微波网络的多模式校准与快速扫频测量技术研究

admin · 发表于 2025-1-16 11:05:26

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校准和扫频测量是微波网络分析仪器的两个关键技术。在芯片在片测试和高速数字电路的信号完整性测量时，常常希望将矢量网络分析仪的测量参考平面校准到多导体多模式端口处，获得被测网络的广义多模式散射参数。另一方面，在微波器件的工厂检测或高分辨率微波成像时，迫切需要使用快速扫频微波幅相测量仪器进行大量重复的扫频测量。为了满足这些新的需求，论文在这两个方面进行了一些理论和实验工作。提出了适用范围更广且易于操作的多模式TRL校准方法。该方法首先通过传统单模式校准将测量参考面迁移到矢量网络分析仪的同轴端口；然后分为两种情况处理，针对耦合带状线一类的无简并模式存在的多导体传输线网络，改进的多模式TRL校准方法利用单模校准后误差网络的广义互易性显著降低了反射标准件的要求，实际上简单的开路反射件即可满足绝大多数应用场合。并且利用该矩阵元素之间的相位关系消除了校准中的符号模糊性。针对耦合微带线一类的存在简并模式的多导体传输线网络，改进的多模式TRL校准方法需要特别设计反射标准件使其多模式反射系数矩阵为对角线元素不等的对角阵，然后利用这一对角特征和误差网络的广义互易性，通过两次特征值分解完成校准。通过三导体微带耦合线、双导体非对称带状耦合线及双导体对称微带线网络的仿真和实验验证了改进的多模式校准方法的能够正确处理各种传输线情况。此外，指出了多模式TRL校准中校准标准件的设计准则。另一方面研究了线性扫频源激励的快速扫频幅相测量系统。通过对小数分频锁相环的相位模型的线性化假设，运用Laplace变换终值定理证明了若合理设计小数分频器的时序逻辑，锁相环路可以闭环控制振荡器实现线性扫频，并得到了联系扫频带宽、扫频周期和分频数的设计公式。分析了线性化相位模型中被忽略因素引起的扫频频率偏差，并指出了减小频率偏差的途径。通过线性扫频源的系统级瞬时行为仿真验证了分频数设计公式和环路参数的设计准则。推导了线性扫频微波源激励时，幅相测量系统中频信号是携带被测网络频响信息的正弦调幅调相信号。在不同调制带宽和信噪比条件下比较了四种调幅调相解调方法的性能，并得出正交解调法是适合于快速扫频幅相测量系统的精度较高、硬件资源消耗少的解调方法。设计了X波段的小数分频锁相线性扫频源，运用过零检测法推断相对中心频率扫频源的频率精度优于10-6量级。运用设计的线性扫频源构建了两通道快速扫频微波幅相测量系统，尽管研制系统由于接收机通道不足不能进行完备矢量校准，但通过合理配置隔离器后相位测量结果与商用矢量网络分析仪十分吻合，这表明研制的测量系统不仅测量速度快，而且可以达到较好的测量精度。

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