技术领域
[0001] 本
发明涉及
微波射频领域，尤其涉及一种非线性S参数检验装置。
背景技术
[0002] 非线性网络分析仪是测量功率
放大器等器件非线性特性参数的测量设备，能够完全表征放大器的非线性参数，从而进行快速建模、仿真并且彻底改善放大器的设计流程，更加高效和精确地仿真设计
功率放大器。非线性网络分析仪最主要的计量技术特性是其非线性测量能
力，为了确保这一计量能力需要用更高一级的计量标准对其进行校准，从而开展对非线性网络分析仪的校准检定。
现有技术仅可以实现线性网络分析仪的S参数指标的验证，通常采用反射幅度标准器、传输幅度标准器和传输
相位标准器实现对S参数的反射幅度、传输幅度和传输相位S参数的校准检定。线性网络分析仪只能进行线性S参数的测量，将现有的S参数检验装置用在非线性网络分析仪上，只能对非线性网络分析仪的基频
信号的S参数进行验证，无法对谐波测量能力，即非线性S参数测量能力进行验证。
发明内容
[0003] 本发明提供一种非线性S参数检验装置，解决现有装置无法的非线性网络分析仪S参数测量能力进行验证的问题。
[0004] 一种非线性S参数检验装置，包含：定向
耦合器、前级可变
衰减器、驱动放大器、前级
滤波器、肖特基
二极管、匹配结构、后级滤波器、第一缓冲放大器、衰减器、第二缓冲放大器、功率放大器、隔离器、后级可变衰减器、
模数转换器、功率检测器；所述定向耦合器用于接收
输入信号，一路经由所述功率检测器至所述模数转换器，另一路传输至所述前级可变衰减器；所述功率检测器与所述模数转换器连接的一端接地；所述模数转换器用于接收所述功率检测器传输的信号，并分别向所述前级可变衰减器、后级可变衰减器传输前级衰减
控制信号、后级衰减控制信号；所述前级可变衰减器输出的信号经由所述驱动放大器、所述前级滤波器传输至所述
肖特基二极管；所述肖特基二极管用于接收所述前级滤波器输出的信号，产生谐波信号；所述匹配结构用于接收所述谐波信号，产生匹配信号；所述匹配信号经由所述后级滤波器、第一缓冲放大器、衰减器、第二缓冲放大器、功率放大器、隔离器，传输至所述后级可变衰减器。
[0005] 进一步地，所述装置还包含：
电压控制
电路；所述电压控制电路用于给所述前级可变衰减器、驱动放大器、肖特基二极管、第一缓冲放大器、第二缓冲放大器、功率放大器提供偏置电压。
[0006] 优选地，所述装置的谐波对终端负载的敏感度为：
[0007]
[0008]
[0009]
[0010] 其中，FOM为所述谐波对终端负载的敏感度，N为所述谐波的总次数，M为所述终端负载的匹配个数，n为所述谐波的次数，m为所述终端负载的匹配序号，Γm为反射系数，B2为2端口
输出信号电压，A1为1端口输入信号电压。
[0011] 优选地，所述肖特基二极管选用Avago公司的HSMS8101，所述匹配结构为短销匹配结构。
[0012] 进一步地，所述前级可变衰减器、后级可变衰减器选用Hittite公司的HMC939LP4E，所述驱动放大器采用两级低噪放级联的方式，所述两级低噪放均选用Avago公司的VMMK-3803。
[0013] 进一步地，所述前级滤波器为2.5GHz的陶瓷
低通滤波器，所述后级滤波器为10GHz微带开路短销低通滤波器。
[0014] 优选地，所述第一缓冲放大器、第二缓冲放大器分别选用Hittite公司的HMC462LP5E和HMC606LC5。
[0015] 优选地，所述功率放大器选用Hittite公司的HMC998LP5E。
[0016] 进一步地，所述模数转换器选用双通道12位的AD9238、所述功率检测器为TILMV221SD。
[0017] 优选地，所述装置的
电路板外部加装了
铜质屏蔽层。
[0018] 本发明有益效果包括：本发明设计的非线性S参数检验装置由肖特基二极管及外围电路构成，通过输入输出端可变衰减器的反馈控制使得该器件在输入功率一定范围内变化时，非线性特性仍保持恒定；通过链路上各级缓冲放大器及隔离器的作用，使得信号对输出端阻抗变化不敏感，从而保证稳定的谐波信号产生。该丰富稳定的谐波信号可由非线性网络分析仪准确测定，作为量传标准向下开展非线性网络分析仪非线性S参数的检验。利用本发明设计的非线性S参数标准器弥补了目前线性S参数标准器不产生新的
频率分量，只能对基波信号的幅度相位进行验证，无法对除基波外的各次谐波幅度相位进行验证的问题。
附图说明
[0019] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0020] 图1为一种非线性S参数检验装置实施例；
[0021] 图2为一种包含电压控制电路的非线性S参数检验装置实施例。
具体实施方式
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0023] 射频微波系统通常由有源器件和无源器件构成，而有源器件往往具有非线性特性，即有新的频率分量生成。研究和设计这类高性能射频有源器件给设计人员提出了挑战，其中的关键问题在于如何表征器件的非线性特性，从而降低器件的非线性带来的不利影响，或者可以对其加以利用，提供一个线性的、高效的大功率解决方案。放大器是无线通信领域内不可或缺的元件，由于其非线性特性经常造成
频谱浪费；如果为了考虑频谱的利用效率而把功率放大器设计为只工作在它的线性区域内，又会造成可用功率的浪费。实际工程中，经常会把放大器推动到其工作的非线性区域，然后在非线性区域的一个工作点附近进行线性化。所以了解功率放大器、
倍频器等射频有源器件的非线性特性变得愈加重要，精确测量器件的非线性特性也成为了重中之重。由于所有有源器件在不同程度上都会表现出非线性特性，因此非线性测量能够更完全的表征有源甚至某些无源器件真实特性。
[0024] 根据非线性网络分析仪测量得到的非线性S参数表达式：
[0025]
[0026]
[0027] 其中，Bef为端口e处f次谐波的电压波，A11为端口1处基波信号的电压波，agh为端口g处h次谐波的入射小信号， 为端口g处h次谐波的入射小信号的共轭信号， 为A11信号到Bef的转换函数， 分别是由agh、 到Bef的转换函数。
[0028] 本发明设计的非线性S参数检验件应该具有丰富的谐波分量，当在输入端口激励一个大信号A11时，在各个端口产生各次谐波分量，并且各次谐波分量具有稳定的信号幅度和稳定的相位，可由非线性网络分析仪测量得到标准值。当激励非线性器件时，非线性器件会产生谐波，非线性器件的输入和输出阻抗会影响其输出谐波信号成分，而终端阻抗的变化又会导致输入、输出端口的入射波信号发生变化，也会引起输出信号发生非线性变化。为了得到稳定的非线性信号，要求合理设计非线性器件的输入输出阻抗匹配条件，并使该器件能够在输入基波信号幅度发生变化以及谐波阻抗变化条件下仍输出稳定不变的信号，最后对设计的器件合理评估非线性谐波对终端阻抗变化的敏感度。
[0029] 以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
[0030] 图1为一种非线性S参数检验装置实施例，本发明实施例提供一种非线性S参数检验装置，包含：定向耦合器1、前级可变衰减器2、驱动放大器3、前级滤波器4、肖特基二极管5、匹配结构6、后级滤波器7、第一缓冲放大器8、衰减器9、第二缓冲放大器10、功率放大器
11、隔离器12、后级可变衰减器13、模数转换器14、功率检测器15。
[0031] 所述定向耦合器用于接收输入信号，一路经由所述功率检测器至所述模数转换器，另一路传输至所述前级可变衰减器；所述功率检测器与所述模数转换器连接的一端接地；所述模数转换器用于接收所述功率检测器传输的信号，并分别向所述前级可变衰减器、后级可变衰减器传输前级衰减控制信号、后级衰减控制信号；所述前级可变衰减器输出的信号经由所述驱动放大器、所述前级滤波器传输至所述肖特基二极管；所述肖特基二极管用于接收所述前级滤波器输出的信号，产生谐波信号；所述匹配结构用于接收所述谐波信号，产生匹配信号；所述匹配信号经由所述后级滤波器、第一缓冲放大器、衰减器、第二缓冲放大器、功率放大器、隔离器，传输至所述后级可变衰减器。
[0032] 优选地，所述装置的谐波对终端负载的敏感度为：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，FOM为所述谐波对终端负载的敏感度，N为所述谐波的总次数，M为所述终端负载的匹配个数，n为所述谐波的次数，m为所述终端负载的匹配序号，Γm为反射系数，B2为2端口输出信号电压，A1为1端口输入信号电压。
[0037] 优选地，所述肖特基二极管选用Avago公司的HSMS8101，肖特基二极管的输出端接有短销匹配结构，其SPICE模型用来建立仿真模型，为了实现后端电路的匹配，所述匹配结构为短销匹配结构，该短销匹配结构的长度和
位置可通过仿真
软件仿真得到。
[0038] 进一步地，所述前级可变衰减器、后级可变衰减器选用Hittite公司的HMC939LP4E，1dB步进5位宽带，所述前级可变衰减器的衰减量由所述模数转换器控制，使输入信号功率在-20dBm～10dBm时，其输出的信号功率总是在-25dBm左右；由于-25dBm的信号强度远小于能够驱动非线性器件的信号功率，即10dBm，所以两个Avago公司的VMMK-3803
低噪声放大器级联于衰减器的后端用作驱动放大器。一个VMMK-3803在2GHz频点有17.5dB的
小信号增益，在5V驱动下的1dB压缩输出功率为11dBm。
[0039] 进一步地，所述前级滤波器为2.5GHz的陶瓷低通滤波器，所述后级滤波器为10GHz微带开路短销低通滤波器。需要说明的是，在驱动放大器后是一个2.5GHz的陶瓷低通滤波器有两个用途，第一，防止由驱动电路产生的谐波信号进入非线性器件；第二，防止由非线性器件产生的谐波信号改变驱动放大器的特性。在非线性放大器后又一个10GHz微带开路短销(stub)低通滤波器，即后级滤波器，用来减小高于10GHz的谐波信号电平，避免后端放大器进入压缩区。
[0040] 优选地，所述第一缓冲放大器、第二缓冲放大器分别选用Hittite公司的HMC462LP5E和HMC606LC5。它们1dB压缩点的输出功率为15dBm，在工作频段内具有13dB的增益。这两个缓冲放大器间有一个π型固定衰减器，可用于调节功率电平。
[0041] 优选地，所述功率放大器选用Hittite公司的HMC998LP5E。它有31dBm的输出功率和11dB的线性增益。这个放大器用来保证输出功率所要求的电平。
[0042] 进一步地，所述模数转换器选用双通道12位的AD9238，所述模数转换器的时钟为10MHz，所述功率检测器为TILMV221SD。
[0043] 在本发明实施例中，输入基波信号的频率为2GHz，输出端口能够产生基波和1～4次谐波分量，输出端口基波和谐波矢量信号应对负载失配不敏感，反射系数|ΓL(nω0)|<0.5，1≤n≤5，输入信号功率在-20dBm至10dBm之间，输出基波和谐波之间的幅度相差最大不超过15dB。
[0044] 为了实现较平的频谱，即最大不超过15dB，需要一个合适的输入输出滤波器和终端。由于器件的非线性特性很大程度上取决于输入功率，所以一个合适的功率控
制模块用于保持非线性器件的输入功率在一定范围内。非线性器件和它的输入输出滤波器、终端电路是整个电路的核心。由于链路上的损耗等原因，实际传输功率要比输入功率小很多，而且输出的平坦的频谱很可能对终端负载非常敏感。为了防止上述问题的产生，电路中使用多级缓冲放大器和功率放大器。为了实现隔离，这些放大器必须工作在严格的线性条件下，否则它们产生的谐波会扰乱平坦的频谱，并增加输出信号对负载的敏感度。
[0045] 需要说明的是，本发明实施例输入信号功率从-20dBm到10dBm变化，前级可变衰减器和后级可变衰减器的衰减量值范围分别为5dB～35dB及35dB～5dB，衰减器有5dB的标称插入损耗。输入信号的一路由所述定向耦合器耦合至所述功率检测器，通过所述模数转换器控制两个所述可变衰减器的衰减量，使输入给非线性部分的功率及最终输出端口功率保持在恒定范围内。
[0046] 需要说明的是，所述装置中各部件型号的选择可以是本发明实施例中的型号，也可以是其他型号，需要根据所述装置的指标选取选择部件型号，这里不做特别限定。
[0047] 本发明实施例提供了一种非线性S参数检验装置的设计，它可以产生标准的非线性S参数信号，该信号具有丰富的谐波分量，谐波幅度和相位稳定。该非线性S参数标准器能够作为量传标准向下开展非线性网络分析仪非线性S参数的检验。另外，采用肖特基二极管为核心非线性器件，激励肖特基二极管产生谐波信号，为了得到稳定且
功率谱平坦的非线性信号，在肖特基二极管前后分别设计了可变衰减器控制电路、缓冲放大器电路等，使该器件能够在输入基波信号幅度发生变化以及谐波阻抗变化条件下仍输出稳定的具有平坦功率谱的输出信号。
[0048] 图2为一种包含电压控制电路的非线性S参数检验装置实施例，本发明实施例提供的装置中有电压控制电路，所述装置包含：定向耦合器1、前级可变衰减器2、驱动放大器3、前级滤波器4、肖特基二极管5、匹配结构6、后级滤波器7、第一缓冲放大器8、衰减器9、第二缓冲放大器10、功率放大器11、隔离器12、后级可变衰减器13、模数转换器14、功率检测器15、电压控制电路16。
[0049] 所述定向耦合器用于接收输入信号，一路经由所述功率检测器至所述模数转换器，另一路传输至所述前级可变衰减器；所述功率检测器与所述模数转换器连接的一端接地；所述模数转换器用于接收所述功率检测器传输的信号，并分别向所述前级可变衰减器、后级可变衰减器传输前级衰减控制信号、后级衰减控制信号；所述前级可变衰减器输出的信号经由所述驱动放大器、所述前级滤波器传输至所述肖特基二极管；所述肖特基二极管用于接收所述前级滤波器输出的信号，产生谐波信号；所述匹配结构用于接收所述谐波信号，产生匹配信号；所述匹配信号经由所述后级滤波器、第一缓冲放大器、衰减器、第二缓冲放大器、功率放大器、隔离器，传输至所述后级可变衰减器；电压控制电路；所述电压控制电路用于给所述前级可变衰减器、驱动放大器、肖特基二极管、第一缓冲放大器、第二缓冲放大器、功率放大器提供偏置电压。
[0050] 需要说明的是，为了增加
稳定性同时减少噪声，所述电压控制电路选用HMC860LP3E芯片作为电压规整电路，选用HMC980LP4E作为有源偏置芯片，选用TI公司的TPS63700芯片提供-5V反向电压
[0051] 优选地，所述装置的电路板外部加装了铜质屏蔽层。为了对外部的干扰和内部互扰屏蔽，在电路板外部加装铜质屏蔽层。为了减小热漂移，屏蔽盒的地板为厚铜板提高
散热效率。
[0052] 本发明实施例提供的非线性S参数检验装置，可以评估谐波对终端负载的敏感度，根据该评估值能够更好的指导设计，通过改善链路上的匹配，降低谐波对终端负载的敏感度。
[0053] 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。
[0054] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
权利要求范围之内。
