一种无参考接收机的矢量网络分析仪
阅读说明：本技术 一种无参考接收机的矢量网络分析仪 (Vector network analyzer of non-reference receiver ) 是由 高博 童玲 宫珣 王培丞 张坤 林明维 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无参考接收机矢量网络分析仪,其架构中不需要参考接收机；在进行散射参数测量时,被测件的反射信号经耦合器分离后,由反射信号接收机测量其幅相信息,同时通过被测件的传输信号的幅相信息则由传输信号接收机来测量；在整个校准和测量过程中,激励源的幅度和相位并不需要已知,仅用一个幅度和相位未知的量来代替；在校准和数据处理过程中,利用误差项和散射参数均为接收机的测量值与激励源的比值这一特点,可以将未知激励源的影响完全消除,以实现被测件散射参数的准确测量。(The invention discloses a reference-free receiver vector network analyzer, which does not need a reference receiver in the framework; when scattering parameter measurement is carried out, after a reflected signal of a measured piece is separated by the coupler, the amplitude-phase information of the reflected signal is measured by the reflected signal receiver, and meanwhile, the amplitude-phase information of a transmission signal passing through the measured piece is measured by the transmission signal receiver; the amplitude and phase of the excitation source need not be known throughout the calibration and measurement process, but instead are simply an unknown quantity of amplitude and phase; in the calibration and data processing processes, the characteristic that an error term and scattering parameters are the ratio of the measured value of the receiver to the excitation source is utilized, so that the influence of the unknown excitation source can be completely eliminated, and the scattering parameters of the measured piece can be accurately measured.)
技术领域
本发明属于电子测量仪器技术领域，更为具体地讲，涉及一种无参考接收机的矢量网络分析仪。
背景技术
矢量网络分析技术，被广泛应用于微波芯片、器件、模块和系统等特性参数的精确测量，是通信、雷达、遥感等系统研发过程中必不可少的测量仪器，应用领域广阔且市场空间巨大。
传统矢量网络分析仪的系统架构如图1所示(以双端口矢量网络分析仪为例)，利用R1和R2两个参考接收机测量激励信号，A接收机和B接收机测量反射和传输信号，参考接收机和测量接收机必须一起工作，才能够通过比值获取被测件的散射参数S11M、S21M、S12M和S22M具体为：
其中，符号A、B、R1和R2用来代表对应接收机A、B、R1和R2测量得到的信号的幅相值。此时的散射参数还包含有矢量网络分析仪内部的系统误差，这些误差可经过校准被消除，以精确获取被测件的散射参数。
由于矢量网络分析仪需要工作在非常宽的频带范围内，因此其内部的接收机必须能够在很宽的频带范围内实现超宽带的变频矢量接收。这导致矢量网络分析仪内部接收机的成本非常昂贵，从而使得整个矢量网络分析仪的价格居高不下，严重制约了矢量网络分析仪的应用推广和小型便携化设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有矢量网络分析仪面临的成本高、体积大的问题，提供一种无参考接收机的矢量网络分析仪，能够有效减少矢量网络分析仪中所必须的接收机数量，简化矢量网络分析仪的射频系统，大幅度降低矢量网络分析仪的硬件成本，减小矢量网络分析仪的体积，为经济便携型矢量网络分析仪提供一种新的解决方案。
为实现上述发明目的，本发明给出了一种无参考接收机的矢量网络分析仪，其特征在于：
所述无参考接收机矢量网络分析仪，通过相位可重复信号源以及相应校准和数据处理方法的引入，省去了传统矢量网络分析仪中监测激励信号幅度和相位的参考接收机，仅需保留反射和传输信号测量接收机即可完成对散射参数的精确测量。
所述相位可重复的信号源包括相位可重复的射频源和相位可重复的本振源。在扫频测量时，相位可重复的射频源产生相位可重复的射频信号作为矢量网络分析仪的激励信号，相位可重复的本振源产生相位可重复的本振信号。相位可重复源的引入保证了矢量网络分析仪在校准和测量过程中信号的幅相一致性。
本发明的目的是这样实现的。
本发明无参考接收机矢量网络分析仪，其架构中不需要参考接收机。在进行散射参数测量时，被测件的反射信号经耦合器分离后，由反射信号接收机测量其幅相信息，同时通过被测件的传输信号的幅相信息则由传输信号接收机来测量。在整个校准和测量过程中，激励源的幅度和相位并不需要已知，仅用一个幅度和相位未知的量来代替。在校准和数据处理过程中，利用误差项和散射参数均为接收机的测量值与激励源的比值这一特点，可以将未知激励源的影响完全消除，以实现被测件散射参数的准确测量。
本发明能够带来以下的有益效果：
(1)本发明利用相位可重复的信号源，去除了传统矢量网络分析仪的参考接收机，降低了成本，减小了体积，在经济便携型的矢量网络分析仪领域具有很大的应用价值；
(2)在降低成本、减小体积的同时，本发明的测量精度和传统矢量网络分析仪相当，可以实现对被测件散射参数的精确获取。
附图说明
图1是传统矢量网络分析仪的架构；
图2是本发明一种无参考接收机矢量网络分析仪的架构；
图3是测量接收机的结构；
图4是未校准值、校准值和真实值的S11幅度；
图5是未校准值的S11相位；
图6是校准值和真实值的S11相位
图7是未校准值、校准值和真实值的S21幅度；
图8是未校准值的S21相位；
图9是校准值和真实值的S21相位。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明一种无参考接收机矢量网络分析仪的架构图(实施例以2端口矢量网络分析仪为例，本技术同样适用于其它端口数量和架构的矢量网络分析仪)。
在本实施例中，无参考接收机的矢量网络分析仪，包括：相位可重复的信号源、射频开关、耦合器、测量接收机；
相位可重复的信号源包括相位可重复的射频源和相位可重复的本振源，在扫频测量时，相位可重复的射频源产生相位可重复的射频信号作为矢量网络分析仪的激励信号，相位可重复的本振源产生相位可重复的本振信号；在本实施例中，在多次扫频测量过程中，其激励信号的相位是可重复的，幅度是稳定的，可以表示为一个未知的固定值S。
射频开关用于选择激励信号流经的通道(通道1和通道2)和输出端口(端口1和端口2)；
矢量网络分析仪端口输出的激励信号作用于被测器件时，一部分信号会被反射，另外一部分信号经被测器件后传输至矢量网络分析仪的其它端口；
耦合器将反射信号和传输信号耦合至对应的测量接收机；
测量接收机包括接收机A和接收机B，用于测量信号的幅度和相位。如图3所示，接收机A和接收机B均包括混频器、模拟中频处理模块、模数转换器和数字中频处理模块。被测信号输入到混频器与相位可重复本振源产生的本振信号进行混频，模拟中频处理模块将被测信号和本振信号的差频保留并放大，模数转换器将差频数字化并送入到数字中频处理模块中测量出幅度和相位；
如图2所示，当输入信号经过射频开关选择通道1进行前向测量时，输入信号通过矢量网络分析仪的端口1作用到被测器件，一部分会让被测器件反射回来，通过通道1的耦合器进入到测量接收机A，测量接收机A测量得到的信号为aM；另一部分会从被测器件传输过去，通过通道2的耦合器进入到测量接收机B，测量接收机B测量得到的信号为bM；
当输入信号经过射频开关选择通道2进行后向测量时，输入信号通过矢量网络分析仪的端口2作用到被测器件，一部分会让被测器件反射回来，通过通道2的耦合器进入到测量接收机B，测量接收机B测量得到的信号为b'M，另一部分会从被测器件传输过去，通过通道1的耦合器进入到测量接收机A，测量接收机A测量得到的信号为a'M；至此，测量得到的被测器件网络参数S11M、S21M、S12M和S22M可以表示为：
其中，S代表激励信号，为待校准消除的参数。
被测器件的网络参数带有一个未知的固定值S，同时无参考接收机内部也存在系统误差，需要进行校准把S和系统误差消除掉，得到真实的网络参数。
由于相位可重复信号源的引入，虽然信号源的输出S是未知的，但是由于其幅度和相位均可重复，因此我们可以通过下面方法进行校准把S和系统误差消除掉，得到真实的网络参数，具体包括以下步骤：
(1)将Open校准件接在矢量网络分析仪的端口1上，射频开关选择通道1，得到A接收机的数据aO；
(2)将Short校准件接在矢量网络分析仪的端口1上，射频开关选择通道1，得到A接收机的数据aS；
(3)将Load校准件接在矢量网络分析仪的端口1上，射频开关选择通道1，得到A接收机的数据aL，B接收机的数据bL；
(4)将Open校准件接在矢量网络分析仪的端口2上，射频开关选择通道2，得到B接收机的数据b'O；
(5)将Short校准件接在矢量网络分析仪的端口2上，射频开关选择通道2，得到B接收机的数据b'S；
(6)将Load校准件接在矢量网络分析仪的端口2上，射频开关选择通道2，得到A接收机的数据a'L，B接收机的数据b'L；
(7)将矢量网络分析仪的端口1和端口2直连到Thru校准件，当射频开关选择通道1时，得到A接收机的数据aT，B接收机的数据bT；当射频开关选择通道2时，得到A接收机的数据a'T，B接收机的数据b'T；
(8)将被测器件连接到矢量网络分析仪的端口1和端口2，当射频开关选择通道1时，得到A接收机的数据aM，B接收机的数据bM；当射频开关选择通道2时，得到A接收机的数据a'M，B接收机的数据b'M；
(9)通过(1)～(8)得到的测量和校准数据，计算被测器件的真实网络参数：
其中：
前向测量的耦合器方向性误差：
前向测量的通道之间的串扰误差：
前向测量的反射跟踪误差：
前向测量的传输跟踪误差：
前向测量的源失配误差：
前向测量的负载失配误差：
后向测量的耦合器方向性误差：
后向测量的通道之间的串扰误差：
后向测量的反射跟踪误差：
后向测量的传输跟踪误差：
后向测量的源失配误差：
后向测量的负载失配误差：
从上述的公式中可以看出，最终经过校准之后得到的器件的散射参数和代表源的未知的固定值S没有关系，并且处理过程中同时消除了无参考接收机矢量网络分析仪的各项系统误差，因此本发明的无参考接收机矢量网络分析仪以及其校准和数据处理方法可以精确获取被测件的散射参数。
实例
在本实施例中，按照图2所示的架构，利用输出频率范围在(230MHz-3400MHz)的相位可重复源，实现了一个具体的无参考接收机矢量网络分析仪。
图4、图5、图6、图7、图8和图9给出了该无参考接收机的矢量网络分析仪对某被测件散射参数S11和S21的幅度和相位的测量结果。图中未校准值是指接收机的直接测量值，校准值是经过本发明给出的校准和数据处理方法处理后得到的测量结果，真实值则是利用传统的商业矢量网络分析仪测量得到的结果。从图中可以看出，本发明无参考接收机矢量网络分析仪获取的散射参数的幅度和相位和传统商业矢量网络分析仪测量得到的值几乎完全吻合，这证明本发明在减少接收机数量的同时，可以有效实现对被测件散射参数的精确测量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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