专利名称：适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪及其测试方法
技术领域：
本发明属于网络测试技术，具体涉及一种适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪及其测试方法。
背景技术：
微波复杂功率器件/组件由于在长时间连续波激励信号状态下进行网络参数测试时容易因为温度过高而烧毁，因此非常需要通过脉冲调制信号激励既获得峰值大信号状态的响应特性同时又降低平均消耗功率以保护被测件。而传统的连续波状态网络参数测试设备无法解决这一问题，需要能够产生脉冲调制激励信号同时能够接收、处理和分析脉冲调制响应信号的网络参数测试设备。目前，在脉冲状态下的网络参数测试方面，主要有外置激励/本振信号源测试法、外置脉冲调制源测试法等几种方案。外置激励/本振信号源测试法通过一台激励信号源、一台本振信号源、一台S参数测试装置和一台幅相接收机共同组成一个脉冲状态的网络参数测试系统，实现脉冲状态下的网络参数测试。在外置激励/本振信号源测试法中，激励和本振信号源都为外置，系统组成庞大且控制繁琐复杂，中频接收为模拟中频接收，由于受到模拟滤波技术的限制，在进行脉冲状态的网络参数测试时仅能实现宽带检波处理，测试动态范围受限，测试时间较长，难以完成被测件在脉冲状态下的大动态范围和快速测量的测试要求。在能够达到的50MHz 20GHz工作频率范围内，脉冲状态的双向S参数测量动态范围仅能达到50 60dB，同时系统由四台单独测试仪器组成，需装入1.6米标准机柜且连接各种电缆若干根，系统体积庞大，不利于测试推广应用。外置脉冲调制源测试法通过一台一体化连续波网络参数测试设备、一台S参数测试装置和两台脉冲信号发生器共同组成一个脉冲状态的网络参数测试系统，实现脉冲状态的网络参数测试。在外置脉冲调制源测试法中，脉冲调制源为外置，虽然由于采用嵌入式计算机平台使得测试速度有所提高，但系统组成与控制仍较繁琐复杂，脉冲调制信号内信息获取的触发及数据采集的控制由两台脉冲信号发生器与连续波网络参数测试设备统一协调控制才能实现，虽然也可以进行脉冲状态的双向S参数测量，但是由四台单独测试仪器组成的系统不仅体积庞大，且单套价格昂贵(一般高于200万元人民币)，不利于测试的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种测试精度高、稳定性好的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪及其测试方法，从而克服现有测试仪器体积庞大、造价高的缺陷，使网络参数测试更加灵活方便。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，包括内置的脉冲发生器模块，以及与脉冲发生器模块连接的脉冲调制模块，激励信号源模块与脉冲调制模块连接，脉冲调制模块连接脉冲大功率S参数测试模块；脉冲大功率S参数测试模块和本振信号源模块分别与混频接收机模块连接，混频接收机模块连接中频处理模块，中频处理模块通过数字信号处理模块与嵌入式计算机模块连接。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的激励信号源模块为单独锁相的信号发生单元，为测试应用提供激励信号。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的本振信号源模块为单独锁相的信号发生单元，为测试应用提供本振信号。更进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的激励信号源模块和本振信号源模块分别与时钟基准模块连接，采用同一时钟基准参考。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的脉冲发生器模块采用数字FPGA芯片实现，基于60MHz时钟根据DSP参数设定产生四路脉冲信号输出。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的脉冲调制模块采用并联PIN管的不等间距阵列式调制器实现。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的混频接收机模块采用双平衡式肖特基二极管混频方式实现基波混频。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其中，所述的中频处理模块采用基于低通模式的抗混叠滤波器、16位高采样率高精度A/D转换器、FPGA数字下变频和基于积分梳状滤波器、半带滤波器和FIP低通滤波器的抽取滤波器实现模拟中频信号至数字中频信号的转换。一种适用于脉冲状态的一体化网络参数测试方法，该方法通过脉冲发生器产生脉冲信号，激励信号源的激励信号经过与脉冲发生器连接的脉冲调制器输出脉冲调制激励信号提供给被测器件，被测器件的输出响应信号和本振信号源的本振信号同时送至接收机的混频器产生第一中频信号，经二次变频成为第二中频信号，经过取样、保持和ADC转换电路，将模拟中频信号转换成数字信号并送至嵌入式计算机模块进行处理和显示，实现脉冲状态下对被测器件的双向S参数测试。进一步，如上所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试方法，其中，所述的脉冲状态双向S参数的测试包含两种测量方式，分别为宽带脉冲测量方式和窄带脉冲测量方式。本发明的有益效果如下本发明利用内置脉冲发生器、脉冲调制器和集成激励信号源、本振信号源以及接收机于一体的矢量网络分析技术实现脉冲状态下对被测器件的双向S参数测试，该方法具有工作频段宽的特点，可从射频覆盖到微波/毫米波频段，可以同时获取脉冲状态的双向S参数幅度、相位及群时延信息，测试方便、灵活、准确，配置多种标准接口可灵活地组建测试系统。该设备内置的激励/本振信号源为单独锁相并基于同一时基参考信号，因此测试精度高、稳定性好、温度漂移小。
图1为适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪的系统结构示意图；图2为激励信号源模块的工作原理示意图3为本振信号源模块的工作原理示意图；图4为脉冲发生器模块的工作原理示意图；图5为混频接收机模块的工作原理示意图；图6为中频处理模块的工作原理示意图；图7为基带信号处理工作原理示意图；图8为宽带脉冲测量方式示意图；图9为窄带脉冲测量的两种典型方式示意图；图10为本发明的数据采集和处理流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明所提供的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，包括内置的脉冲发生器模块，以及与脉冲发生器模块连接的脉冲调制模块，激励信号源模块与脉冲调制模块连接，脉冲调制模块连接脉冲大功率S参数测试模块，被测器件DUT与脉冲大功率S参数测试模块连接；脉冲大功率S参数测试模块和本振信号源模块分别与混频接收机模块连接，混频接收机模块连接中频处理模块，中频处理模块通过数字信号处理模块与嵌入式计算机模块连接。激励信号源模块、本振信号源模块和脉冲发生器模块分别与时钟基准模块连接，采用同一时钟基准参考。激励信号源模块和时钟基准模块分别与频率偏移模块连接。其测量方法的基本原理是在进行脉冲状态的S参数测试时，通过脉冲发生器产生脉冲信号，激励信号源的激励信号经过与脉冲发生器连接的脉冲调制器输出脉冲调制激励信号提供给被测器件，被测器件的输出响应信号和本振信号源的本振信号同时送至接收机的混频器产生中频信号，经过取样、保持和ADC转换电路，将模拟中频信号转换成数字信号并送至嵌入式计算机模块进行处理和显示，实现脉冲状态下对被测器件的S参数测试。激励信号源模块为单独锁相的信号发生单元，为适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪提供宽带射频激励信号输出，其工作原理如图2所示。YIG振荡器的输出信号分为两路，一路经调制器、分波段滤波、放大、再次滤波后，作为信号源高波段输出信号；另一路经滤波后与PMYO固定振荡器混频，得到低波段信号，经滤波、放大后作为信号源的低波段输出。CPU通过控制波段转换开关将高、低波段衔接起来，得到满足技术要求的宽带射频激励输出信号。本振信号源模块为单独锁相的信号发生单元，为测试应用提供本振信号。本振信号源模块的工作原理如图3所示，共分为三级本振模块级联，第一级本振模块输出的本振信号基于同一时钟参考基准按频段分为两路输入到第二级本振模块，经过开关、倍频、滤波、放大后，输出二级本振信号到第三级本振模块，再次经过开关、倍频、滤波和放大最终输出满足技术要求的宽带本振输出信号。本振源模块电路复杂，包括多级稳幅环路，而在每一级模块中又包括不同工作频率范围的多个开关、滤波、放大等电路以实现提供相噪位噪声、稳定性等指标满足要求的本振信号。脉冲发生器模块是以数字FPGA芯片来实现，其工作原理如图4所示。对60MHz时钟进行计数，根据各种设定的脉冲参数，控制脉冲的高低变化。由于采用的计数时钟为60MHz (周期为16. 7ns)，计数器宽度为32位，因此本发明可以实现的脉冲参数为脉冲重复周期16. 7ns 71s可调，最小脉宽16. 7ns，脉宽、脉冲延迟、脉冲延迟增量可调且调节分辨率均为16. 7ns。由于在脉冲调制过程中，硬件信号存在固有建立时间，脉冲发生模块还加入了建立时间参数，便于后续模块在脉冲模式下进行同步数据处理。脉冲调制模块采用并联PIN管的不等间距阵列式调制器实现脉冲调制功能，不仅可以满足工作带宽的要求，而且可以保证脉冲调制电路在反偏(包括零偏)时的直通插损和平坦度以及正偏时在全波段的调制深度。混频接收机模块实现将较高频率的微波毫米波信号下变频为较低频率的信号然后进行后级处理，同时保持信号的幅度及相位信息不丢失，其工作原理如图5所示。射频信号通过低噪声放大后分为两个波段，高波段信号与经倍频放大后的本振信号进行混频，低波段信号与相应波段的本振信号进行混频；中频信号经低通滤波处理后输出至后端电路。本发明中采用双平衡式肖特基二极管混频方式实现基波混频，在实现宽频带信号下变频的同时可以改善隔离度并增强对寄生模式的抑制，还可以消去本振信号和射频信号中的所有偶次谐波。以分波段方式进行混频，降低了混频器的实现难度；无需制作宽带巴伦，本振馈电电路简单，而且需要的本振功率较低，从而降低了前端本振形成电路的难度；全波段采用基波混频，变频损耗低，提高了系统动态范围。中频处理模块实现将模拟中频信号变换为数字信号送至数字信号后级处理的功能，其工作原理如图6所示。根据尼奎斯特采样定理设计基于低通模式的抗混叠滤波器，以16位高采样率、高精度A/D转换器实现A/D变换。对于数字下变频，本发明选择合适的采样率，利用固定系数产生正弦、余弦信号的方式实现本地振荡器(NCO)，避免相位值截短和幅度量化带来的噪声，实现起来相对简单容易，简化了数字化中频单元中的频率搬移和I/Q分解电路的运算，将占用资源多、复杂的乘法运算转换为减法运算。同时设计基于积分梳状滤波器、半带滤波器和FIP低通滤波器的抽取滤波器降低数字基带信号的采样速率，减轻基带信号处理器的数据处理压力。基带信号处理工作原理如图7所示，本发明的基带信号处理包括包络检波和相位计算，可以方便而准确地通过数据采样获取原信号的矢量信息。本发明所提供的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪的脉冲状态S参数的测试包含两种测量方式，分别为宽带脉冲测量方式和窄带脉冲测量方式，分别如图8、9所示。同步脉冲和数据采集时钟由大规模可编程逻辑控制，系统的建立时间的典型值是50us，数据采集时间与系统中频带宽设置相关，通过良好的用户接口，用户只需设置脉冲宽度及周期，系统自动计算得到测量需要的中频带宽。由于本设备采用高速采样，因此宽带脉冲测量时的最窄可测脉冲宽度为二百多纳秒，比以往其它系统的微妙级处理宽度有了很大提尚ο窄带脉冲测量方式是一种异步脉冲测量方式，此时不需要同步脉冲，系统只需采集包含足够信息的测量数据即可，最终恢复出包络信息或其它用户所关心的数据信息。异步脉冲测量可以实现多种测量方式，包括扫频脉冲测量、脉冲包络测量及脉冲点测量等等。图10所示为适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪的系统软件数据采集和处理流程。首先进行系统软硬件初始化并自检；然后打开并设置脉冲发生器及调制器，打开宽带和窄带测量时的相关脉冲控制电路，设置系统参数；接下来系统动态滤波模块根据脉冲宽带及周期等设置计算动态滤波参数，送至FPGA和DSP模块根据中频带宽及是否脉冲测量开始相应的数据采集及滤波处理过程，将最终结果送共享存储器；最后读取原始数据或模拟数据，经过比例变换、平均、修正、格式化等一系列操作后送显示模块显示。该软件系统采用模块化设计和多线程的管理方式，模块编程充分采用面向对象的设计方法。系统软件运行环境基于主流Windows XP操作系统，开发环境采用Visual C++。整个软件操作全部采用中文下拉和弹出式菜单以及快捷图标的方式，软件输入方式灵活可选，除仪器前面板操作控制外，系统将直接支持即插即用的标准键盘和鼠标，通过鼠标点击就可以完成系统的全部操作，整个软件操作简单、方便、快捷，富有人性化；软件设计支持GP-IB、串口、USB接口、并口、以太网接口等多种通讯接口，使仪器具有良好的互连性，并可进行远程测量和监控；软件测试速度快、测量精度高，并且能够进行复杂的图形处理和数据计算。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种形式上的改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于包括内置的脉冲发生器模块，以及与脉冲发生器模块连接的脉冲调制模块，激励信号源模块与脉冲调制模块连接，脉冲调制模块连接脉冲大功率S参数测试模块；脉冲大功率S参数测试模块和本振信号源模块分别与混频接收机模块连接，混频接收机模块连接中频处理模块，中频处理模块通过数字信号处理模块与嵌入式计算机模块连接。
2.如权利要求1所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的激励信号源模块为单独锁相的信号发生单元，为测试应用提供激励信号。
3.如权利要求1所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的本振信号源模块为单独锁相的信号发生单元，为测试应用提供本振信号。
4.如权利要求2或3所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的激励信号源模块和本振信号源模块分别与时钟基准模块连接，采用同一时钟基准参考。
5.如权利要求1所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的脉冲发生器模块采用数字FPGA芯片实现，基于60MHz时钟根据DSP参数设定产生四路脉冲信号输出。
6.如权利要求1或5所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的脉冲调制模块采用并联PIN管的不等间距阵列式调制器实现。
7.如权利要求1所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的混频接收机模块采用双平衡式肖特基二极管混频方式实现基波混频。
8.如权利要求1或7所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪，其特征在于所述的中频处理模块采用基于低通模式的抗混叠滤波器、16位高采样率高精度A/D转换器、FPGA数字下变频和基于积分梳状滤波器、半带滤波器和FIP低通滤波器的抽取滤波器实现模拟中频信号至数字中频信号的转换。
9.一种适用于脉冲状态的一体化网络参数测试方法，其特征在于该方法通过脉冲发生器产生脉冲信号，激励信号源的激励信号经过与脉冲发生器连接的脉冲调制器输出脉冲调制激励信号提供给被测器件，被测器件的输出响应信号和本振信号源的本振信号同时送至接收机的混频器产生中频信号，经过取样、保持和ADC转换电路，将模拟中频信号转换成数字信号并送至嵌入式计算机模块进行处理和显示，实现脉冲状态下对被测器件的S参数测试。
10.如权利要求9所述的适用于脉冲状态的一体化网络参数测试方法，其特征在于所述的脉冲状态S参数的测试包含两种测量方式，分别为宽带脉冲测量方式和窄带脉冲测量方式。
全文摘要
本发明属于网络测试技术，具体涉及一种适用于脉冲状态的一体化网络参数测试仪及其测试方法。该测试仪包括内置的脉冲发生器模块，以及与脉冲发生器模块连接的脉冲调制模块，激励信号源模块与脉冲调制模块连接，脉冲调制模块连接脉冲大功率S参数测试模块；脉冲大功率S参数测试模块和本振信号源模块分别与混频接收机模块连接，混频接收机模块连接中频处理模块，中频处理模块通过数字信号处理模块与嵌入式计算机模块连接。本发明克服了现有测试仪器体积庞大、造价高的缺陷，使网络参数测试更加灵活方便。
文档编号H04B17/00GK102571483SQ20111041658
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月14日 优先权日2010年12月20日
发明者刘丹, 曹志英, 梁胜利, 段飞, 许春卿 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所