一種模塊化多端口散射參數測試裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種模塊化多端口散射參數測試裝置及方法，屬于測試技術領域，包括多個信號分離模塊、開關矩陣模塊、數字信號處理單元、多個測試端口，所述信號分離模塊和數字信號處理單元通過線路連接，所述信號分離模塊、開關矩陣模塊、測試端口通過線路依次連接。本發明通過基礎的開關矩陣模塊可快速的形成多種類型的多端口散射參數測試裝置，提高了設計的靈活性，降低了成本，減少了硬件設計的時間，并且降低了多端口散射參數測試時矢量網絡分析儀的數據處理壓力，提高了測試效率。
【專利說明】
一種模塊化多端口散射參數測試裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于測試技術領域，具體涉及一種模塊化多端口散射參數測試裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，除了在雷達、通信等領域，在衛星導航、廣播電視、微波中繼等微波應用領域，眾多的多端口組件和部件得到了廣泛的應用，如混頻器、雙工器、耦合器、隔離器和環形器等，對這類器件的散射參數表征時將用到多端口的散射參數測試裝置。
[0003]因為很多應用于無線通信和雷達的微波器件都帶有四個甚至更多端口，如果使用兩端口的矢量網絡分析儀測試這些器件需要多次連接才能完成散射參數的表征。在科研生產中，需要保證高精度和高可重復性的同時完成快速測試，以提高生產效率。矢量網絡分析儀的掃描速度只是影響測量多端口器件總體效率的因素之一。測試的總體效率取決于器件的連接速度，以及系統從一個測量路徑轉換到另一個測量路徑并對數據進行處理的速度。基于多端口散射參數測試裝置的矢量網絡分析儀可顯著的縮短總調試時間和總測試時間，因為被測件只需連接一次就可以測試多個信號路徑。最大限度的減少一個被測件與測試設備之間的連接數，還可以減少工作人員的工作量，并減少連接到錯誤端口的可能。此外，更少的連接次數還可以減少對電纜、夾具、連接器和被測件的磨損，同時保證測試的精度和可重復性。在制造應用中，器件連接、處理和配置所需的時間遠遠多于測試時間，此時多端口測試儀器就顯得尤為重要。在這些情況下，多端口測試儀器可幫助測試人員或器件處理人員提尚生廣能力。
[0004]目前，主流的幾個電子測試儀器廠商均有多端口散射參數測試裝置，是德公司的前身安捷倫公司，研發出適用于PNA系列矢量網絡分析儀的多端口散射參數測試裝置，在售的產品有U302XX、U305XX等系列共20余個品種。與PNA 522X、PNA_L 523X和PNA-X 524X系列矢量網絡分析儀組合形成多端口散射參數的測試能力。德國羅德與施瓦茨公司的ZVT系列網絡分析儀可與其多端口散射參數測試裝置產品配置到8端口。2014年，該公司又推出了一款多端口矢量網絡分析儀ZNBT，該產品頻率范圍覆蓋9KHz到8.5GHz，最基本配置配備4個端口。根據需求可以最多擴展到24端口。日本安立公司的多端口散射參數測試裝置MN4690B，配合其矢量網絡分析儀完成多端口測試。
[0005]現有的技術方案主要分為兩類，一種是采用開關矩陣進行信號的切換，完成多端口的散射參數測試。另外一種是對信號發生通路采用開關矩陣進行信號切換，而接收通路采用多接收機的結構，完成測試。
[0006]現有的技術方案存在以下缺點:
[0007](I)缺乏靈活配置的能力。從環形器、T/R組件、DBF接收機、混頻器等被測器件測試需求來看，需要多端口散射參數裝置能夠靈活配合適量網絡分析儀形成三到四個或更多端口，滿足大多數產品的測試需求。在生產線使用時，可以方便將一臺2端口矢量網絡分析儀擴展給兩人使用，即降低成本又提高生產效率。但現有的方案端口數是固定的，無法針對測試實際進行靈活擴展，針對不同的測試需要，儀器的成本會大幅增加。
[0008](2)采用多接收機形式的多端口矢量網絡分析儀，盡管測試速度比采用開關矩陣的快，但代價是成本非常高，結構復雜。
[0009](3)現有的方案中，多端口散射參數測試裝置僅起到了信號切換的作用，高速多通道的數據處理的壓力均在矢量網絡分析儀這邊，無疑會降低測試效率。
【發明內容】
[0010]針對現有技術中存在的上述技術問題，本發明提出了一種模塊化多端口散射參數測試裝置及方法，設計合理，克服了現有技術的不足，具有良好的推廣價值。
[0011 ]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0012]—種模塊化多端口散射參數測試裝置，通過電纜連接到矢量網絡分析儀的端口，測試裝置包括多個信號分離模塊、開關矩陣模塊、數字信號處理單元、多個測試端口，所述信號分離模塊和數字信號處理單元通過線路連接，所述信號分離模塊、開關矩陣模塊、測試端口通過線路依次連接；
[0013]所述信號分離模塊，被配置為用于將矢量網絡分析儀產生的信號進行信號分離；
[0014]所述開關矩陣模塊，被配置為用于對信號分離模塊輸出的信號進行切換控制并經過測試端口傳輸至被測件;并且保證經過被測件后的測試信號返回至信號模塊分離模塊中；
[0015]所述數字信號處理單元，被配置為用于對信號分離模塊輸出的信號進行包括混頻、濾波、數字處理在內的預處理；
[0016]從矢量網絡分析儀輸出的信號，經過信號分離模塊后分離出參考信號和測試信號；
[0017]經過信號分離模塊分離出的參考信號進入到數字信號處理單元，經過數字信號處理單元的包括混頻、濾波、數字處理在內的預處理后進入到矢量網絡分析儀；
[0018]經過信號分離模塊分離出的測試信號進入到開關矩陣模塊，通過開關矩陣模塊的切換控制經過測試端口傳輸至被測件;經過被測件后的測試信號經過開關矩陣模塊的切換控制后返回至信號分離模塊，后進入到數字信號處理單元，經過數字信號處理單元的包括混頻、濾波、數字處理在內的預處理后進入到矢量網絡分析儀。
[0019]優選地，所述數字信號處理單元，包括混頻器、中頻放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器以及FPGA，所述混頻器、中頻放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器、FPGA通過線路依次連接；
[0020]所述混頻器，被配置為用于將信號進行混頻得到中頻信號；
[0021]所述中頻放大器，被配置為用于對得到的中頻信號進行放大；
[0022]所述抗混疊濾波器，被配置為用于對經過放大的中頻信號進行濾波；
[0023]所述模數轉換器，被配置為用于對經過濾波的中頻信號進行模數轉換；
[0024]所述FPGA，被配置為用于對經過模數轉換的中頻信號進行數字信號處理。
[0025]此外，本發明還提到一種模塊化多端口散射參數測試方法，該方法采用如上所述的模塊化多端口散射參數測試裝置，按照如下步驟進行:
[0026]步驟1:將模塊化多端口散射參數測試裝置通過電纜連接到矢量網絡分析儀的端P；
[0027]步驟2:矢量網絡分析儀輸出的信號進入到測試裝置的信號分離模塊，經過信號分離模塊分離出參考信號和測試信號;其中的參考信號進入到數字信號處理單元進行包括下變頻、濾波在內的預處理，而測試信號則進入到開關矩陣模塊中；
[0028]步驟3:測試信號在開關矩陣模塊中經過開關的切換控制，經過測試端口傳輸至被測件;
[0029]步驟4:經過被測件后的測試信號經過開關矩陣模塊的切換控制后返回至信號分離模塊；
[0030]步驟5:經過信號分離模塊進入數字信號處理單元進行預處理后進入到矢量網絡分析儀的端口。
[0031]優選地，在步驟5中，數字信號處理單元進行預處理的具體步驟包括:
[0032]步驟5.1:通過混頻器將信號進行混頻得到中頻信號傳輸至中頻放大器；
[0033]步驟5.2:通過中頻放大器將中頻信號進行放大后傳輸至模擬的抗混疊濾波器中；
[0034]步驟5.3:通過抗混疊濾波器進行濾波后傳輸至模數轉換器；
[0035]步驟5.4:通過模數轉換器進行模數轉換后傳輸至FPGA中；
[0036]步驟5.5:通過FPGA進行數字信號處理后獲得基帶信號，通過其串行接口傳輸至矢量網絡分析儀。
[0037]優選地，在步驟5.5中，FPGA進行數字信號處理的具體步驟包括:
[0038]步驟5.5.1:對采集的中頻信號進行數字下變頻，得到基頻信號；
[0039]步驟5.5.2:對基頻信號進行CIC抽取濾波，得到預處理的IQ基頻數據；
[0040]步驟5.5.3:將預處理的IQ基頻數據通過串行總線傳輸至矢量網絡分析儀[0041 ]本發明所帶來的有益技術效果:
[0042]本發明提出了一種模塊化多端口散射參數測試裝置，與現有技術相比，本發明通過基礎的開關矩陣模塊可快速的形成多種類型的多端口散射參數測試裝置，提高了設計的靈活性，降低了成本，減少了硬件設計的時間，并且降低了多端口散射參數測試時矢量網絡分析儀的數據處理壓力，提高了測試效率。
【附圖說明】
[0043]圖1為本發明模塊化多端口散射參數測試裝置的原理框圖。
[0044]圖2為單入四出開關矩陣模塊的示意圖。
[0045]圖3為雙入六出開關矩陣模塊的示意圖。
[0046]圖4為具有12端口的散射參數測試裝置中的開關矩陣模塊的示意圖。
[0047]圖5為具有18端口的散射參數測試裝置中的開關矩陣模塊的示意圖。
[0048]圖6為數字信號處理單元的硬件原理圖。
[0049]圖7為數字信號處理單元進行數字信號預處理的示意圖。
[0050]其中，1-信號分離模塊;2-開關矩陣;3-數字信號處理單元。
【具體實施方式】
[0051 ]下面結合附圖以及【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明:
[0052]實施例1:
[0053]本發明旨在給出一種模塊化多端口散射參數測試裝置，通過矢量網絡分析儀的源產生測試信號，通過矢量網絡分析儀的端口和電纜連接到多端口散射參數測試裝置上，然后通過模塊化的開關矩陣切換給各個測試端口。其中參考信號和測試信號分別通過開關切換輸入到數字信號處理單元(Digital Signal Processing Unit,DSP)進行混頻、濾波和數字處理等。如圖1所示的模塊化多端口散射參數測試裝置的原理框圖，主要有信號分離模塊
1、開關矩陣2和數字信號處理單元3三個基本模塊構成，其中數字信號處理單元3的硬件原理圖如圖6所示，包括混頻器、中頻放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器以及FPGA，所述混頻器、中頻放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器、FPGA通過線路依次連接;用于對獲取的被測信號進行下變頻、濾波等基本處理，并將結果傳給矢量網絡分析儀主機，減輕主機處理的壓力。
[0054]本發明中模塊化多端口散射參數測試裝置通過連接到矢量網絡分析儀，獲得信號，經過信號分離模塊I后進入開關矩陣2，開關矩陣2進行切換傳給測試端口輸出給被測件，經過被測件后進入其他端口，測試信號再經過開關矩陣2進入信號分離模塊I，之后進入數字信號處理單元3，通過數字信號處理單元3對信號進行下變頻、濾波等預處理。
[0055]實施例2:
[0056]在上述實施例的基礎上，本發明提出一種模塊化多端口散射參數測試方法，其按照如下步驟進行:
[0057]步驟1:矢量網絡分析儀的端口通過電纜連接到模塊化多端口散射參數測試裝置，矢量網絡分析儀輸出信號后進入到裝置的信號分離模塊，信號分離模塊分離出參考信號和測試信號，其中的參考信號進入到數字信號處理單元進行下變頻、濾波等基本處理，而測試信號則進入到開關矩陣中；
[0058]步驟2:測試信號在開關矩陣中經過開關的切換控制，進入到不同的通路中，經過測試端口傳輸至被測件;本發明中的開關矩陣采用模塊化設計，可以方便的構成多種端口數的測試裝置;其中，基礎的開關模塊是如圖2所示的單入四出和如圖3所示的雙入六出兩種。由圖2和圖3所示的基礎模塊構成的具有12端口和18端口的測試裝置中的開關矩陣模塊的結構如圖4和圖5所示。
[0059]經過模塊化的設計，基礎的模塊可方便的構成各種端口的測試裝置，提高了設計的靈活性，降低了成本。通過對基礎模塊中的開關進行切換控制，從信號分離模塊輸出得到的信號可以根據測試需要輸出到任意端口，同時開關切換控制還能夠保證經過被測件后的測試信號返回到信號模塊分離模塊中，以進行后續的處理。
[0060]步驟3:經過被測件后的測試信號經過開關矩陣的切換控制后返回至信號分離模塊，經過信號分離模塊后，進入數字信號處理單元，在本單元中首先將信號進行下變頻，將得到的中頻信號進行放大送入到模擬的抗混疊濾波器中，由模數轉換器進行數據采集，送入到FPGA中。
[0061]為減輕矢量網絡分析儀主機的數據處理壓力，在多端口散射參數測試裝置中的FPGA中進行數據的預處理，主要流程如圖7所示。首先對采集的中頻信號進行數字下變頻，得到基頻信號后進行CIC抽取濾波，降低數據速率，為后續的濾波計算打下基礎。得到預處理的IQ基頻數據后，通過高速串行總線傳給矢量網絡分析儀主機，進行后續處理得到散射參數。
[0062]本發明通過基礎的開關矩陣模塊(例如單入四出、雙入六出模塊)，實現信號的切換，然后通過組合實現8、12、18等多端口的散射參數的測試，提高了設計的靈活性，降低了成本，減少了硬件設計的時間；將被測信號傳入到測試裝置的FPGA中進行數字信號處理獲得基帶信號，通過高速串行接口送入矢量網絡分析儀，降低了多端口散射參數測試時矢量網絡分析儀的數據處理壓力，提高了測試效率。
[0063]當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種模塊化多端口散射參數測試裝置，通過電纜連接到矢量網絡分析儀的端口，其特征在于:測試裝置包括多個信號分離模塊、開關矩陣模塊、數字信號處理單元、多個測試端口，所述信號分離模塊和數字信號處理單元通過線路連接，所述信號分離模塊、開關矩陣模塊、測試端口通過線路依次連接； 所述信號分離模塊，被配置為用于將矢量網絡分析儀產生的信號進行信號分離； 所述開關矩陣模塊，被配置為用于對信號分離模塊輸出的信號進行切換控制并經過測試端口傳輸至被測件;并且保證經過被測件后的測試信號返回至信號模塊分離模塊中；所述數字信號處理單元，被配置為用于對信號分離模塊輸出的信號進行包括混頻、濾波、數字處理在內的預處理； 從矢量網絡分析儀輸出的信號，經過信號分離模塊后分離出參考信號和測試信號；經過信號分離模塊分離出的參考信號進入到數字信號處理單元，經過數字信號處理單元的包括混頻、濾波、數字處理在內的預處理后進入到矢量網絡分析儀； 經過信號分離模塊分離出的測試信號進入到開關矩陣模塊，通過開關矩陣模塊的切換控制經過測試端口傳輸至被測件;經過被測件后的測試信號經過開關矩陣模塊的切換控制后返回至信號分離模塊，后進入到數字信號處理單元，經過數字信號處理單元的包括混頻、濾波、數字處理在內的預處理后進入到矢量網絡分析儀。2.根據權利要求1所述的模塊化多端口散射參數測試裝置，其特征在于:所述數字信號處理單元，包括混頻器、中頻放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器以及FPGA，所述混頻器、中頻放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器、FPGA通過線路依次連接； 所述混頻器，被配置為用于將信號進行混頻得到中頻信號； 所述中頻放大器，被配置為用于對得到的中頻信號進行放大； 所述抗混疊濾波器，被配置為用于對經過放大的中頻信號進行濾波； 所述模數轉換器，被配置為用于對經過濾波的中頻信號進行模數轉換； 所述FPGA，被配置為用于對經過模數轉換的中頻信號進行數字信號處理。3.—種模塊化多端口散射參數測試方法，其特征在于:采用如權利要求1所述的模塊化多端口散射參數測試裝置，按照如下步驟進行: 步驟I:將模塊化多端口散射參數測試裝置通過電纜連接到矢量網絡分析儀的端口 ；步驟2:矢量網絡分析儀輸出的信號進入到測試裝置的信號分離模塊，經過信號分離模塊分離出參考信號和測試信號；其中的參考信號進入到數字信號處理單元進行包括下變頻、濾波在內的預處理，而測試信號則進入到開關矩陣模塊中； 步驟3:測試信號在開關矩陣模塊中經過開關的切換控制，經過測試端口傳輸至被測件； 步驟4:經過被測件后的測試信號經過開關矩陣模塊的切換控制后返回至信號分離模塊； 步驟5:經過信號分離模塊進入數字信號處理單元進行預處理后進入到矢量網絡分析儀的端口。4.根據權利要求3所述的一種模塊化多端口散射參數測試方法，其特征在于:在步驟5中，數字信號處理單元進行預處理的具體步驟包括: 步驟5.1:通過混頻器將信號進行混頻得到中頻信號傳輸至中頻放大器； 步驟5.2:通過中頻放大器將中頻信號進行放大后傳輸至模擬的抗混疊濾波器中； 步驟5.3:通過抗混疊濾波器進行濾波后傳輸至模數轉換器； 步驟5.4:通過模數轉換器進行模數轉換后傳輸至FPGA中； 步驟5.5:通過FPGA進行數字信號處理后獲得基帶信號，通過其串行接口傳輸至矢量網絡分析儀。5.根據權利要求3所述的一種模塊化多端口散射參數測試方法，其特征在于:在步驟5.5中，FPGA進行數字信號處理的具體步驟包括: 步驟5.5.1:對采集的中頻信號進行數字下變頻，得到基頻信號； 步驟5.5.2:對基頻信號進行CIC抽取濾波，得到預處理的IQ基頻數據； 步驟5.5.3:將預處理的IQ基頻數據通過串行總線傳輸至矢量網絡分析儀。
【文檔編號】H04B17/16GK105846918SQ201610348799
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】袁國平, 楊明飛, 劉丹, 莊志遠, 梁勝利, 李明太
【申請人】中國電子科技集團公司第四十研究所, 中國電子科技集團公司第四十一研究所