CN108055091A - 一种毫米波自校准虚拟仪器及其实施方法 - Google Patents

一种毫米波自校准虚拟仪器及其实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波自校准虚拟仪器，包括微波信号源、倍频单元、信号检测单元以及主控计算机；倍频单元设有输入端与输出端，输入端连接微波信号源，输出端连接信号检测单元；主控计算机连接微波信号源和信号检测单元。本发明结合主控计算机搭建了适用于毫米波自校准的虚拟仪器，可以自动完成校准，提高了校准的效率；并能在使用时配合其他可编程仪器一同使用，大大提高了本发明的毫米波自校准虚拟仪器的通用性和灵活性。此外，本发明提供的毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法同时覆盖了功率和频率的校准，在校准方式上更加准确，并以此得到了拥有准确输出的虚拟仪器。

Description

一种毫米波自校准虚拟仪器及其实施方法
技术领域
本发明属于仪器与仪表技术领域，具体涉及一种毫米波自校准虚拟仪器及其实施方法。
背景技术
目前，对于微波信号自校准技术已有不少研究。例如上海聚星仪器有限公司陆奚峰等人的发明专利“射频前端收发链路在线校准办法”(申请号CN201210103703.8)介绍了一种射频信号接收校准和射频信号发射校准，校准方式有所相关，都采用了在不需要其它外部设备或连接的自校准方式来进行电磁波信号的功率和频率校准。但该专利未涉及虚拟仪器的搭建，也没有编制相关自校准软件，在灵活性和通用性上差强人意。
此外，昆山启业检测校准技术有限公司高超的发明专利“基于虚拟仪器的汽车电子射频识别参数检测***”(申请号CN201110106606.X)介绍了一种基于虚拟仪器检测***，将通信的算法植入计算机，从而解决虚拟仪器的多标准解调，分析，和统计等研发验证和生产制造的产线测试需求。该专利借助虚拟仪器的信号发生和分析多模块同步操作，解决了通常需要价格昂贵的网络分析仪才能完成的路径校准问题，但主要是用于汽车电子射频识别参数检测，不适用于毫米波频段或带宽较宽(35GHz～50GHz)的测量频率。
太仓市同维电子有限公司闻敏刚等的发明申请“一种射频自动校准衰减校准***和校准方法”(申请号CN201510209050.5)介绍了一种射频自动校准衰减校准***和校准方法，该发明通过PC自动化控制，实现了通道功率的校准，并进行了数据处理方式，得到校准值。该技术同样不适用于毫米波频段或带宽较宽(35GHz～50GHz)的测量频率。虽然现在也有人在研究毫米波段测试与测量仪器，但是大多价格昂贵，购置周期长；不适用于更高的频段。
发明内容
本发明的目的是提供一种毫米波自校准虚拟仪器，以搭建毫米波段的虚拟仪器，完成虚拟仪器的自校准和通过使用经过自校准的虚拟仪器输出高精度的毫米波信号。
本发明提供了一种毫米波自校准虚拟仪器，包括微波信号源、倍频单元、信号检测单元以及主控计算机；倍频单元设有输入端与输出端，输入端连接微波信号源，输出端连接信号检测单元；主控计算机连接微波信号源和信号检测单元。
倍频单元为有源倍频链，包括倍频链路和直流稳压电源；倍频链路由多个倍频器组合而成。
所述倍频器的数量为2个。
微波信号源和信号检测单元均通过同轴线缆与倍频单元连接，且均通过GPIB线与主控计算机连接。
本发明还提供了一种毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，包括以下步骤：步骤S1，搭建权利要求1所述的毫米波自校准虚拟仪器，完成微波信号源的初始化和信号检测单元的初始化，在主控计算机上设定倍频参数N为倍频单元的倍频单元倍数，并设定当前的预期频率的初始值；步骤S2，将由倍频单元输出的基准信号的预期频率设为当前的预期频率，并测量基准信号在当前的预期频率且不同功率下的功率损耗以及频率校准值，所述基准信号的预期频率通过将微波信号源输出的驱动信号的频率设为当前的预期频率的1/N来设定；步骤S3，生成在基准信号为当前的预期频率时，驱动信号的频率值、基准信号的频率校准值以及不同功率值对应的功率损耗图表并保存相应数据；步骤S4，将当前的预期频率加上步进频率作为更新的预期频率；步骤S5，将更新的预期频率设为当前的预期频率，重复上述步骤S2至步骤S4，直至更新的预期频率到达终止频率，此时执行步骤S6；步骤S6，得到并保存频率和功率的输入-输出参数表，并关闭微波信号源。
所述微波信号源的初始化包括：开启微波信号源，将微波信号源输出的驱动信号的频率设置为最小频率，驱动信号的功率设为驱动倍频单元正常工作时的微波信号源的最小输出功率，所述当前的预期频率的初始值为所述最小频率×N。
所述信号检测单元优选为微波频谱分析仪，信号检测单元的初始化包括：设置该微波频谱分析仪的【VBW】参数、【RBW】参数以及【Span】参数；微波频谱分析仪的谐波混频器的【Marker】设置为预期频率。
所述功率损耗可以采用以下公式计算：P损＝[Pout-Pin]，Pin为输入倍频单元的驱动信号的功率，Pout为由倍频单元输出的基准信号的功率校准值。
所述起始频率与终止频率的取值范围是35～50GHz。
本发明还提供了一种毫米波自校准虚拟仪器的使用方法，包括以下步骤：步骤S1，采用根据权利要求4所述的自校准方法获取频率和功率的输入-输出参数表；步骤S2，断开倍频单元和主控计算机与信号检测单元的连接并移除信号检测单元，打开控制程序，完成微波信号源的初始化和控制程序的初始化；步骤S3，输入所需输出倍频单元的基准信号的频率功率值；步骤S4，调用频率和功率的输入-输出参数表，通过所需输出倍频单元的基准信号的频率功率值得到驱动信号的频率和功率值；步骤S5，将微波信号源的频率功率值设置为所述驱动信号的频率和功率值；步骤S7、控制微波信号源开启，倍频单元输出端输出高精度的毫米波信号。
本发明结合主控计算机搭建了适用于毫米波自校准的虚拟仪器，通过主控计算机的使用，可以自动完成校准，由于倍频后各个频点的不同功率不是线性的，所以如果需要的使用该搭建的仪器需要人工进行多个点的测试，如需校准测试量非常大，因此本方法提高了校准的效率；并能在使用时配合其他可编程仪器一同使用，大大提高了本发明的毫米波自校准虚拟仪器的通用性和灵活性，此外，本发明提供的毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法同时覆盖了功率和频率的校准，对仪器要求更低，适用于对非线性仪器的校准，在校准方式上更加准确，并以此得到了拥有准确输出的虚拟仪器。
附图说明
图1为根据本发明的一种毫米波自校准虚拟仪器的结构示意图；
图2为如图1所示的自校准虚拟仪器的自校准步骤流程图；
图3为图1所示的自校准虚拟仪器的使用流程图。
附图标记：1、微波信号源；2、倍频单元；21、倍频链路；22、直流稳压电源；3、主控计算机；5、信号检测单元
具体实施方式
可编程仪器标准命令SCPI(Standard Commands for Programmable instrument)于1990年面世，这套标准定义了可用于控制一切可编程仪器的语法，命令结构以及数据格式。
Labview是一种开发环境，Labview与其他计算机语言的显著区别是：Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。Labview可以充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理能力，可以创造功能更强的仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，可用于进行数据采集和程序控制。
本发明利用作为虚拟仪器的计算机，基于可编程仪器标准命令SCPI(如下文微波信号源，信号检测单元等)和labview，以通用的计算机硬件及操作***为依托，实现各种仪器功能。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的毫米波段的虚拟仪器10，包括微波信号源1、倍频单元2、主控计算机3以及信号检测单元5。所述微波信号源1设置为输出用于驱动倍频单元2的驱动信号。倍频单元2上设有输入端和输出端，该输入端通过同轴线缆与微波信号源1相连，该输出端通过同轴线缆与信号检测单元5相连。由此，倍频单元2将驱动信号通过倍频技术得到毫米波段基准信号，并传输到信号检测单元5上。所述倍频单元2的倍频单元倍数为N，优选为有源倍频链，包括倍频链路21和直流稳压电源22；倍频链路21由多个倍频器组合而成，在本发明中优选为由2个倍频器组合而成，具体根据微波信号源和所需要的频率来确定倍频器的数量，通过采用不同的倍频器可以得到不同的倍频单元倍数。信号检测单元5优选为微波频谱分析仪，型号为安捷伦E4446B，用于检测信号的实际频率和实际功率。主控计算机3通过GPIB线与微波信号源1和信号检测单元5连接，从而通过其上装载的自校准程序和控制程序对微波信号源1与信号检测单元5进行控制。
如图2所示，本发明还提供了一种毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，该方法利用主控计算机3上装载的自校准程序，包括以下步骤：
步骤S1，搭建如图1所示的毫米波自校准虚拟仪器，完成微波信号源1的初始化和信号检测单元5的初始化，在主控计算机3上设定倍频参数N和当前预期频率的初始值。
微波信号源1的初始化包括：主控计算机3通过GPIB总线开启微波信号源1，将微波信号源1输出的驱动信号的频率设置为微波信号源1正常工作时的最小频率，将其输出功率设置为驱动倍频单元2正常工作时的微波信号源1的最小输出功率。
信号检测单元5的初始化包括：对其参考电平、带宽进行设置。在本实施例中，由于信号检测单元5优选为微波频谱分析仪，型号为安捷伦E4446B，主控计算机通过GPIB总线开启微波频谱分析仪，设置该微波频谱分析仪的【VBW】参数、【RBW】参数以及【Span】参数，其中Span参数不大于500MHz且不小于1KHz，优选设置为100KHz，并将微波频谱分析仪的谐波混频器的【Marker】设置为预期频率。
在主控计算机3上的自校准程序中将倍频参数N设为倍频单元2的倍频单元倍数，使得主控计算机3能够通过微波信号源1的驱动信号的频率×N计算由倍频单元2输出的基准信号的预期频率。并且，设定基准信号的当前的预期频率的初始值为微波信号源1的驱动信号的最小频率×N。
步骤S2，控制由倍频单元2输出的基准信号的预期频率为当前的预期频率，并测量基准信号在当前的预期频率下且不同功率下的功率损耗以及频率校准值。主控计算机3从虚拟仪器自校准程序中读取当前的预期频率并通过GPIB总线将其写入微波频谱分析仪，并控制由倍频单元2输出的基准信号切换成当前的预期频率。所述预期频率的控制通过将微波信号源1的驱动信号的频率设为当前的预期频率的1/N来实现，N为倍频参数。改变微波信号源1驱动信号的功率，信号检测单元5扫描获得基准信号在当前预期频率下且不同功率下的实际频率和实际信号幅度峰值，即基准信号在当前预期频率下且不同功率下的频率与功率的校准值。
随后，主控计算机3根据下列公式获得基准信号在当前的预期频率下且不同功率下的功率损耗P损：
P损＝[Pout-Pin]，
其中Pin为输入倍频单元2的驱动信号的功率，Pout为由倍频单元2输出的基准信号的功率校准值。
步骤S3，主控计算机3生成在基准信号为当前的预期频率时，驱动信号的频率值、基准信号的频率校准值以及不同功率值对应的功率损耗图表并完成相应数据的保存。
步骤S4，主控计算机3将当前的预期频率加上步进频率作为更新的预期频率。
步骤S5，将更新的预期频率设为当前的预期频率，重复上述步骤S2至步骤S4，直至更新的预期频率到达终止频率，此时执行步骤S6。基于现有的微波信号源和倍频器，所述起始频率和终止频率的取值范围是35～50GHz。
步骤S6，得到并保存频率和功率的输入-输出参数表，并关闭微波信号源1。其中，频率和功率的输入-输出参数表为输入倍频单元2的驱动信号的频率和功率对照于输出倍频单元2的基准信号的频率和功率校准值的参数表。
由此，虚拟仪器10实现了虚拟仪器自校准功能。
如图3所示，本发明还提供了一种毫米波自校准虚拟仪器的使用方法，该方法利用主控计算机3上装载的控制程序，包括如下步骤：
步骤S1，采用如图2所示且如上文所述的自校准方法获取频率和功率的输入-输出参数表；
步骤S2，断开倍频单元2和主控计算机3与信号检测单元5的连接并移除信号检测单元5，打开控制程序，完成微波信号源1的初始化和控制程序的初始化；
步骤S3，输入所需输出倍频单元2的基准信号的频率和功率值；
步骤S4，调用频率功率的输入-输出参数表，通过所需输出倍频单元2的基准信号的频率功率值得到驱动信号的频率和功率值；
步骤S5，将微波信号源1的频率功率值设置为所述驱动信号的频率和功率值。
步骤S7、控制微波信号源1开启，倍频单元2输出端输出高精度的毫米波。
由此，主控计算机3实现了倍频单元2输出端的基准信号的频率功率值的控制。可以在该倍频单元2的输出端设置仪器检测基准信号的频率和功率值以验证该虚拟仪器的可用性。若读取的频率和功率值与频率和功率的校准值比较，偏差小于1％，则该仪器校准完毕，可以用于常规测量。

Claims (10)

1.一种毫米波自校准虚拟仪器，其特征在于：包括微波信号源(1)、倍频单元(2)、主控计算机(3)以及信号检测单元(5)；倍频单元(2)设有输入端与输出端，输入端连接微波信号源(1)，输出端连接信号检测单元(5)；主控计算机(3)连接微波信号源(1)和信号检测单元(5)。
2.根据权利要求1所述的毫米波自校准虚拟仪器，其特征在于，倍频单元(2)为有源倍频链，包括相互串联的倍频链路(21)和直流稳压电源(22)，其中倍频链路(21)由多个倍频器组合而成。
3.根据权利要求2所述的毫米波自校准虚拟仪器，其特征在于，所述倍频器的数量为2个。
4.根据权利要求1所述的毫米波自校准虚拟仪器，其特征在于，微波信号源(1)和信号检测单元(5)均通过同轴线缆与倍频单元(2)连接，且均通过GPIB线与主控计算机(3)连接。
5.一种毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，搭建权利要求1所述的毫米波自校准虚拟仪器，完成微波信号源(1)的初始化和信号检测单元(5)的初始化，在主控计算机(3)上设定倍频参数N为倍频单元(2)的倍频单元倍数，并设定当前的预期频率的初始值；
步骤S2，将由倍频单元(2)输出的基准信号的预期频率设为当前的预期频率，并测量基准信号在当前的预期频率且不同功率下的功率损耗以及频率校准值，所述基准信号的预期频率通过将微波信号源输出的驱动信号的频率设为当前的预期频率的1/N来设定；
步骤S3，生成在基准信号为当前的预期频率时，驱动信号的频率值、基准信号的频率校准值以及不同功率值对应的功率损耗图表并保存相应数据；
步骤S4，将当前的预期频率加上步进频率作为更新的预期频率；
步骤S5，将更新的预期频率设为当前的预期频率，重复上述步骤S2至步骤S4，直至更新的预期频率到达终止频率，此时执行步骤S6；
步骤S6，得到并保存频率和功率的输入-输出参数表，并关闭微波信号源1。
6.根据权利要求5所述的毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，其特征在于，所述微波信号源(1)的初始化包括：开启微波信号源(1)，将微波信号源(1)输出的驱动信号的频率设置为最小频率，驱动信号的功率设为驱动倍频单元(2)正常工作时的微波信号源(1)的最小输出功率，当前的预期频率的初始值为所述最小频率×N。
7.根据权利要求5所述的毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，其特征在于，所述信号检测单元(5)优选为微波频谱分析仪，信号检测单元(5)的初始化包括：设置该微波频谱分析仪的【VBW】参数、【RBW】参数以及【Span】参数；微波频谱分析仪的谐波混频器的【Marker】值设置为预期频率。
8.根据权利要求5所述的毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，其特征在于，所述功率损耗可以采用以下公式计算：P损＝[Pout-Pin]，其中
Pin为输入倍频单元2的驱动信号的功率，Pout为由倍频单元(2)输出的基准信号的功率校准值。
9.根据权利要求5所述的毫米波自校准虚拟仪器的自校准方法，其特征在于，所述起始频率与终止频率的取值范围是35～50GHz。
10.一种毫米波自校准虚拟仪器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，采用根据权利要求4所述的自校准方法获取频率和功率的输入-输出参数表；
步骤S2，断开倍频单元(2)和主控计算机(3)与信号检测单元(5)的连接并移除信号检测单元(5)，打开控制程序，完成微波信号源(1)的初始化和控制程序的初始化；
步骤S3，输入所需输出倍频单元(2)的基准信号的频率功率值；
步骤S4，调用频率和功率的输入-输出参数表，通过所需输出倍频单元(2)的基准信号的频率功率值得到驱动信号的频率和功率值；
步骤S5，将微波信号源(1)的频率功率值设置为所述驱动信号的频率和功率值；
步骤S7、控制微波信号源(1)开启，倍频单元(2)的输出端输出高精度的毫米波信号。
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