一種大功率參數測量系統的製作方法

2023-05-18 22:39:41

本實用新型涉及無線電檢測技術領域，特別涉及一種大功率參數測量系統。

背景技術：

在現有技術的無線電領域中，任何射頻和微波器件，當工作在大功率狀態下時，其某些物理特性會發生變化，如溫度的變化、放大器工作點的變化等。這些變化將會導致器件S參數的變化！S參數，也就是散射參數，被定義為在給定頻率和系統阻抗的條件下，任何非理想多埠網絡的傳輸和反射特性。但是現有技術，無法有效對S參數進行準確有效的檢測，舉一些案例。

案例一：無源器件的「功率係數」

一個標稱衰減量為30dB的100W衰減器，用網絡分析儀(測試功率1mW) 測得的衰減量為30dB，但是在滿負荷工作時，其衰減量可能會變化至31dB，如果將這個衰減器用於100W放大器或發射機的精密功率測量，僅衰減器自身就會產生20.6％的測試誤差。

衰減器的這種變化量稱為功率係數，必須在大功率條件下測試。

案例二：功放的熱態VSWR

功率放大器在不同的輸出功率狀態下，從輸出端向放大器看去的VSWR 也會發生變化，從而導致系統效率的降低以及系統工作的不穩定。

從放大器的輸出端向放大器看去的駐波被稱為熱態VSWR(即Hot S22)，這項參數必須在大功率工作狀態下從放大器的輸出端直接測量。

案例三：鐵氧體器件S12的變化

鐵氧體隔離器在大功率狀態下，反向隔離度可能會降低，從而導致系統工作的不穩定以及系統互調幹擾。

上述三個案例中，都無法使用現有技術中的網絡分析儀進行測量。

技術實現要素：

為此，需要提供一種大功率參數測量系統，用於解決現有技術中網絡分析儀無法對S參數進行全面準確測量的技術問題。

為實現上述目的，發明人提供了一種大功率參數測量系統，包括放大器功率測量電路、溫度測量電路；

所述放大器功率測量電路包括第一信號發生器、待測放大器放置埠、第一負載、第一耦合器、第二耦合器、第一數模轉換器、第二數模轉換器以及微控制單元，所述第一信號發生器通過第一耦合器與待測放大器放置埠的一端相連接，所述待測放大器放置埠的另一端通過第二耦合器與第一負載相連接，所述第一耦合器與第一數模轉換器相連接，所述第二耦合器與第二數模轉換器相連接，所述微控制單元分別與第一數模轉換器、第二數模轉換器相連接，微控制單元用於將收集到的數據信號發送到外部數據分析端進行處理與分析；

所述溫度測量電路包括第二信號發生器、待測試器件放置埠、第三耦合器、第四耦合器、第一功率傳感器、第二功率傳感器、USB集線器、溫度計、第二負載、第三負載以及第四負載，所述第二信號發生器通過第三耦合器與待測試器件放置埠的一端相連接，所述待測試器件放置埠的另一端通過第四耦合器與第四負載相連接，所述第三耦合器分別與第一功率傳感器、第二負載相連接，所述第四耦合器分別與第二功率傳感器、第三負載相連接，所述USB集線器分別與第一功率傳感器、第二功率傳感器相連接，USB集線器用於將收集到的數據信號發送到外部數據分析端進行處理與分析；

所述溫度計設置在待測試器件上，用於檢測待測試器件的溫度。

作為本實用新型的一種優選結構，還包括殼體，所述放大器功率測量電路、溫度測量電路設置在殼體內。

作為本實用新型的一種優選結構，所述第一耦合器與第二耦合器分別通過功率計與第一數模轉換器、第二數模轉換器相連接。

作為本實用新型的一種優選結構，所述溫度測量電路還包括放大器、濾波器，所述第二信號發生器與放大器相連接，所述放大器與濾波器相連接，所述濾波器與第三耦合器相連接。

區別於現有技術，上述技術方案通過放大器功率測量電路，信號發生器對待測放大器發送信號，數模轉換器將待測放大器的數據輸送到微控制單元中，根據S參數的原理，可以測量出在大功率狀態下S參數的四個要素a1、 b1、a2、b2，從而計算出DUT(或AUT)的插入損耗(增益)、輸入駐波、輸出駐波、反向隔離等指標。通過溫度測量電路，信號發生器將信號發送給待測試器件，功率傳感器對待測器件的輸入輸出功率進行統計，溫度計檢測待測器件的溫度。測試者可以根據器件的測試要求及其在系統中的應用要求來進行各種性能分析，如溫度隨功率的變化、S21隨時間的變化等。為器件和系統設計提供實用的設計依據。

附圖說明

圖1為本實施例放大器功率測量電路的電路圖；

圖2為另一種實施例的放大器功率測量電路的電路圖；

圖3為本實施例溫度測量電路的電路圖；

圖4為本實施例大功率參數測量系統的殼體的正視圖。

附圖標記說明：

10、第一信號發生器；

20、待測放大器放置埠；

30、第一負載；

40、第一耦合器；

50、第二耦合器；

60、第一數模轉換器；

70、第二數模轉換器；

80、微控制單元；

90、功率計；

100、第二信號發生器；

110、待測試器件放置埠；

120、第三耦合器；

130、第四耦合器；

140、第一功率傳感器；

150、第二功率傳感器；

160、USB集線器；

170、溫度計；

180、第二負載；

190、第三負載；

200、第四負載；

210、放大器；

220、濾波器。

具體實施方式

為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式並配合附圖詳予說明。

本實用新型S參數的測量原理為：

S參數即散射(Scattering)參數，被定義為在給定頻率和系統阻抗的條件下，任何非理想多埠網絡的傳輸和反射特性。

S參數描述了輸入到一個N埠的信號到其中每個埠的響應。S參數下標中的第一位數字代表響應端，第二位數字代表激勵端。如S21表示埠2相對於埠1輸入信號的響應；S11代表埠1相對於埠1的輸入信號的響應。如圖1所示的通用二埠網絡中，輸入到網絡的信號標註為a，離開網絡的信號標註為b。

如果信號發生器接到埠1，埠2接匹配負載，則二埠網絡的入射波為a1，從網絡返回埠1的反射波為b1；通過網絡到埠2的信號為b2，從負載返回網絡的反射波為a2(對於匹配負載，這個反射波數值為零)。用這些電壓波定義的埠1的S參數為：

其中S11表示當埠2接匹配負載時，埠1的電壓反射係數；S21表示當埠2接匹配負載時，從埠1到埠2的傳輸係數，即增益或損耗。

把信號發生器移到埠2，而埠1接匹配負載，則二埠網絡的入射波為a2，從網絡返回埠2的反射波為b2；通過網絡到埠1的信號為b1，從負載返回網絡的反射波為b2。用這些電壓波定義的埠2的S參數為：

其中S22表示當埠1接匹配負載時，埠2的電壓反射係數；S12表示當埠1接匹配負載時，從埠2到埠1的傳輸係數，即反向隔離或損耗。

如果要測量S11，我們會向埠1注入信號並測量埠1反射信號，在這種情況下，埠2是沒有信號輸入的，所以在式1.1中，a2＝0。如果要測量S21，則向埠1注入信號，並測量出現在埠2的信號。同樣，測量S22時，會向埠2注入信號並測量埠2的反射信號，此時埠1沒有信號輸入，所以在式1.3中，a1＝0。如果要測量S12，則向埠2注入信號，並測量出現在埠1的信號。

請參閱圖1以及圖2，本實用新型一種大功率參數測量系統，包括放大器功率測量電路、溫度測量電路；所述放大器功率測量電路包括第一信號發生器10、待測放大器放置埠20、第一負載30、第一耦合器40、第二耦合器 50、第一數模轉換器60、第二數模轉換器70以及微控制單元80，所述第一信號發生器通過第一耦合器與待測放大器放置埠的一端相連接，所述待測放大器放置埠的另一端通過第二耦合器與第一負載相連接，所述第一耦合器與第一數模轉換器相連接，所述第二耦合器與第二數模轉換器相連接，所述微控制單元分別與第一數模轉換器、第二數模轉換器相連接，微控制單元用於將收集到的數據信號發送到外部數據分析端進行處理與分析；

如圖1、圖2所示，本實施例中，所述第一耦合器與第二耦合器分別通過功率計與第一數模轉換器、第二數模轉換器相連接。數模轉換器的數量為四個，功率計90的數量也為四個，第一耦合器分別通過兩個功率計與兩個數模轉換器的配合與微控制單元相連接，第二耦合器也分別通過兩個功率計與兩個數模轉換器的配合與微控制單元相連接。分別對應量測S參數的a1、b1、a2、 b2等數據。

圖1中的電路即是用於檢測待測器件的S11、S21的電路，圖2中的電路是用於檢測待測器件的S22、S12的電路。同樣的，圖3中的電路，也可以將第二信號發生器與負載的位置進行調換，檢測相關的S22、S12的參數。本實施例可以根據實際的需求檢測S參數的相關數據，滿足電路設計的各種需求。

如圖3所示，本實施例中，所述溫度測量電路包括第二信號發生器100、待測試器件放置埠110、第三耦合器120、第四耦合器130、第一功率傳感器140、第二功率傳感器150、USB集線器160、溫度計170、第二負載180、第三負載190以及第四負載200，所述第二信號發生器通過第三耦合器與待測試器件放置埠的一端相連接，所述待測試器件放置埠的另一端通過第四耦合器與第四負載相連接，所述第三耦合器分別與第一功率傳感器、第二負載相連接，所述第四耦合器分別與第二功率傳感器、第三負載相連接，所述 USB集線器分別與第一功率傳感器、第二功率傳感器相連接，USB集線器用於將收集到的數據信號發送到外部數據分析端進行處理與分析；

所述溫度計設置在待測試器件上，用於檢測待測試器件的溫度。

如圖3所示，所述溫度測量電路還包括放大器210、濾波器220，所述第二信號發生器與放大器相連接，所述放大器與濾波器相連接，所述濾波器與第三耦合器相連接。

如圖4所示，本實施例中，還包括殼體，所述放大器功率測量電路、溫度測量電路設置在殼體內。

本實施例的相關指標及其附件具體描述，射頻接口為DIN716(f)，控制接口為USB2.0，電源為USB供電,80mA/5V，工作溫度範圍為0～+50℃，殼體尺寸(W×H×D)為483mm(W)×89mm(H)×360mm(D)；包括大功率測試電纜,Nm-DIN716m,1米、測試電纜,3GHz,Nm-Nm,1米、射頻轉接器,DIN716(m)-N(f)、溫度計、USB信號源,0.5-2.2GHz,N、USB信號源,1-4GHz,N、射頻功率放大器,0.82-0.96GHz,49dBm、射頻功率放大器,1.8-2.2GHz,49dBm以及負載,150W,4GHz,N(f)。

本實施例具有以下功能：

1、測量功率放大器在不同功率等級下的S11

當放大器的輸入功率變化時，其輸入VSWR也會隨之變化，這種變化將會影響放大器與前一級電路的匹配。

本實施例可以測量放大器在不同功率等級下S11，最終測試結果可幫助設計者了解放大器的輸入特性，正確設計系統中的相關參數。

2、測量功率放大器在不同輸出功率時增益及其變化量

用本實施例可以方便直觀地測量功率放大器在不同輸出功率時的增益，從而確定放大器的P1dB輸出功率，還可以為系統的自動增益控制提供設計依據。

3、測量無源器件在不同功率等級下的S21參數及其變化量

當無源器件工作在大功率狀態下時，其插入損耗(S21)會發生變化。如一個50W/30dB的固定衰減器，當輸入功率從零增加到50W時，其衰減量可能會變化1.1dB，在測試和測量場合，這種誤差不可忽視；其它的例子有用於功率放大器的微帶電路板、鐵氧體隔離器等。

4、評估無源器件在大功率的持續作用下溫度的變化以及燒穿分析

當無源器件工作在額定功率的臨界狀態下時，其溫度會逐漸升高，設計不當的話，無源器件可能產生燒毀現象。

本實施例可以根據不同的評判標準(如S21的變化量)來測量並記錄DUT 的溫度隨功率和時間的變化，及最終的燒穿分析。本實施例的這項功能有助於無源大功率組件設計中材料的正確選擇和評估。

5、測量並分析功率放大器的溫度及其變化量

本實施例可提供多個溫度傳感器來同時檢測功率放大器各個部位的溫度，為放大器的散熱設計提供依據。

6、測量功率放大器在不同輸出功率等級下的S22(Hot S22)

這項功能對於射頻功率放大器的設計和調試有著重要的意義。功率放大器在不同的輸出功率等級下，其輸出S22是不同的，正確測量其變化量，有助於放大器輸出匹配電路的正確設計，以提高放大器的工作穩定性和效率。

使用過程中，本實施例依據S參數的原理，可以測量出在大功率狀態下S 參數的四個要素a1、b1、a2、b2，從而計算出DUT(或AUT)的插入損耗(增益)、輸入駐波、輸出駐波、反向隔離等指標。此外，本實施例還具備溫度測量和效率測量功能，可為器件和系統設計提供實用的設計依據。測試者可以根據器件的測試要求及其在系統中的應用要求來進行各種性能分析，如溫度隨功率的變化、S21隨時間的變化等。

以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利保護範圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍內。