非线性S参数的标准谐波信号输出电路及装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910463302.5 (22)申请日 2019.05.30 (71)申请人 北京无线电计量测试研究所 地址 100854 北京市海淀区142信箱408分 箱 (72)发明人 任士卿程春悦陈婷姜河 (74)专利代理机构 北京正理专利代理有限公司 11257 代理人 付生辉 (51)Int.Cl. G01R 35/00(2006.01) H03K 5/01(2006.01) H03K 5/1252(2006.01) (54)发明名称 一种非线性S参数的标准谐波信号输出电路 及。

2、装置 (57)摘要 本发明提供一种非线性S参数的标准谐波信 号输出电路及装置， 通过输入信号延时的控制， 与门输出的窄脉冲产生丰富的谐波分量， 通过无 源延时和输入信号整形的控制实现幅度相位稳 定的谐波信号。 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 发明的非线性S参数的标准谐波信号输出电路弥 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 对出基波外的各次谐波幅度相位进行验证的问 题。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 110221233 A 2019.09.1。

3、0 CN 110221233 A 1.一种非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 其特征在于， 包括： 整形电路元件， 用于输入信号的脉冲整形； 第一延时电路元件， 耦接在所述整形电路元件的其中一个输出端， 用于接收整形后的 所述输入信号并产生第一延时信号； 第二延时电路元件， 耦接在所述整形电路元件的另一个输出端， 用于接收整形后的所 述输入信号产生第二延时信号； 与门电路元件； 与所述第一延时电路元件和第二延时电路元件耦接， 在第一延时信号 和第二延时信号的高电平叠加时间段内输出脉冲信号， 进而产生所述非线性S参数的标准 谐波信号。 2.根据权利要求1所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路。

4、， 其特征在于， 还包括： 放大器， 其正向输入端与所述与门电路元件的输出端耦接； 直流偏置源， 与所述放大器的反向输入端耦接。 3.根据权利要求2所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 其特征在于， 还包括： 衰减器， 与所述放大器的输出端耦接。 4.根据权利要求1所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 其特征在于， 还包括： 阻抗调配器， 与所述衰减器耦接。 5.根据权利要求1所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 其特征在于， 所述与 门电路元件的输入阻抗为50欧姆。 6.根据权利要求1所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 其特征在于， 所述与 门电路元件为HMC843。

5、逻辑与门元件。 7.根据权利要求1所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 其特征在于， 所述非线性S参数的标准谐波信号输出电路中的所有元件为无源器件。 8.一种非线性S参数的标准谐波信号输出装置， 其特征在于， 包括： 印刷电路板， 所述印 刷电路板上布置有如权利要求1-7任一项所述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路。 9.根据权利要求8所述的非线性S参数的标准谐波信号输出装置， 其特征在于， 还包括： 包围所述印刷电路板的屏蔽盒。 10.根据权利要求8所述的非线性S参数的标准谐波信号输出装置， 其特征在于， 所述印 刷电路板通过罗杰斯陶瓷板和多层FR-4板混压形成。 权利要求书 1/1。

6、 页 2 CN 110221233 A 2 一种非线性S参数的标准谐波信号输出电路及装置 技术领域 0001 本发明涉及电路设计技术领域， 更具体的， 涉及一种非线性S参数的标准谐波信号 输出电路及装置。 背景技术 0002 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。

7、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。 0003 非线性网络分析仪是近年来国际上推出的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、。

8、 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。 非线性网络分析仪与传统的 网络分析仪的一个根本区别是其考虑了谐波分量对基波的影响， 能够分析放大器输入端口 的各次谐波分量以及输出端口谐波分量对放大器输出端口信号的影响。 0004 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。 发明内容 0005 本申请的目的在于提供用于检验非线性网络分析仪的非线性S参数检验件， 以实 现对非线性网络分析仪的技术指标进行校准。 0006 本申请一个方面实施例提供一种非线。

9、性S参数的标准谐波信号输出电路， 包括： 0007 整形电路元件， 用于输入信号的脉冲整形； 0008 第一延时电路元件， 耦接在所述整形电路元件的其中一个输出端， 用于接收整形 后的所述输入信号并产生第一延时信号； 0009 第二延时电路元件， 耦接在所述整形电路元件的另一个输出端， 用于接收整形后 的所述输入信号产生第二延时信号； 0010 与门电路元件； 与所述第一延时电路元件和第二延时电路元件耦接， 在第一延时 信号和第二延时信号的高电平叠加时间段内输出脉冲信号， 进而产生所述非线性S参数的 标准谐波信号。 说明书 1/5 页 3 CN 110221233 A 3 0011 在优选的实。

10、施例中， 还包括： 0012 放大器， 其正向输入端与所述与门电路元件的输出端耦接； 0013 直流偏置源， 与所述放大器的反向输入端耦接。 0014 在优选的实施例中， 还包括： 0015 衰减器， 与所述放大器的输出端耦接。 0016 在优选的实施例中， 还包括： 0017 阻抗调配器， 与所述衰减器耦接。 0018 在优选的实施例中， 所述与门电路元件的输入阻抗为50欧姆。 0019 在优选的实施例中， 所述与门电路元件为HMC843逻辑与门元件。 0020 在优选的实施例中， 所述非线性S参数的标准谐波信号输出电路中的所有元件为 无源器件。 0021 本申请另一方面提供一种非线性S参数。

11、的标准谐波信号输出装置， 包括： 印刷电路 板， 所述印刷电路板上布置有上述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路。 0022 在优选的实施例中， 还包括： 0023 包围所述印刷电路板的屏蔽盒。 0024 在优选的实施例中， 所述印刷电路板通过罗杰斯陶瓷板和多层FR-4板混压形成。 0025 本发明的有益效果如下： 0026 本发明提供的一种非线性S参数的标准谐波信号输出电路及装置， 通过输入信号 延时的控制， 与门输出的窄脉冲产生丰富的谐波分量， 通过无源延时和输入信号整形的控 制实现幅度相位稳定的谐波信号。 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。

12、络分析仪非线性S参数的检验， 利用本发明的非线性S 参数的标准谐波信号输出电路弥补了目前线性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， 无法对出基波外的各次谐波幅度相位进行验证的问题。 附图说明 0027 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 0028 图1示出了非线性S参数的标准谐波信号输出电路的结构示意图。 0029 图2示出了与门电路元件的原理示意图。 具体实施方式 0030 为了更清楚地说明本发明， 下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。 附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。 本领域技术人员应当理解， 下面所具体 描述的内。

13、容是说明性的而非限制性的， 不应以此限制本发明的保护范围。 0031 在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。 这些图并非是按比例绘制 的， 其中为了清楚表达的目的， 放大了某些细节， 并且可能省略了某些细节。 图中所示出的 各种区域、 层的形状以及他们之间的相对大小、 位置关系仅是示例性的， 实际中可能由于制 造公差或技术限制而有所偏差， 并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形 状、 大小、 相对位置的区域/层。 0032 现有技术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 说明书 2/5 页 4 CN 110221233 A 4 器、 传输幅度标准器。

14、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， 对应的上述检验件均为无源器 件， 经过这些检验件的信号不会产生新的频率分量， 将这类器件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其谐波测量能力即非线性S 参数测量能力进行验证。 0033 有鉴于此， 本申请一个方面提供一种非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 如图 1所示， 包括： 0034 整形电路元件2， 用于输入信号1的脉冲整形； 0035 第一延时电路元件3， 耦接在所述整形电路元件2的其中一个输出端， 用于接收整 形后的所述。

15、输入信号并产生第一延时信号； 0036 第二延时电路元件9， 耦接在所述整形电路元件2的另一个输出端， 用于接收整形 后的所述输入信号产生第二延时信号； 0037 与门电路元件4； 与所述第一延时电路元件3和第二延时电路元件9耦接， 在第一延 时信号和第二延时信号的高电平叠加时间段内输出脉冲信号， 进而产生所述非线性S参数 的标准谐波信号8。 0038 本方面提供的一种非线性S参数的标准谐波信号输出电路， 通过输入信号延时的 控制， 与门输出的窄脉冲产生丰富的谐波分量， 通过延时和输入信号整形的控制实现幅度 相位稳定的谐波信号， 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。

16、准向下开展非线性网络分析仪非线性S参数的检验， 利用本发明的非线性S参数的标准谐 波信号输出电路弥补了目前线性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， 无法对出基波外的各次谐波幅度相位进行验证的问题。 0039 一些实施例中， 一个理想的高速窄脉冲信号， 输出电流的谐波成分可以用傅立叶 变换来分析。 当脉冲宽度在几十皮秒时， 此窄脉冲就会产生丰富的谐波分量。 这些谐波分量 对于线性器件来说是不想要的， 而在这里， 当保持稳定的频谱时， 这些谐波分量能够用于检 验不同的非线性系统的谐波测量性能。 本发明中， 用一个与门(高速数字逻辑门)作为产生 非线性特性的核心器件。

17、。 本实例中选用HMC843高速逻辑与门被用于非线性特性验证， 该与 门能够产生一个超窄脉冲波形信号， 该信号包含高达10次谐波分量的信号。 0040 高速与门电路输入阻抗为50欧姆系统， 不需要输入匹配网络， 所以其输入响应频 率范围非常宽， 脉冲重复频率非常低， 可以达到兆赫兹量级。 0041 进一步的， 为了得到需要的超窄脉冲要求与门的输入信号有一合适的延时， 而这 个延时是利用传输线物理特性产生的， 无源的延时网络具有更低的噪声， 对环境温度依赖 程度地， 使产生的脉冲信号的抖动更小， 脉冲波形更稳定。 无源延时网络延时与频率无关， 带宽覆盖从赫兹到吉赫兹。 0042 为了减小负载端失。

18、配对谐波信号的影响， 在与门后采用一级超宽带放大器加衰减 器， 衰减器能够起到减小后端电路失配， 超宽带放大器具有双重作用， 不但能够补偿衰减器 对信号幅度的减小， 还起到隔离作用， 使负载对脉冲波形产生电路影响最小， 一些实施例 中， 还包括： 放大器5， 其正向输入端与所述与门电路元件的输出端耦接； 和直流偏置源10， 与所述放大器的反向输入端耦接。 进一步的， 在该实施例中， 还包括： 衰减器6， 与所述放大 器5的输出端耦接。 说明书 3/5 页 5 CN 110221233 A 5 0043 此外， 在一些实施例中， 上述电路还包括： 阻抗调配器7， 与所述衰减器6耦接。 0044 。

19、本申请的与门电路元件的具体功能作用如下： 0045 根据非线性网络分析仪测量得到的非线性S参数表达式(1)： 0046 0047式中， 0048 Bef为端口e处f次谐波的电压波； 0049 A11为端口1处基波信号的电压波； 0050 agh为端口g处h次谐波的入射小信号； 0051为端口g处h次谐波的入射小信号的共轭信号； 0052为A11信号到Bef的转换函数； 0053分别是由agh、到Bef的转换函数。 0054 由式(1)可知， 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。

20、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。 0055 数字与门是一种基础的数字逻辑门， 有两个以上的输入端， 一个输出端。 只有当所 有输入端都是高电平(逻辑 “1” )时， 该电路输出才是高电平(逻辑 “1” )， 否则输出为低电平 (逻辑 “0” )。 当与门为两输入与门时， 通过控制两个输入信号的高电平的叠加时间， 就可产 生脉宽受控(逻辑 “1” )的脉冲信号， 从而达到对输出信号中谐波幅度和谐波相位的控制。 高 速数字逻辑与门是本设计中的核心器件， 高速窄脉冲能够产生丰富谐波分量， 这一点满足 我们对非线性S参数检验件需要具有丰富谐波分量的要求， 而且数字逻辑电路是。

21、沿触发器 件， 对输入信号功率、 器件温度、 偏置电压幅度和终端负载匹配等因素不敏感， 只有输入信 号的抖动和器件自身附加抖动对谐波分量的幅度和相位有比较明显的影响， 所以为了使非 线性S参数检验件具有稳定可靠的非线性特性， 本发明设计了降低信号抖动的外围电路及 输出缓冲放大电路， 使数字与门电路对输入信号功率和终端负载匹配有较低的敏感性同时 具有丰富的谐波分量， 能够作为非线性S参数检验件使用。 0056 图1为系统构成框图。 分为脉冲产生部分和输出缓冲两部分。 0057 射频电路部分的核心器件为与门(高速逻辑与门)电路元件4， 该与门电路利用输 入激励谐波信号产生高速脉冲信号。 延时电路元。

22、件3、 9为输入延时网络， 使整形电路元件2 的两路输出产生一个可控的延时， 通过控制两路信号的延时， 从而控制与门信号输出脉冲 信号的脉冲宽度。 核心电路如图2所示。 0058 为了减小负载端失配对谐波信号的影响， 设计了输出缓冲电路。 在与门后采用一 级超宽带放大器5加衰减器6， 衰减器6能够起到减小后端电路失配状况， 超宽带放大器能够 补偿衰减器对信号幅度的减小， 使谐波幅度达到相应的电平。 阻抗调配器7为了调节输出端 的匹配状态。 0059 本申请另一方面提供一种非线性S参数的标准谐波信号输出装置， 包括： 印刷电路 板， 所述印刷电路板上布置有上述的非线性S参数的标准谐波信号输出电路。

23、。 说明书 4/5 页 6 CN 110221233 A 6 0060 基于相同的理由， 利用本发明的非线性S参数的标准谐波信号输出装置弥补了目 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， 无法对出 基波外的各次谐波幅度相位进行验证的问题。 0061 为了对外部的干扰和内部互扰屏蔽， 在优选的实施例中， 还包括： 包围所述印刷电 路板的屏蔽盒。 屏蔽盒内部采用分区隔离措施， 使各个区域间隔离度达到几十分贝。 0062 进一步的， 印制板采用罗杰斯陶瓷板和多层FR-4板多层混压技术， 既保证了信号 完整性， 又使整个模块紧凑。 电源供电电路和射频部分间用SMA电缆。

24、相连。 为了减小热累积， 屏蔽盒的地板为厚铜板提高散热效率。 0063 本申请具有如下优点： 0064 (1)本发明是一种非线性S参数标准器的设计， 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。 0065 (2)采用与门(高速逻辑门电路)为核心射频器件， 设计了基于数字门电路的非线 性S参数标准器。 与门的特点是通过控制输入信号的延时， 在输出的极窄脉冲信号能够产生 丰富的谐波分量， 这些谐波分量对于线性放大器来说是不想要的， 但在本设计中， 当保持稳 定的频谱时， 这。

25、些谐波分量能够用于检验不同的非线性系统的谐波测量性能。 本发明中选 用的与门能够产生一个脉冲波形信号， 该信号包含高达10次谐波分量的信号。 0066 (3)采用了数字产生技术， 输出信号只对沿反应， 输出脉冲波形不依赖输入信号的 幅度、 频率。 保证了本发明的非线性S参数标准器谐波幅度相位的稳定。 0067 显然， 本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例， 而并非是对 本发明的实施方式的限定， 对于所属领域的普通技术人员来说， 在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动， 这里无法对所有的实施方式予以穷举， 凡是属于本发 明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。 说明书 5/5 页 7 CN 110221233 A 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 110221233 A 8 。