射頻測量基本原理

一、單端口網(wǎng)絡(luò)的測試

最簡單的單端口網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載，口上為連接器，后面接一個無感電阻。復(fù)雜的可能是個天線的入口。單端口網(wǎng)絡(luò)的對外參數(shù)只有一個反射系數(shù)Γ，其他參數(shù)如回?fù)p、駐波比與阻抗，皆可由其導(dǎo)出。最常用的測反射系數(shù)的器件為反射電橋。

1.反射電橋

反射電橋又稱電橋反射計或定向電橋，它不過是測反射系數(shù)的傳感頭。它只能測反射并不能測入射。由于它的輸出正比于反射系數(shù)，因此取名反射電橋是非常恰當(dāng)?shù)摹Ｓ腥朔Q為駐波電橋，其實駐波電橋只適于那種在里面已裝入檢波二極管，因而只有幅度信息沒有相位信息的電橋。

(1)基本原理

原理圖與惠司頓電橋完全相同，只不過結(jié)構(gòu)尺寸改小適于高頻連接，并且不再想法調(diào)平衡，而是直接取出誤差電壓而已。

如圖所示，除非ZX= Z0否則a、b兩點間是有誤差電壓Vab的。輸出正比于反射系數(shù)。反射電橋的名稱也由此而來。

(2)電橋的基本性能參數(shù)

定向性：在電橋測試端口經(jīng)開短路校正后呈一根水平線，在接上精密負(fù)載后，光點應(yīng)下降，其dB值即定向性。定向性有35dB就不錯了，對一般測量綽綽有余；要求高時，要用精密負(fù)載校零反射，校后有效定向性即與負(fù)載的回?fù)p值相當(dāng)。

測試端口反射：這是指由測試端口向電橋內(nèi)部看去是否匹配的一個指標(biāo)，這個指標(biāo)作到20dB(回?fù)p)左右就不錯了。這個指標(biāo)主要影響大反射的測量，而通常主要是測小反射，因此影響不算大，要求高時可加作三項校正校掉。

插入損耗：輸入端與測試端間的插損在6dB左右，而輸入端與輸出端的插損理論值為12dB。

(3)注意事項：這種橋很易損壞，主要是插頭超差所引起，這里面有個L-16與N型的問題，雖然已于1990年2月1日宣布國標(biāo)連接器也采用N型。但實際上L-16仍在大量應(yīng)用，這樣造成若用N型作橋，則L-16插上將損壞電橋，而按L-16作橋則螺紋不對，而且縫太大，對高頻不利。

2.三項校正

由于組成儀器的各個功能塊由于組成儀器的各個功能塊（包括反射電橋）并不理想，為了提高儀器準(zhǔn)確度，就有個校正問題。在對單端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試時，要作三項校正。

(1)、開路校正

開路校正的實質(zhì)就是校Γ=1的這一點，頻率不高（如2GHz以下）時，只要電橋測試口空著即可。頻率高或?qū)ο辔灰蟾邥r，最好接上開路器進(jìn)行開路校正。

(2)、短路校正

短路校正的實質(zhì)就是校Γ=-1的這一點，只要在電橋測試口接上短路器進(jìn)行短路校正即可。

(3)、校零

校零的實質(zhì)就是校Γ= 0的這一點，當(dāng)電橋定向性不到30dB時，或測較小的反射時，需要進(jìn)行校零。在電橋測試口接上精密負(fù)載，即可進(jìn)行校零；精密負(fù)載的回?fù)p在使用頻段內(nèi)應(yīng)優(yōu)于40dB。

3.駐波測量中幾個實際問題

⑴ 儀器不是沒有誤差的

一個待測件在兩臺儀器上測出的數(shù)據(jù)是不會完全相同的，因為每臺儀器都有一定的誤差，那么差多少是合理的呢？這就要作誤差估計了。對于一個定向性為40dB的電橋來說，表示入射到反射的漏過信號為0.01，這也就是不確定度的大??；設(shè)待測件的的反射為Γ，則讀出的反射將為兩者的矢量和，由于兩者之間的相位可為任何值，其后果是：

Γmax=|Γ|+0.01, Γmin=|Γ|-0.01，即Γ值起伏±0.01。

若定向性為30dB,則Γ值起伏±0.0316。由此也可算出駐波比值的范圍或回?fù)p值的范圍。

在三項校正中，這個定向性不足引入的誤差，可由精密負(fù)載來校零（也有稱校匹配的），其實質(zhì)是以負(fù)載的反射為零。這在1GHz以下還是辦得到的，而實際上負(fù)載也是有反射的。假如負(fù)載也是40dB，那校不校也就無所謂了。假如負(fù)載劣于40dB，那反而校壞了。作為工程應(yīng)用，不宜提出過高要求。矛盾出在有時某一產(chǎn)品在這臺儀器上合格而在另一臺儀器上不合格，但有時又反過來。這時的實質(zhì)是產(chǎn)品作得太臨界。產(chǎn)品指標(biāo)一定要留有余地，否則這種矛盾永遠(yuǎn)存在，靠換儀器來使產(chǎn)品過關(guān)只是權(quán)宜之計?？傊畬x器的誤差范圍要有所了解，射頻器的誤差總是比低頻儀器的誤差大些的。

⑵.注意防止電纜出問題

實際測量中要防止電纜出問題。不是實在必要，不宜通過電纜來進(jìn)行測試，否則電纜的不完善將影響測試精度。作為測試電纜必須經(jīng)過檢驗，其回?fù)p優(yōu)于30dB為宜。隨便找一根電纜可能只有十幾個dB那是不行的。電纜不好能否進(jìn)行三項校正來提高精度呢?原則上是可以的。

即使作為連接電纜，也常因接觸不良與開短路現(xiàn)象造成儀器不能正常工作，通常以為是儀器故障，其實多半是電纜出了問題。

二、兩端口網(wǎng)絡(luò)的測試

兩端口網(wǎng)絡(luò)的品種很多，最常用的就是兩端裝有連接器的一段電纜，通常用的為連接電纜，測試用的為測試電纜。其他還有衰減器、放大器等等。

兩端口網(wǎng)絡(luò)的外部特性，要用四個參數(shù)才能完全表示。一般只測兩個參數(shù)已足，若超過兩個，對于普及型儀器只好掉頭進(jìn)行測試。

對于無源器件，這兩個參數(shù)即回?fù)p與插損。當(dāng)兩端口網(wǎng)絡(luò)的出口端接上精密負(fù)載后，測其入端回?fù)p時。測試原理及方法與單端口網(wǎng)絡(luò)完全相同，不再重復(fù)。下面主要介紹插損測試問題。對于放大器，主要的參數(shù)為增益，而儀器中測增益是利用衰減器將增益抵消后形成的插損折算后得到的。因此對儀器內(nèi)部而言，仍然是在測插損。

1.插損測試

在一傳輸線系統(tǒng)中, 通常都會提出整個系統(tǒng)的插入損耗(簡稱插損或IL)不得大于某一規(guī)定值的要求, 若系統(tǒng)不止一個器件, 則每一個器件(一般為兩端口網(wǎng)絡(luò))也都有各自的插損指標(biāo),因此測插損是經(jīng)常碰到的一個很實際的問題。

通常的作法是采用替代法, 先將網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端與輸入端間, 用兩根電纜經(jīng)過一個短的轉(zhuǎn)接器(一般為雙陰或雙陽)連接起來校直通, 然后將轉(zhuǎn)接器去掉接入待測件即可測出插損。但是測試值有時偏大, 有時偏小, 甚至出現(xiàn)放大現(xiàn)象, 這在測小插損時經(jīng)常會碰到, 尤其是測較長電纜時，會出現(xiàn)起伏較大且較多的現(xiàn)象。

失配對測試的影響：上面提到的替代法, 是通過串入待測件后入口收到的信號變小后來算出插損的。假如整個系統(tǒng)(即源出口, 兩根電纜, 轉(zhuǎn)接器, 入口)是理想匹配的, 則測出的損耗是對的。 但是理想匹配這個前提只在較低頻率下存在, 而一般情況下是不理想的, 也就是說測試系統(tǒng)中有多處反射存在。入口的信號(除了入射的經(jīng)過插損的信號外,還有反射信號)將隨著各信號的疊加或相消而起伏。

在一般情況下，插損為1-|Γ|2,式中Γ應(yīng)理解為ΓΣ，由此算出的起伏范圍見表：

系統(tǒng)回?fù)p是指待測件向兩端看去的回?fù)p。表中±號暫不去管它, 因為測試誤差是指衰減還是指信號說法相反, 我們只要知道影響的范圍即可。為了減少測試誤差, 就要想法改善各器件的失配或者測出各端口的等效網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行修正,常稱全端口校正(如12項校正或TRL校正)。

2.散射參量簡介

在射頻電路中，一個兩端口網(wǎng)絡(luò)的特性，可用4個散射參量完全表示出來。兩個端口中，1表示輸入端口，2表示輸出端口。

S11為網(wǎng)絡(luò)本身在端口1引入的反射，也就是當(dāng)端口2接上精密負(fù)載時由端口1測出的反射系數(shù)Γ。若端接的負(fù)載不理想，尚需經(jīng)過修正才能得到正確的S11 。通常只對其絕對值感興趣，因此也有用回?fù)p或駐波比來表示的。

S21當(dāng)端口2接上匹配負(fù)載時，對于無源網(wǎng)絡(luò)，S21為端口1到端口2的傳輸系數(shù)T；通常也只對其絕對值感興趣，對于無源網(wǎng)絡(luò)，常用插損來表示；對于放大器，則為增益。

S12與S21方向相反，對于可逆網(wǎng)絡(luò)，兩者相同；對于不可逆網(wǎng)絡(luò)，S12為隔離度。

S22與S11相通，是當(dāng)端口1接上精密負(fù)載時由端口2向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)看的反射系數(shù)。

簡單的網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測S11與S21，要測S12 與S22時，尚需將兩端口網(wǎng)絡(luò)掉過頭來進(jìn)行測試。