畢文輝

(中國人民解放軍92493部隊89分隊，遼寧葫蘆島 125000)

0 引言

電橋等掃頻反射計在駐波比的測量中應(yīng)用越來越廣泛，并成功地實現(xiàn)了微波標(biāo)量和矢量反射參量的寬帶掃頻測量。但掃頻測量與點頻測量不同，電橋等反射計的不完善性不能靠調(diào)配器來改善，因為，假設(shè)在某點頻率上調(diào)配到最好情況，在較寬頻帶內(nèi)的其他某些點上便會出現(xiàn)最壞情況，故方向性誤差及失配誤差等主要靠提高元件本身的寬帶性能來使之減小。因此，對于方向性等指標(biāo)固定的掃頻反射計，測量小駐波比的準(zhǔn)確度受到其方向性指標(biāo)的限制，若要提高測量準(zhǔn)確度就必須采用其他的方法，下面介紹兩種精確測量1.2以下小駐波比的方法。

1 誤差平均法

1.1 誤差平均法的工作原理

誤差平均法的基本原理是在測試端口與被測器件之間插入一段長度適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)空氣線，當(dāng)信號頻率掃描時，由于“長線效應(yīng)”，使來自被測器件的測試信號與原來無法分辨的誤差信號之間產(chǎn)生很大的相位變化，因此得到的合成信號是如圖1(a)所示的曲線A，快速變化的波紋是靠加標(biāo)準(zhǔn)空氣線人為地引入的。當(dāng)誤差信號比測試信號小時，這個波紋圖形就是誤差信號。而在不加標(biāo)準(zhǔn)空氣線的情況下，當(dāng)信號頻率掃描時，由于測試信號與誤差信號在電路中的行程距離相差不大，所以，兩個信號之間的相位差變化緩慢，得到的合成信號如圖1(b)曲線C所示，圖中虛線D為誤差信號引起的誤差極限范圍。圖1(a)中的曲線A就是以圖1(b)中的曲線D為包絡(luò)線的，只要“平均”掉代表誤差的波紋，就可以得到真實的被測特性，如圖1(a)中的曲線B所示。由于這一方法是對誤差信號取平均，所以稱為誤差平均法。插入空氣線的誤差平均法用于測量過程中可消除方向性的誤差信號，提高小駐波比測量準(zhǔn)確度，測量準(zhǔn)確度可由1dB改善到約0.1dB。此法適用于方向性的誤差信號與被測反射信號接近、但比被測反射信號小的情況。例如，方向性為35dB，則方向性誤差信號為0.0178，最小可測的反射信號應(yīng)比0.0178大，例如為0.05左右，相應(yīng)的最大可測回波損失為26dB左右。否則，分離出來的快變化波紋圖形就不是方向性誤差信號，而是被測反射信號了。

圖1 采用和不采用誤差平均法的同一測量結(jié)果

測試時，在測試端口接一段長度適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)空氣線，空氣線的另一個末端先接短路器，用誤差平均法得到校準(zhǔn)參考基線。然后，取下短路器，換接被測器件。由于測試端口與被測器件之間接入空氣線后會產(chǎn)生“長線效應(yīng)”，使方向性誤差信號與被測反射信號之間的相位延遲增大。當(dāng)測試頻率掃描時，方向性誤差信號和被測反射信號相互干涉，形成類似于圖1(a)所示的快速變化的波紋圖形，這就是加標(biāo)準(zhǔn)空氣線后被“分離”出來可識別的方向性誤差信號，只要“平均掉”這個波紋，就能得到所要求的被測反射值。

圖2 對以分貝顯示的波動求“平均”

應(yīng)當(dāng)指出，在標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀(SNA)中，波紋圖形的垂直顯示是以dB為單位的，這給取“平均”帶來一些麻煩，下面用具體例子加以說明。以被測反射信號Γ作為參考，如果方向性誤差信號比被測反射信號低x=8dB，則該誤差信號為10-x/20=0.3981。當(dāng)二者同相時得到波紋的峰點，對應(yīng)的dB數(shù)為20lg(1+0.3981)=+2.9108dB，即峰點比參考高2.9108dB。當(dāng)兩者反相時得到波紋的谷點，對應(yīng)的dB數(shù)為20lg(1-0.3981)=-4.4096dB，即谷點比參考低4.4096dB。由圖2可見，以dB顯示的波紋圖形的峰點和谷點，對參考線并不對稱。如果像圖中虛線所示那樣根據(jù)圖形目測取平均值，便會與參考線即真正的平均值有較大的偏差。不過，當(dāng)谷點(或峰點)與對應(yīng)的相鄰峰點(或谷點)連線垂直距離小于3dB時，可用目測的平均線作為平均值，這時與真正平均值的偏差不會大于0.1dB。如果像圖2所示那樣，垂直距離大于3dB(圖中垂直距離為2.9108+4.4096=7.3204dB)，那就要從事先按上述步驟制作好的表中(參考文獻(xiàn)[6]第235頁)，根據(jù)1±x=7.3204dB查得1+x=2.9108dB，即峰點比真正平均線高2.9108dB，然后，在波紋圖形上從峰點往下降2.9108dB，由此得到的值作為精確的平均值。

1.2 誤差平均法的測量步驟

1)按圖3所示連接測量系統(tǒng)。在精密空氣線末端先接校準(zhǔn)用的短路器，用誤差平均法建立校準(zhǔn)的參考線。

圖3 誤差平均法測量系統(tǒng)圖

2)取下精密空氣線末端的短路器，換接被測器件。根據(jù)顯示的波紋圖形的峰谷距離的分貝數(shù)(1±x)，由參考文獻(xiàn)[6]中查得1+x(或1-x)求取測量值。

3)根據(jù)測量結(jié)果按換算公式求得被測反射系數(shù)或駐波比。

1.3 誤差平均法測量實例

某2GHz以上的同軸反射計電橋的方向性為-40dB，當(dāng)測試回波損失LR=-30dB的同軸衰減器時，得到頻率在4GHz附近的波形見圖4所示。

圖4 測試同軸衰減器(-30dB)回波損失在4GHz附近的波形

1.3.1 通常平均法

根據(jù)波紋圖形的峰點(-27.65dB)和谷點(-30.30dB)可計算出4GHz頻率點附近回波損失為：

則測量結(jié)果的相對誤差為：

1.3.2 誤差平均法

根據(jù)波紋圖形的峰點和谷點可知峰谷之間的距離為5.65dB，由參考文獻(xiàn)[6]查得1+x為2.39dB，則4GHz頻率點附近回波損失為：

則測量結(jié)果的相對誤差為：

根據(jù)上面的相對誤差計算結(jié)果可以看出，誤差平均法明顯提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

在誤差平均法中，精密空氣線是測量中的參考阻抗標(biāo)準(zhǔn)器，因此，要求特性阻抗精確地等于50Ω。Wiltron公司提供的精密空氣線，外導(dǎo)體內(nèi)徑公差為180μm，內(nèi)導(dǎo)體外徑公差為79μm，由此計算得到的特性阻抗Z0值精確到0.02%以內(nèi)。精密空氣線用作測試端口的一端沒有介質(zhì)支撐，因此，剩余駐波比很小，為l.002左右。但精密空氣線的最大長度限制在30cm，因此，誤差平均法適用頻段的下限為2 GHz，頻率更低會使“長線效應(yīng)”不明顯。

2 波紋提取法

在誤差平均法中，被測反射信號的幅度比方向性誤差信號大，因此，顯示的波紋是誤差信號。然而，如果被測器件的被測反射信號和方向性產(chǎn)生的誤差信號具有幾乎相同的幅度，那么分離兩個信號就會遇到困難，無法知道顯示的波紋究竟是哪個信號。這時，可用波紋提取法來測量。波紋提取法是在誤差平均法的基礎(chǔ)上，人為地引入一個偏置誤差信號，它和方向性產(chǎn)生的誤差信號合在一起，成為比被測反射信號大的誤差信號。這樣一來，與誤差平均法的情況剛好相反，顯示出來的波紋圖形，肯定為被測反射信號。設(shè)法將這個波紋“提取”出來，就可求得所需要的被測反射值，波紋提取法的名稱即由此而來。波紋提取法適用于測量0.05～0.003的小反射，即回波損失測量范圍為26～30dB。

2.1 波紋提取法的工作原理

波紋提取法的測量系統(tǒng)與誤差平均法的不同在于采用了四端口反射計電橋作為信號分離器件，并在電橋的參考端口上接了一個用于產(chǎn)生偏置誤差信號的偏置終端，偏置終端具有相當(dāng)大的反射，通常為0.1，即回波損失為20dB，它的值不需要已知，但隨頻率變化要求保持恒定。由于偏置誤差信號比被測反射信號大20dB左右，因此，當(dāng)測試頻率掃描時，由于精密空氣線的 “長線效應(yīng)”產(chǎn)生的干涉波紋圖形是小的被測反射信號。通過確定波紋峰—峰值幅度的dB數(shù)，就可按下述方法精確測定被測小駐波比。

首先要確定偏置誤差信號對應(yīng)的分貝數(shù)A，確定A的步驟與用誤差平均法確定被測反射信號的分貝數(shù)相同，然后測量所顯示波紋峰—峰值的分貝數(shù)，根據(jù)這個分貝數(shù)查表(參考文獻(xiàn)[6])確定被測反射信號比偏置誤差信號低的分貝數(shù)B。最后，得到被測回波損失：A+B。

2.2 波紋提取法測量實例

某2GHz以上的同軸反射計電橋的方向性為-40dB，當(dāng)測試回波損失LR=-50dB的同軸衰減器時得到頻率在11GHz附近的波形見圖5所示。

圖5 測試同軸衰減器(-50dB)回波損失在11GHz附近的波形

測得11GHz頻率點上波紋圖形平均掃跡線比較準(zhǔn)參考線低20.1dB，即偏置誤差信號A=20.1dB，而該頻率上的波紋峰—峰值為0.47dB(-18.93+19.40=0.47)，從表(參考文獻(xiàn)[6])中由1±x=0.47dB查得x=31dB，即被測反射信號比電橋偏置信號低31dB，亦即B=31dB，因此，被測同軸衰減器的回波損失是20.1+31=51.1dB，則測量結(jié)果的相對誤差為：

由此可見，波紋提取法不僅能夠測量-50dB的微小反射，而且測量結(jié)果的準(zhǔn)確度可以達(dá)到±2%。

2.3 波紋提取法的優(yōu)點

波紋提取法的優(yōu)點是：1)測量不受靈敏度和方向性的限制。因為，50dB以上的小反射實際上是在比全反射低20dB的電平上進(jìn)行測量的，而且，反射計電橋方向性產(chǎn)生的誤差信號通過合并到偏置誤差信號中已被取消。2)掃頻顯示的波紋是正比于被測反射的實時顯示，因此，在調(diào)整被測器件時，只要觀察波紋的變化就可知道調(diào)節(jié)的效果。然而，波紋提取法的最小可測反射系數(shù)受到精密空氣線60dB剩余反射的限制。波紋技術(shù)允許在這個數(shù)值的6dB以內(nèi)進(jìn)行測量，也就是說，被測器件的最小可測回波損失為54dB。

3 結(jié)束語

誤差平均法與波紋提取法是精確測量1.2以下小駐波比的常用方法，他們的適用頻段下限均為2GHz。在2GHz以下的高頻頻段，為了掃頻測量小駐波比，只有靠提高信號分離器件的方向性來實現(xiàn)，現(xiàn)在5MHz～2GHz的反射計電橋，在1GHz以下方向性可達(dá)到60dB，在1～2GHz已達(dá)到52dB。

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