微波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理

1、第四章 微波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理 對單口網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)和雙口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的幅值進(jìn)行測量，稱為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測量。這種測量方式使用廣泛，其原因是，(1) 在許多情況下，某些微波元、器件的性能指標(biāo)只用幅值參數(shù)表征，已滿足工程設(shè)計(jì)要求；(2) 幅值參數(shù)測量所需的儀器設(shè)備成本低，如標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的成本約是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的四分之一。本章將標(biāo)量參數(shù)分為兩部分討論，即標(biāo)量反射參數(shù)(、)和標(biāo)量傳輸參數(shù) (、)。4.1 反射計(jì)工作原理反射計(jì)是構(gòu)成微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的核心。微波反射參數(shù)的點(diǎn)頻和掃頻測量裝置，常用的有定向耦合器和電橋反射計(jì)兩種，本節(jié)討論它們的工作原理，以定向耦合器反射計(jì)為重點(diǎn)。4.1-1定向耦合器反射計(jì)工作原理

2、一、理想反射計(jì)與測量標(biāo)量反射參數(shù)的原理1. 理想反射計(jì)：反射計(jì)的基本測量線路如圖4.1-1(a)所示。它由微波信號源、反射計(jì)和待測負(fù)載三部分組成。基本反射計(jì)由兩只反接定向耦合器組成。設(shè)圖4.1-1(a)為理想電路，即源駐波比=1，且輸出幅度不變；定向耦合器的方向性為無窮大且無反射，并與晶體檢波器D4和D3為理想匹配連接。主線上的入射波經(jīng)入射耦合器(Di)取樣，從端口T4送入檢波器，設(shè)T4的出射波為b4；反射波經(jīng)反射耦合器(Dr)取樣，從T3送入檢波器，設(shè)T3的出射波為b3。繪出信流圖如圖4.1-1(b)所示。設(shè)待測負(fù)載反射系數(shù)模值為，由信流圖求出 (4.1-1a)由兩只檢波器測出的信號幅度之比

3、為 (4.1-1b)式中K=為比例常數(shù)。由可轉(zhuǎn)換為駐波比或回波損失。2. 校準(zhǔn)與測量：利用反射計(jì)測量之前，需先進(jìn)行校準(zhǔn)(求K)。通常采用短路器(質(zhì)量好的短路板，或在精密測量中采用/4的標(biāo)準(zhǔn)短路器)作為標(biāo)準(zhǔn)，來確定常數(shù)K。其方法是：將短路器(=l)接到反射計(jì)的輸出端，讀得比值為，由式 (4.1-1b)求出常數(shù)(a) 反射計(jì)基本測量線路; (b)理想反射計(jì)信流圖圖4.1-1理想反射計(jì)b2a2b3b4D3D4T3T4DrDiT微波信號源待測負(fù)載T2T1a1a2b1b2b3b4s21s12Ls41s32(a)(b)當(dāng)反射計(jì)的輸出端接待測負(fù)載時(shí)，讀出，按公式 (4.1-1b)求出待測負(fù)載的反射系數(shù) (4

4、.1-2)如果晶體檢波器是平方律，則有 (4.1-3)式中I為檢波指示裝置(如測量放大器等)的讀數(shù)。 由圖4.1-1(b)還可以看出，理想反射計(jì)的入射指示值b4與所接負(fù)載之值無關(guān)，,于是式 (4.1-3)成為 (4.1-4)它說明當(dāng)信號源幅度不變時(shí)，入射耦合器可以拿掉，變成單定向耦合器反射計(jì)，亦稱單通道反射計(jì)(前者稱雙通道反射計(jì))。相當(dāng)于終端短路時(shí)，其入射波被全部反射，由來表示線路中的入射波大小，而待測負(fù)載的反射波則由來表示。 在實(shí)際中，對定向耦合器的方向性應(yīng)該要求盡量高，對耦合度要求較強(qiáng)，特別是反射耦合器應(yīng)更強(qiáng)些，一般不弱于20dB，通常取10dB或6dB、3dB，以減少檢測的困難。對帶寬要

5、求，視具體情況而定。二、實(shí)際雙定向耦合器反射計(jì)分析實(shí)際反射計(jì)是：(1)定向耦合器方向性有限，其主線反射不為零，因而有一小部分入射波耦合到檢測裝置D3中(串話)，一小部分反射波耦合到檢測裝置D4中；(2)信號源和檢波器非理想匹配。因此，在這些實(shí)際因素影響下，將使不再滿足式(4.1-1b)的線性關(guān)系，而引入測量誤差。經(jīng)過下面分析表明，若想減小其測量誤差，需加入調(diào)配器，以提高反射計(jì)的測量精度。分析方法是給出信流圖，再求其解。 1定向耦合器與檢波指示裝置組合的信流圖把圖4.1-1a改畫成四端口網(wǎng)絡(luò)，如圖4.1-2所示。虛線方框內(nèi)為實(shí)際反射計(jì)測量裝置，有兩個(gè)耦合器，令其連接面T左為2'，右為1&

6、#39;，劃分為兩個(gè)“定向耦合器-檢波指示裝置”組合單元，即入射組合和反射組合。圖4.1-2 實(shí)際反射計(jì)等效電路檢波器D4檢波器D3雙定向耦合器a4b4a3b3a1b1a2b2124312T入射組合反射組合以入射組合為例，見信流圖4.1-3。s44s11a2s22a1b2b1s21s12b4a4s14s42s41s24d4k4M4(a)M4T4DiT1T2(a) 入射定向耦合器Di和檢波器組合單元; (b) 圖(a)的信號流通圖;(c) 圖(b)的簡化信號流通圖 (M4為檢波器指示度，k為檢波效率)圖4.1-3 入射組合單元(b)(c)1a2a1b2b1Tib4Cik4M4TiCiDi2散射方

7、程為 (4.1-5)式中。根據(jù)不接觸環(huán)法則，把圖4.1-3(b)簡化為圖4.1-3(c)，有 (4.1-6a) (4.1-6b) (4.1-6c) (4.1-6d) (4.1-6e) (4.1-6f)式中，C為有效耦合系數(shù)，CD為有效方向系數(shù)，T為有效傳輸系數(shù)，為檢波器反射系數(shù)?；啚閳D4.1-3(c)，并可寫成 式中，k4為檢波器傳輸系數(shù)，M為與出射波b成比例的電壓幅度值。 同理，對于反射組合單元，只要注意到與圖4.1-3(a)的耦合器連接方向是相反的，就不難得到圖4.1-4(c)的簡化流圖。1a2a1b2b1Trb3Crk3M3TrCrDr2M3T3DrT1T2(c)(b)(a)s11a2

8、s22a1b2b1s21s12b3a3s13s32s31s23d3k3M3s33(a) 反射定向耦合器Dr和檢波器組合單元； (b) 圖(a)的信流圖； (c)圖(b)的簡化信流圖圖4.1-4 反射組合單元其中 (4.1-8a) (4.1-8b) (4.1-8c) (4.1-8d) (4.1-8e) (4.1-8f) 2.雙定向耦合器反射計(jì)電路的信流圖及其解根據(jù)圖4.1-3(c)和圖4.1-4(c)，并設(shè)信號源反射系數(shù)為，待測負(fù)載反射系數(shù)為，給出全部反射計(jì)電路的信流圖示于圖4.1-5。1a2a1b2b1Tib4Cik4M4TiCiDi21a2a1b2b1Trb3Crk3M3TrCrDr2Lgb

9、g圖4.1-5 雙定向耦合器反射計(jì)電路的信流圖()由不接觸環(huán)法則可求出 (4.1-10a) (4.1-10b)式中 (4.1-11) (4.1-12a) (4.1-12b) (4.1-12c) (4.1-12d) 若兩個(gè)檢波器都匹配()，把式(4.1-6)和(4.1-8)代入式(4.1-12)，則參數(shù)A、B、C、D只決定于兩個(gè)定向耦合器的散射參數(shù)，有 (4.1-13a) (4.1-13b) (4.1-13c) (4.1-13d)由式(4.1-10)求出 (4.1-14)與式(4.1-1)相比較可知，由于實(shí)際電路的非理想性，使待測反射系數(shù)并不與成比例關(guān)系。只有當(dāng)兩個(gè)定向耦合器的方向性為無窮大(D

10、r=Di=0)，且所有反射系數(shù)均為零(即1 =1' =2 =2' = 0)時(shí)，式(4.1-12)中的B和C才變?yōu)榱?，?4.1-14)才變?yōu)?d3 =d4 = 0時(shí)) (4.1-15)與式(4.1-1)相同。 由上述分析可知：(1)由于定向耦合器的方向性有限和主臂反射參數(shù)的影響，使得與失去線性關(guān)系。(2)為使它能夠保持線性關(guān)系(式4.1-1)，須設(shè)法使B = C = 0才行，這就是接入調(diào)配器的調(diào)配反射計(jì)。(3)關(guān)于檢波器D3和D4的調(diào)配，在公式中沒有提出要求，可以作為一個(gè)常數(shù)看待，但從提高指示靈敏度和穩(wěn)定性要求來看，應(yīng)該盡可能匹配。(4)關(guān)于信號源的匹配，從b3與b4的比值上看

11、，不受源失配()的影響(共模變化)，但它影響b3和b4指示度的大小和穩(wěn)定性(見式(4.1-10)。因此從信號源輸出最大和穩(wěn)定性上看，要求對信號源進(jìn)行匹配。 由此得出，作為優(yōu)質(zhì)反射計(jì)的設(shè)計(jì)，(1) 應(yīng)選用耦合度適當(dāng)、方向性盡可能高、主臂反射參數(shù)(S11，S22)盡可能小的定向耦合器。(2) 選用匹配盡可能好的微波信號源和寬帶檢波器(若不用于掃頻，可用窄帶檢波器)。三、實(shí)際單定向耦合器反射計(jì)分析由雙定向耦合器反射計(jì)工作原理知(見式(4.1-3)和式(4.1-4)，當(dāng)微波信號源輸出穩(wěn)定，或經(jīng)過穩(wěn)幅環(huán)路穩(wěn)幅，則圖4.l-1a的入射組合單元可以略而不用，遂成為單定向耦合器反射計(jì)，其信流圖示于圖4.1-6

12、。1a2a1b2b1Trb3Crk3M3TrCrDr2Lgbg圖4.1-6 單定向耦合器反射計(jì)的信流圖從信流流圖求出 (4.1-16)式中 由式(4.1-16)看出，它與雙定向耦合器反射計(jì)公式(6.1-14)有相同形式。條件B'=C'=0，才能使與有線性關(guān)系，即 或 (4.1-17) 滿足這個(gè)條件的方法是加入調(diào)配器。但與雙定向耦合器反射計(jì)不同的是C'和D'都與源反時(shí)系數(shù)有關(guān)，因此信號源的不穩(wěn)定和不匹配將使的測量結(jié)果產(chǎn)生誤差(即非共模變化之故)?？梢?，單定向耦合器反射計(jì)對信號源輸出穩(wěn)定性和匹配的要求，比雙定向耦合器反射計(jì)要高。 由式(4.1-14)和(4.1-16

13、)看出，用定向耦合器組成標(biāo)量反射計(jì)時(shí)，由于B、C(或B'、C')不等于零，而失去線性關(guān)系，因此在點(diǎn)頻和掃頻反射計(jì)中，都需要采取提高測量精請度的措施。四、反射計(jì)誤差分析綜上分析可知，實(shí)際反射計(jì)的主要誤差源有：定何耦合器方向性誤差、校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)短路器不完善誤差；檢測指示誤差和微波信號源幅度、頻率不穩(wěn)定性誤差等。 l. 定向耦合器方向性誤差分析 (1)雙定向耦合器反射計(jì)方向性誤差：為分析有限方向性引入的測量誤差，設(shè)，則式(4.1-14)變成 (4.1-18)式中Cr(=S32)、Dr和Ci(=S41)、Di分別表示反射耦合器和入射耦合器的耦合系數(shù)和方向性系數(shù)。設(shè)Cr=Ci，有 (4.

14、1-19)考慮到相位不利情況(取絕對值之和) (4.1-20)用短路器校準(zhǔn)時(shí)，設(shè)，由式(4.1-1b)和(4.1-19)可得 (4.1-21)把式(4.1-20)和(4.1-21)代入式(4.1-2)，求出測量值展開并忽略高階小量得出測量值的不確定性為 (4.1-22)式中 若兩個(gè)定向耦合器的方向性均為40dB，則若均為30dB，則式(4.1-22)中的常數(shù)Ax、Bx、Cx表示反射計(jì)有限方向性引入的誤差，稱為精確度指數(shù)。對于小反射情況，主要是Ax誤差項(xiàng)。 (2)單定向耦合器反射計(jì)方向性誤差分析及源反射系數(shù)的影響：設(shè)，則式(4.1-16)變?yōu)?(4.1-23)通常很小，則 (4.1-24a)校準(zhǔn)

15、時(shí)，有，代入式(4.1-23)得 (4.1-24b)把式(4.1-24)代入式(4.1-17)求出測量值考慮到相位最不利情況，并忽略高階小量，有 (4.1-24b)測量值的不確定性為 (4.1-25)式中 設(shè)定向耦合器方向性為40dB，即=0.01，信號源駐波比=1.05，=0.024，則=1.01，=0.005，則式(4.1-25)說明源反射系數(shù)影響較大，應(yīng)設(shè)法減小之值。 2. 標(biāo)準(zhǔn)短路器不完善引入誤差(可以校正)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)短路器不完善且接近于1時(shí)，可以校正。由式(4.1-1b)知 (4.1-26) 3. 檢測系統(tǒng)測量比值時(shí)產(chǎn)生的誤差，這項(xiàng)誤差與反射計(jì)采用的檢測裝置和指示設(shè)備有關(guān)。如果采用晶體

16、檢波器和測量放大器作檢測系統(tǒng)，則比值測量誤差決定于晶體檢波律的變化和測量放大器的非線性度。一般在測量放大器的總讀數(shù) (分壓器的分壓系數(shù)和電表指示度的乘積)不超過10000的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為晶體檢波律不變。測量放大器的分壓器和放大器的非線性，可用已知電壓加到輸入端進(jìn)行校正并計(jì)算誤差。設(shè)測量放大器的相對電壓測量誤差為壓，檢波律為n，則雙耦合器反射計(jì)反射系數(shù)的測量誤差由式(6.1-3)求出 (4.1-27)上式導(dǎo)出時(shí)，設(shè)校準(zhǔn)與測量時(shí)測量放大器的相對電壓測量誤差和晶體檢波律均相等。對于單耦合器反射計(jì)為 (4.1-28)由求出駐波比的誤差為 (4.1-28) 經(jīng)過精密校正后，由該項(xiàng)引入駐波比的相對誤差不

17、大于±1%，若用小功率計(jì)作檢測指示，可以小到±0.5%以下。 4. 微波信號源的幅度和頻率不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差：信號源幅度不穩(wěn)定，對雙定向耦合器反射計(jì)影響較小，這是因?yàn)樗鼘儆诠材y試，即校準(zhǔn)與測量時(shí)取兩信號的比值；而對單定向耦合器影響較大。為減小幅度不穩(wěn)定的影響，需采用自動(dòng)穩(wěn)幅電路，可使駐波比相對誤差減小到0.5%以下。用一般信號源時(shí)約在1%左右。信號源頻率不穩(wěn)定，將由定向耦合器的頻率特性產(chǎn)生誤差。 關(guān)于信號源駐波比的影響，由式(6.1-25)知，對單定向耦合器反射計(jì)有明顯影響，對雙定向耦合器，從公式(6.1-22)看，雖無影響，但由于源駐波比影響信號源輸出功率的穩(wěn)定性，所以無

18、論對那種反射計(jì)線路，都應(yīng)使源駐波比盡可能小，特別是單定向耦合器反射計(jì)對源駐波比要求更加嚴(yán)格。 由上述誤差分析看出，定向耦合器方向性誤差是最主要的誤差項(xiàng)：還有耦合器主臂的反射參數(shù)也引入誤差，因此，為提高反射計(jì)測量精確度，必須提高定向耦合器的性能指標(biāo)。但這是有一定限度的，所以還需要在線路設(shè)計(jì)和調(diào)整上設(shè)法減小之。4.2 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成及測量原理將寬帶反射計(jì)與掃頻信號源和掃頻幅度分析儀(或稱比值計(jì))相結(jié)合，即可構(gòu)成標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。 圖4.2-1和4.2-2分別給出了標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量反射參數(shù)和傳輸參數(shù)的電路連接關(guān)系。圖4.2-1標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀法測量反射參數(shù)b2a2掃頻信號源待測件掃頻幅度分析儀校準(zhǔn)件參考通道測試通道AR 校準(zhǔn)過程：使反射計(jì)測量端開路或短路(波導(dǎo)傳輸線取短路，同軸線可取開路)，測出不同頻率上測試通道與參考通道的比值A(chǔ)/R，并以此做為(返波損耗dB)的基準(zhǔn)。 測量過程：校準(zhǔn)之后，換接待測負(fù)載，測出此時(shí)測試通道與參