302,303与304)、4个模数转换器(401,402,403与404), 1 个中央控制器(501)、与被测器件相连的2个定向耦合器QOl与20 。该S参数测量装置中所包含的所有器件均为功率容量大于预设门限的器件。[0031]每个信号发生器分别与一个定向耦合器相连；每个定向耦合器与2个功率检波器连接，每个功率检波器分别连接一个模数转换器，所有模数转换器均连接至中央控制器。也就是说，如图2所示，信号发生器101与定向耦合器201相连接，信号发生器102与定向耦合器202相连接。定向耦合器201和定向耦合器202接至被测器件。功率检波器301和功率检波器302与定向耦合器201相连，功率检波器303和功率检波器304与定向耦合器202 相连。模数转换器401与功率检波器301相连，模数转换器402与功率检波器302相连，模数转换器403与功率检波器303相连，模数转换器404与功率检波器304相连。模数转换器401、模数转换器402、模数转换器403、模数转换器404均接至中央控制器501。[0032]4个功率检波器将2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的 %、％、bp ID2分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给中央控制器，由中央控制器根据经模数转换后的A^yb1和Iv 测量S参数。其中， 为端口 1的入射波；a2为端口 2的入射波办为端口 1的反射波；b2为端口 2的反射波。[0033]具体地说，S参数包含S11A21A2^S1215 S11表示向端口 1注入信号时端口 1的反射信号，此时端口 2没有信号输入(即 为0) ；S21表示向端口 1注入信号时出现在端口 2的信号，此时端口 2没有信号输入各2表示向端口 2注入信号时端口 2的反射信号，此时端口 1没有信号输入(即 为0) ；S12表示向端口 2注入信号时测量到的出现在端口 1的信号， 此时端口 1没有信号输入。[0034]也就是说，S11表示当接端口 1的信号发生器101工作，接端口 2的信号发生器102 作为匹配负载时，端口 1的电压反射系数；S21表示当接端口 1的信号发生器101工作，接端口 2的信号发生器102作为匹配负载时，从端口 1到端口 2的传输系数，即增益或损耗。S22 表示当接端口 1的信号发生器101作为匹配负载，接端口 2的信号发生器102工作时，端口 2的电压反射系数；S12表示当接端口 1的信号发生器101作为匹配负载，接端口 2的信号发生器102工作时，从端口 2到端口 1的传输系数，即反向隔离或损耗。[0035]其中，功率检波器301将检测到的％传输至模数转换器401中，功率检波器302 将检测到的h传输至模数转换器402中，功率检波器303将检测到的ID2传输至模数转换器 403中，功率检波器304将检测到的％传输至模数转换器404中，如图3所示。由中央控制器501根据经模数转换后的bp B1测量Sn，
权利要求1.一种S参数测量装置，其特征在于，包含2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和与被测器件相连的2个定向耦合器；每个所述信号发生器分别与一个所述定向耦合器相连；每个所述定向耦合器与2个所述功率检波器连接，每个所述功率检波器分别连接一个所述模数转换器，所有模数转换器均连接至所述中央控制器；所述2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件；所述4个功率检波器将所述2个信号发生器分别输出不同功率信号时检测到的被测器件的^j2I1I2分别输入到与本功率检波器相连的模数转换器中，供该模数转换器将接收到的信号进行模数转换后输出给所述中央控制器，由所述中央控制器根据经模数转换后的 B1, B2^b1和b2，测量S参数；其中，所述 为端口 1的入射波；所述 为端口 2的入射波；所述ID1为端口 1的反射波；所述1 为端口 2的反射波。
2.根据权利要求1所述的S参数测量装置，其特征在于，所述S参数包含Sn、S21,S22,Si2 ；其中，S11表示向端口 1注入信号时端口 1的反射信号，此时端口 2没有信号输入； S21表示向端口 1注入信号时出现在端口 2的信号，此时端口 2没有信号输入； ^表示向端口 2注入信号时端口 2的反射信号，此时端口 1没有信号输入； S12表示向端口 2注入信号时测量到的出现在端口 1的信号，此时端口 1没有信号输入。
3.根据权利要求2所述的S参数测量装置，其特征在于，K所述中央控制器根据经模数转换后的bp 测量所述sn，其中，=— ；a,1 a2=0所述中央控制器根据经模数转换后的b2、B1测量所述S21，其中，S21 =—αχ η丄 ^2 =0所述中央控制器根据经模数转换后的b2、a2测量所述S22，其中，S22 =—Ci2 nL αλ= c K所述中央控制器根据经模数转换后的bp a2测量所述S12，其中，^2 =— α1=0O
4.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，所述信号发生器输出信号的功率范围在毫瓦级至千瓦级之间，频率范围在2MHz至 40GHz之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，所述S参数测量装置还包含温度检测器和与该温度检测器相应的模数转换器；所述温度检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的温度，另一端连接至所述相应的模数转换器，将检测到的温度经该模数转换器转换为数字信号；所述与该温度检测器相应的模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的温度传输至所述中央控制器。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于，所述S参数测量装置还包含电压检测器、电流检测器、与该电压检测器相应的模数转换器、与该电流检测器相应的模数转换器；所述电压检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电压，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电压经该模数转换器转换为数字信号；所述与该电压检测器相应的模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电压传输至所述中央控制器；所述电流检测器一端与所述被测器件连接，检测所述被测器件的电流，另一端连接至相应的模数转换器，将检测到的电流经该模数转换器转换为数字信号；所述与该电流检测器相应的模数转换器的另一端连接至所述中央控制器，将转换为数字信号的电流传输至所述中央控制器。中央控制器，将检测到的电流传输至所述中央控制器。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于， 所述被测器件包含有源器件和无源器件。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的S参数测量装置，其特征在于， 所述S参数测量装置外接电脑；所述中央控制器将测量到的S参数输出给外接的电脑进行分析。
专利摘要本实用新型涉及微波领域，公开了一种S参数测量装置。本实用新型中，S参数测量装置内所包含的2个信号发生器、4个功率检波器、4个模数转换器、1个中央控制器和与被测器件相连的2个定向耦合器均为功率容量大于预设门限的器件。由于所有系统器件都采用大功率容量设计，因此可以测量出在大功率状态下S参数的四个要素a1、a2、b1和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，进而能够仿真被测器件在真实环境下的工作状态。进一步地，S参数测量装置还可以包含温度检测器、电压检测器、电流检测器及各自对应的模数转换器，以便于进行温度、电流、电压变化的检测。
文档编号G01R31/00GK202256521SQ20112032980
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者朱辉, 瞿纯昊 申请人:朱辉, 瞿纯昊