基于矢量网络分析仪的二端口网络相移实时测试方法

摘要

本发明提出了一种基于矢量网络分析仪的二端口网络相移实时测试方法，包括以下步骤：S1、记录未接延迟段的初始零相位状态；S2、测试二端口网络的传输系数曲线图；S3、在曲线上标记出所需频点f0的初始相位θ0；S4、用矢量网络分析仪中电延迟功能来进行相位延迟补偿，当电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量时，记录在此之前相位回到初始相位θ0的次数n，计算插入的二端口网络的实际相移量。本发明采用基于矢量网络分析仪的测试值，结合基础的理论对测试数据进行处理，进而求得准确的相移值，完成了准确测试二端口网络插入相移的测试任务，能够广泛应用于等效为二端口网络的微波元器件测试过程中。

说明书

技术领域

本发明属于现代微波测试技术领域，特别涉及一种基基于矢量网络分析仪的二端口网络相移实时测试方法。

背景技术

任何一个微波系统，都是由各种微波元器件和微波传输线连接而成，微波传输线的特性可以用广义传输线方程来描述，而微波元器件的特性则可用等效网络来描述。描述微波网络的等效参数有S参数、Y参数、A参数和Z参数等。S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络，可以直接用网络分析仪测量得到。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。因S参数具有直观清晰的物理意义和易于测量等优点，故而目前大多数元器件都采用散射参数来描述其特性。其中，二端口网络是最典型的微波网络，任何一个单端口网络或多端口网络的散射参数的测定，都可以通过二端口网络参数的测定方法来完成。

对如图1所示的二端口网络，其散射参数S定义如下：

$>S_{ij}=\frac{b_i}{a_j}{|}_{a_{k=0,k\ne j}}$>

上式中，a_i是第i端口的入射波，b_i是第i端口的出射波，a_i和b_i都是相对于参考截面而言的，此参考截面称为第i端口的参考面或端面。

依定义式可知散射参数的物理意义：S_ii是当所有其他端口端接匹配负载时端口i的反射系数，S_ij是当所有其他端口端接匹配负载时从端口j至端口i的传输系数。

二端口网络的插入相移是插入网络前后负载的电压(或电流)相位之差，二端口网络在匹配状态时，插入相移是θ_I正向传输系数S₂₁的相角，即θ_I＝∠S₂₁。

矢量网络分析仪是一个复杂的电磁波能量的测试系统，由测试信号源、功率分配器、定向耦合器、驻波比桥、测试接收机、检测器、处理器及显示等部分构成，主要用来测试高频器件、电路及系统的性能参数。矢量网络分析仪可以直接测量二端口网络的S参数，又能方便地将其转换为其他形式的特性参数。矢量网络分析仪测量二端口网络参数的基本思想是：根据四个S参数的定义，设计特定的信号分离单元将入射波、反射波、传输波分离开，再将入射波、反射波、传输波频率由微波线性变换到固定中频，最后利用中频幅相测量方法测出入射波、反射波、传输波的幅度和相位。矢量网络分析仪测得二端口网络S参数后，依公式θ_I0＝tan^-1S₂₁直接得到相移。而实际的相移量应为θ_I＝2nπ+tan^-1S₂₁，即矢量网络分析仪不能确定实际公式θ_I中的n值，而是直接取了n＝0，故使用矢量网络分析仪并不能确定具体的相移量。

目前使用矢量网络分析仪测试二端口网络相移，因无法准确测得插入相移值，多通过使用仿真软件进行估算，只能对相移做定性的分析与评估，并不能给出定量的结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的矢量网络分析仪无法准确测试二端口网络插入相移的不足，提出一种采用基于矢量网络分析仪的测试值，结合基础的理论对测试数据进行处理，进而求得准确的相移值，完成了准确测试二端口网络插入相移的测试任务的基于矢量网络分析仪的二端口网络相移实时测试方法。

用于将电信号延迟一段时间的元件或器件称为延迟线。延迟线应在通带内有平坦的幅频特性和一定的相移特性(或延时频率特性)，要有适当的匹配阻抗，衰减要小。近年来，随着电子工业的迅速发展，此类元器件应用于精确制导、卫星通信以及现代雷达系统等领域。相位延迟量是延迟线的技术指标中很重要的待测指标。本发明将电信号延迟引入到二端口网络相移测试中，利用电延迟补偿过程中，电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量的状态来计算二端口网络的实际相移量，完成准确测试二端口网络插入相移的测试任务。

本发明的以上目的是通过以下技术方案来实现的：基于矢量网络分析仪的二端口网络相移实时测试方法，包括以下步骤：

S1、对矢量网络分析仪进行校准，记录未接延迟段的初始零相位状态；

S2、将二端口网络的两个端口接入矢量网络分析仪的测试端口，测试二端口网络的传输系数S₂₁，并绘制S₂₁的曲线图；

S3、在S₂₁曲线上，标记出所需频点f₀的初始相位θ₀；

S4、用矢量网络分析仪中电延迟功能来进行相位延迟补偿，当电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量时，记录在此之前相位回到初始相位θ₀的次数n，计算延迟相位，即为插入的二端口网络的实际相移量：

进一步地，步骤S4中电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量的获取方法为：在不断加大电延迟补偿量过程中，S₂₁曲线图的相位斜率由初始的负斜率变成了正斜率，此时电延迟的补偿已经超过了延迟段的延迟相位，停止进行电延迟补偿；回调电延迟补偿量至相位斜率发生变化前有一个临界状态，即f₀处的相位为0°，此时S₂₁曲线的状态与未接入延迟段的相位状态相同，即电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量。

进一步地，所述的矢量网络分析仪带宽内至少包含有三个相位周期。

本发明的有益效果是：本发明提出的测试方法解决了矢量网络分析仪无法准确测试二端口网络插入相移的窘境，采用基于矢量网络分析仪的测试值，结合基础的理论对测试数据进行处理，进而求得准确的相移值，完成了准确测试二端口网络插入相移的测试任务，同时该测试方法简单易行，能够广泛应用于等效为二端口网络的微波元器件测试过程中。

附图说明

图1为二端口网络示意图；

图2为未接延迟段时的矢量网络分析仪初始相位；

图3为8GHz时未用电延迟处理的相位图；

图4为8GHz时电延迟补偿1λ的相位；

图5为8GHz时电延迟补偿2λ的相位；

图6为8GHz时电延迟补偿3λ的相位；

图7为8GHz时电延迟补偿4λ的相位；

图8为8GHz时电延迟补偿5λ的相位；

图9为8GHz时电延迟补偿6λ的相位；

图10为8GHz时电延迟补偿7λ的相位；

图11为8GHz时电延迟补偿8λ的相位；

图12为8GHz时电延迟补偿到临界零相位图；

图13为8GHz时电延迟补偿超过延迟段延迟斜率发生变化的相位图；

图14为16GHz时未用电延迟处理的相位图；

图15为16GHz时电延迟补偿1λ的相位图；

图16为16GHz时电延迟补偿2λ的相位图；

图17为16GHz时电延迟补偿3λ的相位图；

图18为16GHz时电延迟补偿4λ的相位图；

图19为16GHz时电延迟补偿5λ的相位图；

图20为16GHz时电延迟补偿6λ的相位图；

图21为16GHz时电延迟补偿7λ的相位图；

图22为16GHz时电延迟补偿8λ的相位图；

图23为16GHz时电延迟补偿9λ的相位图；

图24为16GHz时电延迟补偿10λ的相位图；

图25为16GHz时电延迟补偿11λ的相位图；

图26为16GHz时电延迟补偿12λ的相位图；

图27为16GHz时电延迟补偿13λ的相位图；

图28为16GHz时电延迟补偿14λ的相位图；

图29为16GHz时电延迟补偿15λ的相位图；

图30为16GHz时电延迟补偿16λ的相位图；

图31为16GHz时电延迟补偿到临界零相位图；

图32为16GHz时电延迟补偿超过延迟段延迟斜率发生变化的相位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

矢量网络分析仪可以直接测量二端口网络的S参数，采取合适的结果显示格式可直接读出相移量。矢量网络分析仪操作简单，界面简洁，测试结果可依测试人的需求设置为多种格式，结果清晰且易于读取。本发明的相移测试方法即是基于上述矢量网络分析仪。

延迟线是一种能将电信号延迟一段时间的元件或器件。在各类电子仪器和通信系统设计中，为了配合某些功能需要，常常需要使用延迟线，达到信号把信号延迟一段特定时间的目的。相位延迟量是延迟线的技术指标中很重要的待测指标。本发明的实施例中，所使用的一定长度的同轴电缆即相当于上述说明中的二端口网络，如图1所示。

基于矢量网络分析仪的二端口网络相移实时测试方法，包括以下步骤：

S1、对矢量网络分析仪进行校准，记录未接延迟段的初始零相位状态；

S2、将二端口网络的两个端口接入矢量网络分析仪的测试端口，测试二端口网络的传输系数S₂₁，并绘制S₂₁的曲线图；

S3、在S₂₁曲线上，标记出所需频点f₀的初始相位θ₀；

S4、用矢量网络分析仪中电延迟功能来进行相位延迟补偿，当电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量时，记录在此之前相位回到初始相位θ₀的次数n，计算延迟相位，即为插入的二端口网络的实际相移量：

进一步地，所述的步骤S4中电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量的获取方法为：在不断加大电延迟补偿量过程中，S₂₁曲线图的相位斜率由初始的负斜率变成了正斜率，此时电延迟的补偿已经超过了延迟段的延迟相位，停止进行电延迟补偿；回调电延迟补偿量至相位斜率发生变化前有一个临界状态，即f₀处的相位为0°，此时S₂₁曲线的状态与未接入延迟段的相位状态相同，即电延迟的补偿量等于延迟段的延迟量。

进一步地，所述的矢量网络分析仪带宽内至少包含有三个相位周期。

下面分别计算所测频率为8GHz和16GHz来验证本发明的算法的可靠性。

在进行测试之前需要说明测试带宽的选择，由于测试相位时需要观察带宽内周期数的变化，故在选择时需要带宽内至少包含有三个相位周期。对矢量网络分析仪进行校准，其工作频率为5GHz-20GHz，记录未接延迟段的初始零相位状态，如图2所示，完成后，将同轴电缆接入矢量网络分析仪的测试端口，测试其S₂₁曲线。在测试结果中选取来说明本测试方法的具体步骤，如图3-32所示。

(1)图3为未进行点延迟处理的相位曲线图；如前所述在8GHz处添加标记确定初始相位θ₁＝-59.39°。用电延迟功能进行补偿，当延迟相位θ₁第一次变成初始相位时，相位补偿了1λ，如图4所示。不断用电延迟进行补偿，如图5～11所示，从图5～11可以发现带宽内的相位周期不断减少；图12为本实施例电延迟补偿到临界零相位的曲线图，图13为本实施例电延迟补偿超过延迟段延迟斜率发生变化的曲线图；对比图11和图13可以发现相位斜率由负斜率变成了正斜率，此时电延迟的补偿已经超过了延迟段的延迟相位，停止加大电延迟补偿量，回调电延迟补偿量进入临界状态，即8GHz处相位为0°，此时的S₂₁相位曲线如图12所示，对比图2和图12发现此时的状态与未接入延迟段的相位状态相同，即电延迟补偿量即为延迟段的延迟相位；得到临界状态前延迟相位θ回到初始相位θ₁的次数为n₁＝8；故可求出在8GHz时经过此延迟线延迟的相位为：

θ_delay1＝8×360°+|-59.39°|＝2939.39°；

(2)与8GHz处相同操作，图14为未用电延迟处理是的相位图；在16GHz时初始相位θ₂＝-117.12°。用电延迟功能进行补偿，当延迟相位θ₂第一次变成初始相位时，相位补偿了1λ；如图15所示。不断用电延迟进行补偿，如图16～30所示，从图16-30可以发现带宽内的相位周期不断减少；图31为本实施例电延迟补偿到临界零相位曲线图；图32为本实施例电延迟补偿超过延迟段延迟斜率发生变化的曲线图。对比图30和图32可以发现相位斜率由负斜率变成了正斜率，此时电延迟的补偿已经超过了延迟段的延迟相位，停止加大电延迟补偿量，回调电延迟补偿量进入临界状态，即16GHz处相位为0°，此时的S₂₁相位曲线如图31所示，对比图2和图31发现此时的状态与未接入延迟段的相位状态相同，即电延迟补偿量即为延迟段的延迟相位；得到临界状态前延迟相位θ回到初始相位θ₁的次数为n₁＝16；故可求出在16GHz时经过此延迟线延迟的相位为：

θ_delay2＝16×360°+|-117.12°|＝5877.12°

由于所测频率是2倍的关系故延迟相位的关系也是2倍，由计算出的结果可以验证测试方法的准确性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。