CN110361685B - 一种宽带示波器探头传输特性校准方法和*** - Google Patents

一种宽带示波器探头传输特性校准方法和*** Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种宽带示波器探头传输特性校准方法，包括以下步骤：测试标准夹具全散射系数，变换到时域，截取第1端口反射脉冲再变换到频域得到左臂同轴端口反射系数；截取第2端口反射脉冲再变换到频域得到右臂同轴端口反射系数；根据标准夹具全散射系数、左臂同轴端口反射系数、右臂同轴端口反射系数计算L部分全散射系数；将第1端口接矢量网络分析仪的测试端、第2端口接匹配负载；将宽带示波器探头的输出端接矢量网络分析仪的另一测试端、输入端压接在标准夹具中心位置，进一步测试得到宽带示波器探头散射系数。本申请还包含应用上述方法的***。本申请的方案可以消除校准夹具频率特性引入的测量误差，提高校准结果的准确度。

Description

一种宽带示波器探头传输特性校准方法和***
技术领域
本申请涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种基于微波网络测量的宽带示波器探头传输特性校准方法和***。
背景技术
示波器探头是测试板级电路的重要工具，其工作的基本原理是通过与电路板传输线或者特定焊盘接触的探头前端提取电路板中传输信号的部分能量，然后通过内部的有源器件对提取的信号进行补偿与放大，最后将被测信号传输至示波器进行测量与分析。
传输特性是示波器探头的重要技术指标，它表征了示波器探头对不同频率信号的响应，直接影响了示波器探头对高速及高频信号的测量能力。传统的示波器探头传输特性的校准方法是使用信号发生器产生标准的正弦波信号，接着利用示波器探头校准夹具将标准信号引导进入被校准探头的输入端，然后将示波器探头的输出端连接到标准的示波器或者功率计，改变标准正弦波信号的频率并记录示波器探头在不同频率下输出的信号幅度或者功率，最后与参考频率处的幅度或功率相比，得到校准带宽范围内的探头传输特性。
上述的传统探头传输特性校准方法仅能开展带宽6GHz以内的探头校准工作，这是因为传统校准方法将校准夹具假设为理想的电连接器件，完全忽略校准夹具的频率特性对校准结果的影响，这一假设在频段内引入的误差较小，但是当校准的带宽进一步提高的时候，校准夹具自身频率特性引入的测量误差会越来越大，简单的将其假设为一种理想的电连接器件已经不能满足校准的高准确度要求。
发明内容
有鉴于此，本申请提出一种宽带示波器探头传输特性校准方法和***，可以消除校准夹具自身频率特性引入的测量误差，提高校准结果的准确度。
本申请实施例提供一种宽带示波器探头传输特性校准方法，包括以下步骤：
测试标准夹具全散射系数，所述全散射系数为包含S11、S12、S21、S22四个量的散射参数，所述标准夹具全散射系数表示为
Figure GDA0003078775760000021
其中第1端口为所述标准夹具的左臂同轴端口，第2端口为所述标准夹具的右臂同轴端口；
将所述全散射系数变换到时域，用时域门函数截取第1端口反射脉冲再变换到频域，得到L部分的左臂同轴端口反射系数S11L；截取第2端口反射脉冲再变换到频域，得到R部分的右臂同轴端口反射系数S22R；
根据所述标准夹具全散射系数、左臂同轴端口反射系数、右臂同轴端口反射系数计算所述L部分的全散射系数；
将所述第1端口接矢量网络分析仪的测试端、第2端口接匹配负载；将所述宽带示波器探头的输出端接所述矢量网络分析仪的另一测试端、输入端压接在所述标准夹具中心位置，测试得到***散射系数即所述宽带示波器探头和所述L部分级联的结果，进一步得到所述宽带示波器探头的散射系数。
作为本申请方法优化的实施例，所述方法进一步包含以下步骤：将全散射系数变换到时域，有H11(t)＝IFT(S11)；使用时域门函数W(t)对时域数据H11(t)进行时域选通，获得左臂同轴端口时域反射数据H11′(t)，即H11′(t)＝W(t)*H11(t)；将所述左臂同轴端口时域反射数据变换至频域，获得校准夹具左臂同轴端口反射系数S11L，即S11L＝FT[H11'(t)]；其中IFT表示逆傅里叶变换算法，FT表示傅里叶变换算法。
作为本申请方法优化的实施例，所述方法进一步包含以下步骤：将全散射系数变换到时域，有H22(t)＝IFT(S22)；使用时域门函数W(t)对时域数据H22(t)进行时域选通，获得右臂同轴端口时域反射数据H22'(t)，即H22'(t)＝W(t)*H22(t)；将所述右臂同轴端口时域反射数据变换至频域，获得校准夹具右臂同轴端口反射系数S22R，即S22R＝FT[H22'(t)]；其中IFT表示逆傅里叶变换算法，FT表示傅里叶变换算法。
作为本申请方法优化的实施例，计算所述L部分的全散射系数为
Figure GDA0003078775760000031
其中，S12L＝S21L，
Figure GDA0003078775760000032
Figure GDA0003078775760000033
作为本申请方法进一步优化的实施例，所述“进一步得到所述宽带示波器探头的散射系数”，还包含以下步骤：将所述L部分的全散射系数输入所述矢量分析仪，使用端口延伸测试功能，测试得到所述宽带示波器探头的散射系数。
优选地，在本申请任意一项方法实施例中，所述时域门函数的宽度τfx内，包含第一个电脉冲。
另一方面，本申请还提出一种宽带示波器探头传输特性校准***，包含矢量网络分析仪、标准夹具、匹配负载。其中，第1端口为所述标准夹具的左臂同轴端口，第2端口为所述标准夹具的右臂同轴端口，将所述第1端口接矢量网络分析仪的测试端、第2端口接匹配负载；将所述宽带示波器探头的输出端接所述矢量网络分析仪的另一测试端、输入端压接在所述标准夹具中心位置。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本申请的探头传输特性校准方法工作带宽达到6GHz以上的探头校准工作，本申请考虑了校准夹具的频率特性对校准结果的影响，当校准的带宽进一步提高的时候，校准夹具自身频率特性引入的测量误差会越来越大，本申请方案克服了校准夹具频率特性的影响，能够满足在更高频段的高准确度校准的要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为校准夹具和矢量网络分析仪连接示意图；
图2为本发明方法的实施例流程图；
图3为标准夹具L部分和R部分连接的等效端口位置示意图；
图4为标准夹具L部分端口反射示意图
图5为本发明***的实施例示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为校准夹具和矢量网络分析仪连接示意图。
对矢量网络分析仪进行二端口校准，然后按照图1的方式将校准夹具的左侧同轴端口L与右侧同轴端口R分别与矢量网络分析仪的测试端口(或称为第一测试端口port1)、另一测试端口(或称第二测试端口port2)连接，直接测量获得其同轴端口的全散射参数：
Figure GDA0003078775760000041
按照公式1，S参数是用于表示双端口网络的第1端口和第2端口的散射特性。如图1所示，第1端口为所述标准夹具的左臂(L)同轴端口，第2端口为所述标准夹具的右臂(R)同轴端口。
为计算校准夹具电延时量，使用逆傅里叶变换计算方法，将第一步获得的同轴端口散射参数中的数据S21逆变换为时域数据：
H21(t)＝IFT(S21) (2)
得到的时域数据H21(t)表示校准夹具的冲激响应，计算其脉冲峰值对应的时间量即为校准夹具的总电延时量τfx。
此处的总电延迟量，可以用于确定L部分的左臂同轴端口、R部分的右臂同轴端口反射系数的时域门函数窗口。
图2为本发明方法的实施例流程图。
本申请实施例提供一种宽带示波器探头传输特性校准方法，包括以下步骤：
步骤10、测试标准夹具全散射系数。
所述全散射系数为全频段的散射系数。进一步地，还可包含步骤11、通过公式(2)确定所述校准夹具的总延时量。
步骤20、将所述全散射系数变换到时域，用时域门函数截取第1端口反射脉冲再变换到频域，得到左臂同轴端口反射系数S11L；截取第2端口反射脉冲再变换到频域，得到右臂同轴端口反射系数S22R。
所述左臂同轴端口反射系数，是校准夹具L部分(左侧同轴端口L至校准夹具中心位置部分)同轴端口反射系数。
所述右臂同轴端口反射系数，是校准夹具R部分(右侧同轴端口R至校准夹具中心位置部分)同轴端口反射系数。
需要说明的是，此时，假设L部分和R部分之间的端口位于标准夹具中心位置O。参考图3，校准夹具L部分和R部分之间通过平面传输结构连接在一起组成一个整体，L部分和R部分之间的端口不是真实的物理端口，只是为了实现修正设定的一个等效端口。
步骤20进一步包含以下步骤21～22：
步骤21、将全散射系数变换到时域，有H11(t)＝IFT(S11)；使用时域门函数W(t)对时域数据H11(t)进行时域选通，获得左臂同轴端口时域反射数据H11′(t)，即H11′(t)＝W(t)*H11(t)；将所述左臂同轴端口时域反射数据变换至频域，获得校准夹具左臂同轴端口反射系数S11L，即：
S11L＝FT[H11′(t)] (3)
其中IFT表示逆傅里叶变换算法，FT表示傅里叶变换算法。
步骤22、将全散射系数变换到时域，有H22(t)＝IFT(S22)；使用时域门函数W(t)对时域数据H22(t)进行时域选通，获得右臂同轴端口时域反射数据H22'(t)，即H22'(t)＝W(t)*H22(t)；将所述右臂同轴端口时域反射数据变换至频域，获得校准夹具右臂同轴端口反射系数S22R，即：
S22R＝FT[H22'(t)] (4)
其中IFT表示逆傅里叶变换算法，FT表示傅里叶变换算法。
在本申请任意一项方法实施例中，所述时域门函数的宽度内，包含第一个电脉冲。优选地，时域门函数的宽度为τfx。使用时域门函数W(t)对时域数据H11(t)进行时域选通，时域门函数将H11(t)数据中除第一个脉冲至电延时量τfx以外的数据置0，获得选通后的时域数据H11′(t)；以及，使用时域门函数W(t)对时域数据H22(t)进行时域选通，时域门函数将H22(t)数据中除第一个脉冲时间至电延时量τfx以外的数据置0，获得选通后的时域数据H22′(t)。
步骤30、根据所述标准夹具全散射系数、左臂同轴端口反射系数、右臂同轴端口反射系数计算所述L部分的全散射系数。
步骤31、首先计算校准夹具L部分与校准夹具R部分平面端口的反射系数。平面端口位于所述左臂和右臂之间，将校准夹具区分为L部分和R部分两个部分。
校准夹具L部分的全散射参数可以表示为
Figure GDA0003078775760000061
考虑所述校准夹具的网络特性是所述L部分和R部分的网络特性级联的结果，且L部分和R部分对称，因此所述校准夹具的S参数数据满足以下关系式：
Figure GDA0003078775760000062
Figure GDA0003078775760000063
校准夹具L部分与校准夹具R部分在结构上对称，其S参数还满足
S12L＝S21R (7)
根据等式(5)～(7)计算得到校准夹具L部分平面端口的反射系数S22L：
Figure GDA0003078775760000071
同样可以计算得到校准夹具R部分平面端口的反射系数S11R：
Figure GDA0003078775760000072
为理解左臂(L部分)同轴端口反射系数S11L、右臂(R部分)同轴端口反射系数S22R、L部分平面端口反射系数S22L、R部分平面端口反射系数S11R的物理意义，参看图4，反射系数是反射信号与入射信号的比值，左臂同轴端口反射系数是指假设将一个整体的校准夹具分成两个部分，当只存在左半部分时的同轴端口①的反射，L部分平面反射系数是指左半部分单独存在时平面端口②的反射。
同理，右臂同轴端口反射系数是指假设将一个整体的校准夹具分成两个部分，当只存在右半部分时的同轴端口的反射，R部分平面反射系数是指右半部分单独存在时平面端口的反射。
步骤32、计算校准夹具L部分全散射参数：
校准夹具L部分的传输系数S21L可以通过公式(6)与(7)计算得到：
Figure GDA0003078775760000073
校准夹具为无源网络，其两个端口具有互易性：
S12L＝S21L (11)
至此，L部分全散射阐述参数均取得，见公式(3)、(8)、(10)和(11)。
步骤40、将所述第1端口接矢量网络分析仪的测试端、第2端口接匹配负载；将所述宽带示波器探头的输出端接所述矢量网络分析仪的另一测试端、将所述宽带示波器探头的输入端压接在所述标准夹具中心位置，测试得到***散射系数即所述宽带示波器探头和所述L部分级联的结果，进一步得到所述宽带示波器探头的散射系数。
作为本申请方法进一步优化的实施例，所述“进一步得到所述宽带示波器探头的散射系数”，还包含以下步骤：将所述L部分的全散射系数输入所述矢量分析仪，使用端口延伸测试功能，测试得到所述宽带示波器探头的散射系数。
具体地，步骤40可进一步包含以下步骤41～42：
步骤41、步骤30计算得到的校准夹具L部分二端口S参数载入矢量网络分析仪，使用端口延伸功能将测量参考面延伸至校准夹具L部分的平面端口。按照图5的方式将校准夹具的左侧同轴端口L与矢量网络分析仪的port1连接，将宽带示波器探头的输出同轴端口与矢量网络分析仪的port2连接，校准夹具的右侧同轴端口R与匹配负载连接，宽带示波器探头输入端压接在校准夹具中心位置，获得该状态下的散射系数：
Figure GDA0003078775760000081
步骤42、计算S21′的模值获得被校准宽带示波器探头的传输特性校准结果：
Hprobe(f)＝|S21′| (13)
图5为本发明***的实施例示意图。
另一方面，本申请还提出一种宽带示波器探头传输特性校准***，包含矢量网络分析仪、标准夹具、匹配负载。其中，第1端口为所述标准夹具的左臂同轴端口，第2端口为所述标准夹具的右臂同轴端口，将所述第1端口接矢量网络分析仪的测试端、第2端口接匹配负载；将所述宽带示波器探头的输出端接所述矢量网络分析仪的另一测试端、输入端压接在所述标准夹具中心位置。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种宽带示波器探头传输特性校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
测试标准夹具全散射系数，所述全散射系数为
Figure FDA0003078775750000011
第1端口为所述标准夹具的左臂同轴端口，第2端口为所述标准夹具的右臂同轴端口；
将所述全散射系数变换到时域，用时域门函数截取第1端口反射脉冲再变换到频域，得到L部分的左臂同轴端口反射系数S11L；截取第2端口反射脉冲再变换到频域，得到R部分的右臂同轴端口反射系数S22R；
根据所述标准夹具全散射系数、左臂同轴端口反射系数、右臂同轴端口反射系数计算所述L部分的全散射系数为
Figure FDA0003078775750000012
其中，S12L＝S21L，
Figure FDA0003078775750000013
Figure FDA0003078775750000014
将所述第1端口接矢量网络分析仪的测试端、第2端口接匹配负载；将所述宽带示波器探头的输出端接所述矢量网络分析仪的另一测试端、输入端压接在所述标准夹具中心位置，测试得到***散射系数即所述宽带示波器探头和所述左臂级联的结果，将所述L部分的全散射系数输入所述矢量分析仪，使用端口延伸测试功能，测试得到所述宽带示波器探头的散射系数：
Figure FDA0003078775750000015
计算S21′的模值获得被校准宽带示波器探头的传输特性校准结果：Hprobe(f)＝|S21′|。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，进一步包含以下步骤：
将全散射系数变换到时域，有H11(t)＝IFT(S11)；
使用时域门函数W(t)对时域数据H11(t)进行时域选通，获得左臂同轴端口时域反射数据H11′(t)，即H11′(t)＝W(t)*H11(t)；
将所述左臂同轴端口时域反射数据变换至频域，获得校准夹具左臂同轴端口反射系数S11L，即S11L＝FT[H11′(t)]；
其中IFT表示逆傅里叶变换算法，FT表示傅里叶变换算法。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，进一步包含以下步骤：
将全散射系数变换到时域，有H22(t)＝IFT(S22)；
使用时域门函数W(t)对时域数据H22(t)进行时域选通，获得右臂同轴端口时域反射数据H22'(t)，即H22'(t)＝W(t)*H22(t)；
将所述右臂同轴端口时域反射数据变换至频域，获得校准夹具右臂同轴端口反射系数S22R，即S22R＝FT[H22'(t)]；
其中IFT表示逆傅里叶变换算法，FT表示傅里叶变换算法。
4.如权利要求1～3任意一项所述方法，其特征在于，
所述时域门函数的宽度τfx内，包含第一个电脉冲。
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