一种大幅简化的射频或微波多端口扩展设备校准方法与流程

1.本发明涉及校准技术领域，特别涉及一种大幅简化的射频或微波多端口扩展设备校准方法。


背景技术：

2.多单元阵列天线，天线单元众多，如5g基站mimo天线，每个基站天线包含32个、64个甚至128个天线单元。
3.对于多端口天线，通常需要使用矢量网络分析仪，通过s参数来测量s11驻波，幅度相位关系和隔离等。常用的网络分析仪有两个端口，以64单元mimo天线为例，如果要测量任意两个天线单元之间的s参数，最多组合对为64*63/2＝2016组。这么多组合用网分一对对手动连接测量，肯定是不现实的，实际应用中都会使用开关矩阵，将网分两端口扩展成多端口。
4.如图1所示，以64端口全矩阵为例，网分(矢量网络分析仪)的port1和port2端口分别连接开关矩阵的porta和portb端口，通过开关矩阵内部开关阵列的切换，确保porta能接通m01～m64的任何一个端口，同样portb也能接通m01
‑
m64的任何一个端口，只是porta和portb不能同时切换到同一个分支mxx端口。
5.根据开关矩阵原理，我们可以将两端口的网分通过开关矩阵扩展成任意多端口的网分，实际应用如图2所示。
6.这样，两端口网分通过开关矩阵，可以测量任意一个端口的单端口测量s参数，如s11或s22，也就是常测量的驻波，也可以测量任意两个端口之间的s参数，含s11,s22,s21,s12，驻波和增益。mimo等阵列天线都是要测量天线单元的驻波(s11/s22)和不同天线单元之间幅相关系(通过s21测量)。通过全矩阵是可以测量任意两个端口(天线单元)之间的参数。这种组合总数目为n*(n
‑
1)/2，n为待测器件端口数，也就是使用的开关矩阵端口数。也就是说，如果测量64单元阵列天线，假设需要测量任意两个端口间的关系，需要测量端口对数量＝64*63/2＝2016。实际测量端口对不一定有那么多，对于5gmimo天线，大约只需要测量300对端口测量。
7.在s参数测量中，每一对端口都需要校准，如果使用机械校准件来计算，双端口校准，要分别连接校准标准件o(开路)，s(短路)，l(负载)，t(直通)，总共需要连校准件次数＝300*4＝1200次，这也是更换校准标准件的次数，假设每拧一个校准件和仪器操作，耗时30秒，需要10个小时，这个时间是难以想象的。对于使用多端口开关矩阵测量天线，一般会使用电子校准件。电子校准件不需要频繁更换校准标准件，一次连接就可以完成全双端口校准，连接次数减少至300次，实际效率是机械校准的3倍左右，校准时间大约3小时。
8.综上，现有方法的缺点如下：
9.1.现有方法耗时较长，电子校准件需要3小时左右，机械校准件需要连续10小时，操作人员工作量大。如果是复杂的阵列天线测量，时间会更长。
10.2.对校准件有要求，为了节省时间，18端口以上的天线测量，基本上只能使用昂贵
的电子校准件。
11.3.每完成一次完整的校准，每个校准件需要拧300次或以上，校准件的损耗会非常大，寿命短，需要频繁换新校准件，带来额外成本。
12.4.每个校准需要保存校准数据，常规方法是每对端口测量，网分单独开一个测试通道(channel),300个校准就需要300个通道，通道越多，网分的速度越慢。另外，不是所有网分能支持那么多通道。如果通道不够，现有的方法就是保存多个校准文件，测量时逐个调用，这样速度很慢，效率较低。
13.5.操作人员需要确认端口对没有接错，由于总次数很多，找对端口对操作人员来说也是很大的工作压力，很容易出现接错而重新接线并校准的情况。


技术实现要素：

14.本发明要解决的技术问题是提供一种耗时短、速度快、效率高、标准件损耗小的大幅简化的射频或微波多端口扩展设备校准方法。
15.为了解决上述问题，本发明提供了一种大幅简化的射频或微波多端口扩展设备校准方法，其包括以下步骤：
16.a、对网络分析仪双端口进行校准，测量直通校准件，得到直通校准件的s参数；所述网络分析仪的port1端口连接有射频线缆a，port2端口连接有射频线缆b，所述射频线缆a的末端记为a端面，所述射频线缆b的末端记为b端面；
17.b、将所述a端面与开关矩阵的porta端口连接，将porta端口连通开关矩阵的分支端口，将所述b端面通过直通校准件与分支端口的射频线缆连接，测量并运算得到porta端口到分支端口的开关通路矢量s参数；
18.c、将porta端口分别连通开关矩阵的其他分支端口，并重复步骤b，测量并运算得到porta端口到各个分支端口的开关通路矢量s参数；
19.d、将所述a端面与开关矩阵的porta端口断开，将所述b端面与开关矩阵的portb端口连接,将portb端口连通开关矩阵的分支端口，将所述a端面通过直通校准件与分支端口的射频线缆连接，测量并运算得到portb端口到分支端口的开关通路矢量s参数；
20.e、将portb端口分别连通开关矩阵的其他分支端口，并重复步骤d，测量并运算得到portb端口到各个分支端口的开关通路矢量s参数。
21.作为本发明的进一步改进，所述测量并运算得到porta端口到分支端口的开关通路矢量s参数，包括：
22.通过abcd矩阵与s参数转换公式将直通校准件的s参数转换为直通校准件的abcd矩阵；
23.测量路径a端面
‑
分支端口
‑
直通校准件
‑
端面b得到s参数并转换为abcd矩阵；
24.利用上述两个abcd矩阵计算得到porta端口到分支端口的abcd矩阵；
25.根据abcd矩阵与s参数转换公式得到porta端口到分支端口的开关通路矢量s参数。
26.作为本发明的进一步改进，所述abcd矩阵与s参数转换公式如下：
27.a＝((1 s11)(1
‑
s22) s12.*s21)/(2*s21)
28.b＝z0*((1 s11)*(1 s22)
‑
s12*s21)/(2*s21)
29.c＝(1/z0)*((1
‑
s11)*(1
‑
s22)
‑
s12*s21)/(2*s21)
30.d＝((1
‑
s11)*(1 s22) s12*s21)/(2*s21)；
31.s11＝(a b/z0
‑
c*z0
‑
d)/(a b/z0 c*z0 d)
32.s12＝2*(a*d
‑
b*c)/(a b/z0 c*z0 d)
33.s21＝2/(a b/z0 c*z0 d)
34.s22＝(
‑
a b/z0
‑
c*z0 d)/(a b/z0 c*z0 d)
35.其中，z0为射频系统的特征阻抗。
36.作为本发明的进一步改进，z0为50ω。
37.作为本发明的进一步改进，测量路径a端面
‑
分支端口
‑
直通校准件
‑
端面b得到该路径的网络矢量文件，该路径的网络矢量文件包含该路径的s参数。
38.作为本发明的进一步改进，步骤a中测量直通校准件得到直通校准件的网络矢量文件，所述直通校准件的网络矢量文件包含直通校准件的s参数。
39.作为本发明的进一步改进，在步骤b、c、d、e中，直通标准件的左指向端面a，右指向端面b。
40.作为本发明的进一步改进，所述直通标准件的直通标准设置为unknownthrough。
41.作为本发明的进一步改进，所述网络分析仪设置一个通道和四个迹线。
42.本发明的有益效果：
43.1.校准时间短，只需要1小时左右。操作人员工作强度小，基本无压力。
44.2.只需要简单的机械校准件，成本低。
45.3.校准件只需要用一次，校准件几乎不会有损耗，一套校准件就可以长期使用，无需更换。
46.4.因为只校准一次，网分只需要一个通道(channel)就够，速度极快，效率高。
47.5.校准连接操作次数少，无论测量需要多少组端口对，连接次数只跟矩阵端口数有关，2倍端口数。对于64端口全矩阵，只需要64*2＝128次。而对于现有技术，电子校准件最多可能连接的次数是2016次，而机械校准件做多连接次数是8064次。
48.6.连接简单，单次连接，而且按顺序连接，不容易出现连错端口问题，即使连错，操作人员普通的机械校准件就可以完成，校准时间缩短到一个小时左右。
49.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
50.图1是64端口全矩阵的原理图；
51.图2是36端口开关矩阵测试5g天线连接示意图；
52.图3是二端口网络的abcd矩阵的示意图；
53.图4是级联二端口网络的示意图；
54.图5是本发明优选实施例中大幅简化的射频或微波多端口扩展设备校准方法的流程图；
55.图6为对本发明中网络分析仪双端口进行校准的示意图；
56.图7为本发明中步骤b的连接示意图；
57.图8为本发明中直通校准件的abcd矩阵的示意图；
58.图9为本发明中porta端口到分支端口的abcd矩阵的示意图；
59.图10为本发明中路径a端面
‑
分支端口
‑
直通校准件
‑
端面b的abcd矩阵的示意图；
60.图11为本发明中实施例中二级级联网络的示意图；
61.图12为本发明中步骤d的连接示意图；
62.图13为本发明中测量天线振子单元的示意图；
63.图14为本发明中测量天线振子单元时路径mat1n9的abcd矩阵图；
64.图15为本发明中测量天线振子单元时三级级联网络示意图；
65.图16为本发明中测量天线振子单元时得到的驻波误差图；
66.图17为本发明中测量天线振子单元时得到的幅度误差图；
67.图18为本发明中测量天线振子单元时得到的相位误差图。
具体实施方式
68.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
69.本发明先介绍一下传输(abcd)矩阵及abcd矩阵与s参数的关系。
70.如图3所示，二端口网络的abcd矩阵可用显示的总电压和总电流定义：
71.v1＝a*v2 b*i2
72.i1＝c*v2 d*i2
73.用矩阵表达：
[0074][0075]
如图4所示，级联二端口网络等于两个二端口的abcd矩阵的乘积。
[0076]
矩阵表达式为：
[0077][0078]
abcd矩阵与s参数是可以互相转换的，转换公式如下：
[0079]
a＝((1 s11)(1
‑
s22) s12.*s21)/(2*s21)
[0080]
b＝z0*((1 s11)*(1 s22)
‑
s12*s21)/(2*s21)
[0081]
c＝(1/z0)*((1
‑
s11)*(1
‑
s22)
‑
s12*s21)/(2*s21)
[0082]
d＝((1
‑
s11)*(1 s22) s12*s21)/(2*s21)；
[0083]
s11＝(a b/z0
‑
c*z0
‑
d)/(a b/z0 c*z0 d)
[0084]
s12＝2*(a*d
‑
b*c)/(a b/z0 c*z0 d)
[0085]
s21＝2/(a b/z0 c*z0 d)
[0086]
s22＝(
‑
a b/z0
‑
c*z0 d)/(a b/z0 c*z0 d)
[0087]
其中，z0为射频系统的特征阻抗，一般是50ω。
[0088]
如图5所示，为本发明优选实施例中大幅简化的射频或微波多端口扩展设备校准方法，其包括以下步骤：
[0089]
a、对网络分析仪双端口进行校准，测量直通校准件，得到直通校准件的s参数；所述网络分析仪的port1端口连接有射频线缆a，port2端口连接有射频线缆b，所述射频线缆a的末端记为a端面，所述射频线缆b的末端记为b端面；其中，所述直通标准件的直通标准设置为unknownthrough。可选的，所述网络分析仪设置一个通道和四个迹线，在射频线缆a和射频线缆b的a端面和b端面进行校准。参照图6，所述射频线缆a即图中射频连接线缆a，所述射频线缆b即图中射频连接线缆b。
[0090]
其中，步骤a中测量直通校准件得到直通校准件的网络矢量文件，所述直通校准件的网络矢量文件包含直通校准件的s参数。可选的，保存该网络矢量文件，命名为thr.s2p。
[0091]
b、将所述a端面与开关矩阵的porta端口连接，将porta端口连通开关矩阵的分支端口，将所述b端面通过直通校准件与分支端口的射频线缆连接，测量并运算得到porta端口到分支端口的开关通路矢量s参数；参照图7。
[0092]
所述测量并运算得到porta端口到分支端口的开关通路矢量s参数，包括：
[0093]
b1、通过abcd矩阵与s参数转换公式将直通校准件的s参数转换为直通校准件的abcd矩阵；
[0094]
具体的，利用上文提到的abcd与s参数转换公式：
[0095]
a＝((1 s11)(1
‑
s22) s12.*s21)/(2*s21)
[0096]
b＝z0*((1 s11)*(1 s22)
‑
s12*s21)/(2*s21)
[0097]
c＝(1/z0)*((1
‑
s11)*(1
‑
s22)
‑
s12*s21)/(2*s21)
[0098]
d＝((1
‑
s11)*(1 s22) s12*s21)/(2*s21)；
[0099]
将直通校准件的thr.s2p里的s参数转换为abcd矩阵，参照图8。
[0100]
b2、测量路径a端面
‑
分支端口
‑
直通校准件
‑
端面b得到s参数并转换为abcd矩阵；
[0101]
具体的，测量路径a端面
‑
分支端口
‑
直通校准件
‑
端面b得到该路径的网络矢量文件，该路径的网络矢量文件包含该路径的s参数。可选的，保存tam01二端口网络矢量文件tam01.s2p(t代表直通，a代表矩阵porta端口，m01代表开关矩阵的分支端口m01)，利用转换公式获得tam01的abcd矩阵，参照图10。
[0102]
b3、利用上述两个abcd矩阵计算得到porta端口到分支端口的abcd矩阵；其中，porta端口到分支端口的abcd矩阵可表示为图9。
[0103]
将tam01的abcd矩阵其等效为二级级联网络，参照图11。
[0104]
获得矩阵等式为：
[0105][0106]
通过矩阵计算(两边同乘以直通逆矩阵)求am01路径的abcd矩阵：
[0107][0108]
b4、根据abcd矩阵与s参数转换公式得到porta端口到分支端口的开关通路矢量s参数。
[0109]
c、将porta端口分别连通开关矩阵的其他分支端口，并重复步骤b，测量并运算得到porta端口到各个分支端口的开关通路矢量s参数；
[0110]
d、将所述a端面与开关矩阵的porta端口断开，将所述b端面与开关矩阵的portb端口连接,将portb端口连通开关矩阵的分支端口，将所述a端面通过直通校准件与分支端口的射频线缆连接，测量并运算得到portb端口到分支端口的开关通路矢量s参数；参照图12。
[0111]
得到portb端口到各个分支端口mxx路径bmxx的abcd传输矩阵：
[0112][0113]
e、将portb端口分别连通开关矩阵的其他分支端口，并重复步骤d，测量并运算得到portb端口到各个分支端口的开关通路矢量s参数。
[0114]
其中，在步骤b、c、d、e中，直通标准件的左指向端面a，右指向端面b。
[0115]
从以上校准过程来看，从常用校准方法和经验来理解，开关矩阵根本就没有校准。本校准方法的使用与传统方式是完全不同的，后面测量时利用传输矩阵和网络分析仪校准端面a、b,计算出待测件的s参数，从而达到与校准件直接校准非常接近的结果。
[0116]
假设测量天线振子单元接口为p01和p09，对应连接的开关矩阵端口为m01和m09,开关矩阵porta与m01接通，开关通路定义为am01,portb与m09接通，通路定义为bm09,如图13所示：
[0117]
设待测天线端口po1,p09两端口网络为at1n9,包含开关的和待测件天线的总体二端口网络为mat1n9，测量并获得矢量s参数文件mat1n9.s2p,abcd矩阵如图14所示。等效于如图15所示的三级级联网络。
[0118]
获得矩阵等式：
[0119][0120]
通过矩阵计算(两边同乘以直通逆矩阵)求出待测天线振子组成的二端口网络传输矩阵：
[0121][0122]
由于所有传输矩阵的测量，都是基于a,b端面，这两个端面又是经过校准，所以待测两个天线振子p01和p09计算的结果，理论上也是经过校准测量的数据，是准确的！
[0123]
由于日常表征网分测量结果是用s参数来表达的，最后一步需要通过前面提到的参量公式获得出矢量的s参数。
[0124]
s11＝(aat1n9 bat1n9/z0
‑
cat1n9*z0
‑
dat1n9)/(aat1n9 bat1n9/z0 cat1n9*z0 dat1n9)
[0125]
s12＝2*(aat1n9*dat1n9
‑
bat1n9*cat1n9)/(aat1n9 bat1n9/z0 cat1n9*z0 dat1n9)
[0126]
s21＝2/(aat1n9 bat1n9/z0 cat1n9*z0 dat1n9)
[0127]
s22＝(
‑
aat1n9 bat1n9/z0
‑
cat1n9*z0 dat1n9)/(aat1n9 bat1n9/z0 cat1n9*z0 dat1n9)
[0128]
s参数为r jx格式，由此可以推导出我们常用的s11驻波，s21幅度和相位等等。
[0129]
理论上讲，本发明的方法与传统校准方法进行测量的结果是一样的，唯一的区别在于，网分和矩阵porta存在断开与重新连接的过程(网分port2的延伸端面by与portb由于后校准，没有再断开，不存在这个问题)，导致amxx矩阵存在误差，导致系统误差。只要保证射频线缆a和b稳幅稳相性能好，这个误差是很小的，对于实际测量影响不大，以为实际测量中，矩阵开关的mxx端口在连接待测物(天线)的端口时，也存在误差。
[0130]
误差评估方法
[0131]
标准件参考参数测量：将含有射频电缆a、b的网分校准，校准端面为a、b，连接标准件，测量ref_s参数。
[0132]
标准件通过开关矩阵测量：随意选择am01,bm09通路，用上面第(二)、项方法测量计算出dut_s参数，两个值相减，得到如图16
‑
18所示的s11驻波,s21幅度和相位误差。
[0133]
从得到的误差结果来看，驻波＜0.015、幅度＜0.03db、相位＜0.5
°
，误差非常小，况且这些误差是包含了待测标准件两个端口断开重连带来的误差。
[0134]
比如5g天线实际测量时，测量误差要求：驻波＜0.05、隔离＜2db、幅度＜0.2db、相位＜4
°
，本方法的测量误差，在实际测量中几乎可以忽略。
[0135]
综上所述，本方法理论上无误差，实际应用时误差极小，远小于实际应用中的误差要求，可以忽略。
[0136]
本发明利用传输矩阵，通过数学的方法，把原来复杂的校准流程几倍几十倍地简化，带来以下效果：
[0137]
1.极大程度地较少了工作量，提高效率。
[0138]
2.大幅降低校准件的要求，原来需要电子校准件，新方法机械校准件就可以了。
[0139]
3.由于校准操作少，而且极其简单，只需要连接测量直通；操作有规律，按端口顺序依次校准，避免复杂端口组合带来的错误连接问题，错误概率极低。
[0140]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。