衰減講稿幻燈片正式

衰減講稿幻燈片正式1第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第一節(jié)衰減計量的主要參數(shù)

一．衰減

衰減是指在理想匹配的系統(tǒng)中插入被測件時被測件的入射功率與出射功率之比，通常用對數(shù)形式表示，以分貝為單位，符號為A表示。

A=10lg（P1/P2

）（ΓG=0，ΓL=0）式中：P

1——被測件輸入端的入射功率，單位為瓦(W)或毫瓦(mW)；

P

2——被測件輸出端的出射功率，單位為瓦(W)或毫瓦(mW)；

ΓG——信號源端反射系數(shù)；

ΓL——負載端反射系數(shù)。負載被測件信號源p1gp2L2第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日衰減也可表示為匹配信號源與匹配負載直接連接時負載吸收的功率與被測件插入到它們中間時同一負載吸收的功率之比，如圖3-1-2a)和b)所示，用對數(shù)形式表示，以分貝為單位。

A=10lg（PL1/P

L2）式中：PL1————匹配信號源與匹配負載直接連接時負載吸收的功率；

P

L2————為被測件插入到匹配信號源與匹配負載中間時同一負載吸收的功率。衰減的單位為分貝，單位符號為dB。要提醒注意的是：dB與dBm是不同的。dBm是功率的單位，而不是衰減的單位。0dBm表示功率為1mW，-10dBm表示0.1mW，+20dBm表示100mW。即PdBm=10lg（PmW/1mW）。當信號功率從0dBm減小到-20dBm，則稱為衰減20dB。3第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日二.

電壓衰減在直流與較低頻率時，信號的幅度常用電壓表示。在理想匹配系統(tǒng)中，由被測件的入射電壓與出射電壓之比，用對數(shù)形式表示，稱電壓衰減。用符號Av

表示。

Av=20lg（V

1

/V

2

）式中：V

1——被測件的入射電壓；

V

2——被測件的出射電壓。三.起始衰減

若被測件為可變衰減器，當可變衰減器置于起始零位時的衰減量稱起始衰減，用A

0

表示。

A

0=10lg（PL1/P’L2

）式中：PL1——匹配信號源與匹配負載直接連接時負載吸收的功率；

P’L2——可變衰減器置于起始零位插入到中間時同一負載吸收的功率。

4第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日四．增量衰減增量衰減又稱衰減增量。若被測件為可變衰減器，可變衰減器調到某刻度位置時相對于起始零位時所增加的衰減量稱增量衰減。

A=10

lg（P’L2/P"L2）式中：P’L2——可變衰減器置于起始零位插入到匹配源和匹配負載間時負載吸收的功率；

P"L2

——可變衰減器調到某刻度位置時同一負載吸收的功率。5第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日五．插入損失

由于衰減是在理想匹配系統(tǒng)條件下定義的，實際情況不可能實現(xiàn)理想匹配，因此不可能測得定義的衰減量。插入損失就是針對不匹配系統(tǒng)定義的。對于任何要求測量傳輸特性的被測件，可假設為一個二端口網絡，網絡輸入端所接系統(tǒng)設為等效信號源簡稱信號源，網絡輸出端所接系統(tǒng)設為等效負載簡稱負載，如圖3-1-3所示。圖3-1-3二端口網絡的插入損耗

二端口網絡信號源負載b2b1a2a1端口1端口26第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日令P1表示當反射系數(shù)為Γg

的信號源與反射系數(shù)為ΓL

的負載直接相接時負載吸收的功率，設信號源和負載間插入一個二端口網絡使負載吸收的功率減小到P

2，則二端口網絡的插入損失為：

L=10

lg(P1/P2)(3-1-6)

（ΓG，ΓL不為零）1.

插入損失與網絡散射參數(shù)的關系二端口網絡的S參數(shù)（即散射參數(shù)）為S11，S12，S21，S22，網絡輸入與輸出復數(shù)波幅有如下關系：

b1=S11a1+S12a2(3-1-7)b2=S21a1+S22a2(3-1-8)

7第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日a1，a2

分別為二端口網絡輸入端和輸出端的入射波波幅；b1，b2分別為二端口網絡輸入端和輸出端的出射波波幅；S11，S22分別為二端口輸入端和輸出端的反射系數(shù)（當端口1接信號源，端口2接匹配負載，則ａ2=0，由式(3-1-7)得S11=b1/a1，所以S11為端口2全匹配時看向端口1的電壓反射系數(shù)；同樣，S22為端口1全匹配時看向端口2的電壓反射系數(shù)。）；S21，S12分別為二端口網絡的正向和反向傳輸系數(shù)（S21為端口2全匹配時，由端口1到端口2的電壓傳輸系數(shù)；同樣，S12為端口1全匹配時，由端口2到端口1的電壓傳輸系數(shù)。）

8第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日插入損耗L為：由式(3-1-10)可見,插入損耗不僅與二端口網絡的特性（S參數(shù)）有關，而且與系統(tǒng)的匹配情況（ΓG，ΓL）有關。同一被測件在不同的系統(tǒng)中插入損耗大小是不一樣的。因此，從定義而言，插入損耗不宜用于作為描述元器件特性的術語。9第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日2.

衰減與S參數(shù)的關系

根據插入損耗的公式，當在理想匹配系統(tǒng)中，即源端和負載端反射系數(shù)均為零時（ΓG=ΓL=0）,得到衰減的S參數(shù)表達式：

由此可見，衰減是表征二端口網絡特性的參量，它與所接系統(tǒng)無關。因此，我們用衰減作為描述元器件特性的術語。在實際測量系統(tǒng)中，由于不可能理想匹配，使衰減測量結果與定義的衰減有差別，因此要考慮由失配引入的測量不確定度。10第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日六.衰減的反射分量和損耗分量衰減是二端口網絡自身的特性，實質上，它包含兩個分量，一部分衰減是由于二端口網絡的端口反射引起，稱衰減的反射分量；另一部分衰減是網絡的吸收耗散引起，稱衰減的損耗分量。

1.

衰減的反射分量AR為：

式中：Pi——二端口網絡的入射功率；

PR——二端口網絡輸入端的反射功率；

Pi

與PR

之差為二端口網絡的吸收功率。由網絡的入射功率與吸收功率之比得到衰減的反射分量。11第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日

2.衰減的損耗分量Ad為：

式中：PL——匹配負載的吸收功率。由網絡的吸收功率與負載的吸收功率之比得到衰減的損耗分量。12第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.AR,Ad和

A的S參數(shù)表達式：由于衰減是在匹配條件下定義的，因此：

所以，衰減的反射分量AR為：

衰減的損耗分量Ad

為：

衰減A

由兩個分量組成13第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日七.替代損耗

在任意系統(tǒng)中，第一個二端口網絡插入時負載吸收的功率與第二個二端口網絡代替第一個插入時負載吸收的功率之比用分貝為單位表示，稱為替代損耗Ls。

在校準可變衰減器時，也就是兩次刻度放置時負載分別吸收的功率之比。式中S’

與

S”

分別表示第一次和第二次時的網絡參數(shù)。當Γg

，ΓL為零時的替代損耗即增量衰減A：

14第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日八．網絡效率

當二端口網絡接入任意系統(tǒng)中，負載吸收的功率與二端口網絡輸入端吸收的功率之比稱為網絡效率，一般用比值表示，符號為η。

當接匹配負載時，網絡效率與衰減的損耗分量有如下的關系：

15第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)常用衰減器簡介

衰減器的種類很多。根據衰減器的不同用途，有：標準衰減器、隔離衰減器、電平調節(jié)衰減器、傳遞標準衰減器等；根據輸出形式不同，有：波導衰減器、同軸衰減器；根據衰減量的可變情況，有固定式、步進式、連續(xù)可變式；根據原理不同，有電阻式、感應式、截止式、回轉式、吸收式等衰減器。一般，衰減器的主要指標包括衰減量及其最大允許誤差，電壓駐波比，頻率響應，承受功率，分辨力，重復性等。在第二章中將介紹幾種不同原理的常用衰減器。16第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第二章常用的衰減器

衰減器的種類很多,對衰減器的分類根據不同的劃分規(guī)則可分為多種形式，這在第一章中已經作了簡要介紹。根據不同的工作原理，衰減器可分為:電阻式、感應式、截止式、回轉式、吸收式等幾種。

第一節(jié)電阻式衰減器

電阻式衰減器通常由電阻分壓基本單元組成，基本單元有T型和π型兩種，電阻式衰減器多為同軸型，一般，3GHz以下時可用棒狀電阻，3GHz以上時用微帶薄膜電阻。通常有固定衰減器和步進衰減器兩種。一.T型電阻式衰減器

T型電阻式衰減器基本單元見圖3-2-1。R1R1R2Z0V2V1Z0圖3-2-1T型電阻式衰減器基本單元17第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

若要求衰減量為A，

則傳輸系數(shù)K

為：

T型衰減器基本單元中，電阻R

1和R

2可按以下公式計算：

式中：R1——串臂電阻，單位為Ω；

R2——分流電阻。單位為Ω。18第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日

二．π型電阻式衰減器

π型電阻式衰減器的基本單元電路圖見圖3-2-2。π型電阻式衰減器基本單元中電阻R3和R

4

可按以下公式設計：

Z0R3R4R4Z0圖3-2-2π型電阻式衰減器基本單元19第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日三．平衡式電阻衰減器在通信等領域，常采用平衡式電阻衰減器，它是由兩個相同阻值電阻的T型或π型衰減基本單元組合而成。常用的特性阻抗有150Ω，300Ω，600Ω等。T型平衡式電阻衰減器和π型平衡式電阻衰減器的基本單元分別示于圖3-2-3和圖3-2-4。設計平衡式電阻衰減器時，電阻的計算公式與一般電阻衰減器的公式相同，但應注意要用Z

0/2代替原來公式中的Z

0。圖3-2-3T型平衡式電阻衰減器基本單元圖3-2-4π型平衡式電阻衰減器基本單元20第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

四．薄膜電阻式衰減器

薄膜電阻式衰減器示意圖見圖3-2-5。薄膜電阻衰減器是由薄膜電阻片和同軸外導體構成的同軸衰減器。薄膜電阻是由在高頻陶瓷基片上濺射一層極薄的鉭電阻材料，經光刻，腐蝕等工藝做成。它相當于無限多個T型衰減基本單元組成。薄膜中間的電阻較小，相當于串臂電阻；薄膜兩邊的電阻較大，相當于分流電阻。薄膜電阻衰減器具有非常寬的頻率范圍，現(xiàn)已可做到一個衰減器覆蓋DC～40GHz。因此是目前使用最廣泛的衰減器。其缺點是：雖然可用理論計算其衰減量和特性阻抗，但實際上衰減量還與薄膜工藝和材料有很大關系，因此準確度較差，需要用校準裝置校準后使用。圖3-2-5薄膜電阻式衰減器示意圖陶瓷基片同軸內導體同軸外導體分流電阻串聯(lián)電阻21第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日五．步進式電阻衰減器串聯(lián)開關型步進衰減器，見圖3-2-6所示(以1dB步進的10dB衰減器為例)。每一個衰減節(jié)相當于一個固定衰減器，把衰減節(jié)組合成步進衰減器。這種型式的優(yōu)點是只需4個衰減基本單元就能構成一個十進步進衰減器，一般步進量有0.01dB，0.1dB，1dB，10dB。最大衰減量可達100dB。同軸步進式衰減器具有體積小，結構堅固，電性能穩(wěn)定，頻率范圍寬，起始衰減小等優(yōu)點。設計和制造良好的衰減器具有小于0.0001dB/（dB?℃）的溫度系數(shù)和低于0.0003dB/(dB·W)的功率敏感度，頻率范圍可為0～18GHz，起始衰減接近零。當使用程控開關時，可用于能自動控制衰減量的自動化系統(tǒng)中。圖3-2-6串聯(lián)開關型步進電阻衰減器22第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)

感應分壓器式衰減器感應分壓器又稱比率變壓器，它是工作于音頻的準確度非常高的步進衰減器。一臺七位感應分壓器包括了七個非常準確抽頭的自耦變壓器，采用優(yōu)質開關相互連接，這種連接方法使輸出電壓對輸入電壓的分壓比按1×10-7的步進量從0變到1。這種感應分壓器的工作頻率為10Hz～1MHz，但在1kHz～10kHz左右可獲得最高準確度。若感應分壓器的輸入和輸出電壓分別為V1和V2，則感應分壓器的分壓比D為：

D=V2/V1(3-2-7)

衰減增量A為：

A=20log（D

1/D2）(3-2-8)式中：D

1——第一次平衡指示時感應分壓器的分壓比；

D

2——第二次平衡指示時感應分壓器的分壓比。

23第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)

截止式衰減器截止式衰減器因其結構如活塞，故又稱活塞式衰減器。其基本工作原理是：電磁波在截止波導內，其電場強度隨距離呈指數(shù)衰減，如圖3-2-7所示。

濾膜器激勵電極接收電極lEl=E0e-l圖3-2-7截止式衰減器的工作原理圖24第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日當截面均勻的圓截止波導輸入端用激勵電極激勵起單一振蕩模式電磁波時，電磁波波幅Eｌ

沿波導呈指數(shù)衰減：

式中：Eｌ——輸入端某參考面的場強；

α-——衰減常數(shù)；

ｌ-——接收電極到參考面的距離。當接收電極從ｌ1移到ｌ2時，衰減增量A為：當αΔ<<1時，

A≈8.686αΔ（dB）由此可見，衰減量連續(xù)可變，并且與Δｌ成線性正比，由于距離長度的測量準確度很高，因此，截止式衰減器可以達到很高的準確度。例如30MHz截止式衰減器的分辨力可達到0.002dB，衰減量大于100dB，最大允許誤差達±0.005dB/10dB。可以作為標準衰減器或衰減傳遞標準。25第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)

回轉式衰減器回轉式衰減器為波導衰減器，根據它的原理又稱極化式衰減器。它由三段波導串聯(lián)而成，兩端為固定的矩形轉圓形過渡波導，中間為可轉動的圓波導。每段波導內裝有衰減片，兩端波導段內的衰減片與矩形波導的寬臂并行，中間波導段內的衰減片沿圓波導截面的直徑方向放置，可隨圓波導的轉動而轉動，其結構示意圖如圖3-2-8所示。當轉動圓波導到使三片衰減片在同一平面上時，為零刻度（θ=0°）。衰減量可以通過回轉的角度θ計算得到，其工作原理如圖3-2-9所示。衰減片圓波導矩形—圓過渡波導圖3-2-8回轉式衰減器結構示意圖回轉式衰減器從0°轉到θ°時的衰減增量A為：

26第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日第五節(jié)波導吸收式衰減器波導吸收式衰減器是將衰減片置于波導中垂直于波導寬邊，當衰減片并行于波導窄邊移動時，衰減量發(fā)生變化。其結構原理圖見圖3-2-10。ax

a)

b)

c)圖3-2-10波導吸收式衰減器的原理和結構示意圖a)電場沿矩形波導寬壁的分布b)吸收式衰減器示意圖c)原理圖27第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

吸收式衰減器的衰減量A的表達式為：式中：A0——起始衰減，即當ｘ=0時的衰減量，一般A0≈0,單位為dB；ａ——波導寬臂的寬度,單位為毫米；ｘ——波導中衰減片離窄邊的距離，單位為毫米；

A0+A

V——衰減片位于波導中心（ｘ=ａ/2）時的衰減量,單位為dB。由于實際上衰減量還受到衰減片與波導壁之間分布電容的影響，因此上述計算公式是近似的，通常要由衰減校準裝置校準，給出校準曲線后使用。

A

B

圖3-2-11吸收式衰減器校準曲線示意圖28第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第六節(jié)

PIN電調衰減器

用PIN二極管制成同軸可變衰減器，其結構原理圖見圖3-2-12。PIN電調衰減器就是由PIN二極管構成的電容分壓器，按圖3-2-12的原理構成時，隨著偏壓加大，衰減減小，實現(xiàn)了衰減量的電調節(jié)。

PIN電調衰減器可以實現(xiàn)微波頻率下寬頻帶工作，其功率容量大，結構堅固，體積很小，易實現(xiàn)程控。一般用作電平調節(jié)衰減器，也可用于信號穩(wěn)幅電路，隨著智能儀器的發(fā)展，應用非常廣泛。對于可程控的PIN衰減器，按程控碼校準其衰減量后，可在自動化測試系統(tǒng)中使用。圖3-2-12PIN二極管電調衰減器原理圖寬頻帶小駐波直流回路外導體內導體29第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第三章衰減測量與校準方法

衰減測量方法和標準衰減器的校準方法是一樣的，僅僅在于后者要求更高的準確度。方法種類很多，最常用的方法是替代法，即通過與標準衰減器比較而測量被測件的衰減。除替代法外，還有功率比法，時間間隔法，信號幅度倍增法，調配反射計法，Q值法，網絡分析儀法等。既可以購置衰減校準裝置，也可以根據需要，即根據所需的頻率，量程，和要求的最大允許誤差來選擇某種方法，由自己組建系統(tǒng)?，F(xiàn)將常用的校準方法及其典型裝置簡單介紹如下。。30第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第一節(jié)射頻替代法

將被測衰減量與在同頻率上的標準衰減器的衰減量進行比較，實現(xiàn)衰減測量的方法稱為射頻替代法。有時又稱高頻替代法或同頻率替代法。通常可分為串聯(lián)射頻替代法和并聯(lián)射頻替代法兩種。一．串聯(lián)射頻替代法串聯(lián)射頻替代法的原理框圖見圖3-3-1，它是將被測衰減器與標準衰減器串聯(lián)起來。信號源隔離器標準衰減器隔離器被測件隔離器檢波器電平指示器調制信號接收機圖3-3-1串聯(lián)射頻替代法的基本原理框圖31第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日二．并聯(lián)射頻替代法并聯(lián)射頻替代法原理框圖見圖3-3-2。由于被測衰減器與標準衰減器是并聯(lián)的，只要每次調到指示不變，則被測衰減增量可由標準衰減器衰減增量替代。1kHz方波發(fā)生器30MHz晶振標準衰減器30MHz晶振被測衰減器電平調節(jié)衰減器30MHz中放檢波與選放相位檢波器反向方波調制參考信號圖3-3-330MHz并聯(lián)射頻替代法衰減校準系統(tǒng)32第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日三．射頻替代法的優(yōu)缺點射頻替代法的優(yōu)點是：由于被測衰減量用同頻率標準衰減量替代得到，衰減測量不受檢測器的非線性影響。因此只要信號源輸出功率大和接收指示系統(tǒng)靈敏度高，量程可以非常大，例如量程可達130～140dB。缺點是：必須具有與被測件同頻率的標準衰減器，目前，尚難制造準確度能與中頻標準衰減器同樣高的射頻標準衰減器。因此，射頻替代法不是衰減測量方法中最準確的方法，但是是衰減測量量程最大的方法。射頻替代法沒有現(xiàn)成的校準裝置可買到，選用這種方法時需要自己組建校準系統(tǒng)33第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第二節(jié)中頻替代法和低頻替代法

中頻替代法的基本工作原理是用外差變頻方法將微波或高頻信號線性地變換成固定的中頻信號，用準確度很高的中頻標準衰減器的衰減量來替代被測衰減量。一．串聯(lián)中頻替代法以我國生產的RS-12及美國生產的AIL-136型測量接收機為代表產品的串聯(lián)中頻替代法原理框圖見圖3-3-4。串聯(lián)中頻替代法是將穩(wěn)定的射頻信號經被測衰減器后加到線性混頻器上，混頻器輸出的中頻信號經前置放大器放大，以補償截止式衰減器的起始衰減。工作在固定中頻上的標準衰減器可以有很高的準確度。由標準衰減器輸出的信號經中放檢波后指示在某一恒定電平。被測衰減增量由標準衰減器減小的衰減量替代。信號源被測衰減器混頻器本振前置中放截止式衰減器主中放檢波

RC網絡指示器圖3-3-4串聯(lián)中頻替代法原理框圖34第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日二．并聯(lián)中頻替代法以我國生產的TO-7和美國生產的VM-3型衰減校準裝置為典型代表，其原理框圖見圖3-3-5。

并聯(lián)中頻替代法與串聯(lián)替代法的比較：1，當采用截止式衰減器作標準衰減器時，并聯(lián)替代法只要增加30MHz晶振的輸出幅度，就可以比較容易地避開截止式衰減器起始衰減量，從而減小衰減器非線性引入的不確定度。串聯(lián)替代法要用增加前放的放大量來解決，就會增加噪聲，減小量程。2，并聯(lián)替代時，兩路信號快速比較，可以大大減小放大器增益不穩(wěn)定引入的測量不確定度。3，使用方波調制，便于采用相位檢波器和零指示器，提高了靈敏度和分辨力。

信號源被測衰減器混頻器本振中頻振蕩器標準衰減器電子開關中放檢波選放相檢指示器方波發(fā)生器AGC圖3-3-5典型的并聯(lián)中頻替代法原理框圖35第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日

三．低中頻替代法串聯(lián)低中頻替代法的原理框圖見圖3-3-6。

同步鎖相信號源被測衰減器混頻器射頻跟隨器感應分壓器高阻放大器放大檢波差分放大基準電壓指示器本振圖3-3-6串聯(lián)低中頻替代法的原理框圖低中頻替代法的優(yōu)點：采用感應分壓器作為中頻標準衰減器，使衰減測量的不確定度降低了一個數(shù)量級；中頻頻率降低后，使中放帶寬可以做的非常窄，大大減小了噪聲引入的不確定度；10kHz放大器可以做得增益非常穩(wěn)定，避免了一般串聯(lián)替代法由于增益不穩(wěn)引入不確定度的缺點；感應分壓器價格低廉，系統(tǒng)組建方便，重復性好；采用頻率合成信號源，可以覆蓋很寬的頻率范圍。低中頻替代法的缺點：1.量程不夠大；2.感應分壓器為手動，若程控就會降低準確度；3.對信號的頻率穩(wěn)定性要求高。

36第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日四．矢量中頻替代法以美國WE公司生產的VM-4B為典型儀器的衰減和信號校準裝置，采用了矢量中頻替代技術，擴大了衰減測量量程，衰減與相移同時測量，并采用微處理器提高了智能化和自動化程度。其原理框圖見圖3-3-7。

源鎖相電路本振功分器信號源放大器混頻器中放矢量和中放中放中放矢量和放大器混頻器去耦去耦被測衰減器微處理器

PSD移相

PSD

PSD

PSD標準衰減器標準衰減器標準移相器標準移相器移相圖3-3-7

矢量中頻替代法的原理框圖37第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

目前為止，VM-4B還是技術較為先進的商品裝置。它采用雙通道，大大減小了由于信號幅度不穩(wěn)引入的測量不確定度；每個通道用兩個相位檢波器（PSD），一個控制移相器，使兩路信號準確反相，另一個控制標準衰減器，使兩路信號幅度相等，達到平衡后顯示出相移及衰減量。標準衰減器采用可程控的10dB（13個步級）和1dB（15個步級）的步進電阻式衰減器，工作頻率為中頻1.25MHz,總衰減量為145dB。小于1dB衰減量時，則通過A/D變換后由微處理器計算出來。裝置內具有窄頻段鎖相本振并采用諧波混頻方案。由于中放帶寬很窄，并采用時間積分技術使該裝置具有很高的靈敏度（達-140dBm），頻率范圍10MHz～18GHz，衰減測量范圍大于100dB，分辨力0.001dB，儀器的允許誤差極限為±0.02dB/10dB。38第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日五、常用的衰減校準裝置在一些商品裝置中，常采用中頻替代法和射頻替代法相結合的原理，綜合了兩種方法的長處，達到量程大和高準確度的特點。

HP8902A或HP8902AT是目前使用最為廣泛的衰減和信號校準裝置，其基本裝置是HP8902A，工作頻率范圍為100kHz～1300MHz。當采用外差混頻法擴展到26.5GHz時儀器型號為HP8902AT。

HP8902A也采用串聯(lián)中頻替代法與射頻替代法相結合的原理。HP8902A具有很大的量程（量程為大于100dB）和很高的準確度（允許誤差極限為±0.02dB/10dB）。HP8902A除了在衰減測量技術方面有上述優(yōu)點外，還有測量功率電平和調制度等功能。HP8902AT是在HP8902A的基礎上，通過外加混頻器和本振，將測量頻率提高到18GHz，這時衰減量程上限電平要受到外加混頻器非線性的限制，下限噪聲電平將取決于外加混頻器的噪聲系數(shù)，因此衰減測量范圍減小。39第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第四章衰減測量中應注意的問題

一個復雜的衰減測量系統(tǒng)都可歸結為信號源、被測衰減器所在的傳輸線系統(tǒng)和信號的檢測指示器三大部分。各種衰減測量方法測量衰減的誤差主要有以下幾方面來源：失配誤差、混頻器非線性引起的誤差、噪聲引起的誤差、信號泄露和串擾引起的誤差和連接的重復性引起的誤差。第一節(jié)失配誤差

一．失配誤差極限的估計衰減是在理想匹配情況下定義的，如果在信號源和負載不完全匹配的情況下進行測量，就將產生失配誤差。因為，實際測得的值是插入損耗，而插入損耗與定義的衰減之差就是定義值不可能理想復現(xiàn)而引入的誤差，稱為失配誤差：Am=L-A(3-4-1)40第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日（一）測量固定衰減器時的失配誤差

由第一章的插入損耗及衰減的公式可求得測量固定衰減器時的失配誤差表達式為：

或也可表示為：式中：Γ1——測量系統(tǒng)接被測衰減器后，由衰減器輸入端向負載方向看的反射系數(shù)。其值與衰減器的S參數(shù)及負載反射系數(shù)ΓL有如下關系：

41第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日上述失配誤差公式中所有自變量都是復數(shù)量，并可能有各種相位關系。一般情況下，只知道它們的模，不知道它們的相位。因此，我們無法確定失配誤差的確切值，只能根據最壞相位情況，估計失配誤差的極限范圍：由此得到測量固定衰減器時，估計失配誤差極限的近似式為：式中Γ1的模由下式估計：42第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）測量可變衰減器時的失配誤差

在衰減計量中，常常使用可變衰減器，包括連續(xù)可變的或步進的衰減器，衰減的標準量值往往是衰減增量，這是因為只要可變衰減器在衰減量變化時其兩端電壓駐波比變化不大，則衰減測量的失配誤差就可以比較小。

可變衰減器測量時的失配誤差表達式為：

式中Sˊ和S”分別表示可變衰減器刻度第一次和第二次放置時的S參數(shù)。

同理也可表示為：

可由上式得到測量可變衰減器時估計失配誤差極限值的公式：

或近似式：

43第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日二.失配誤差的特點1．失配誤差是由于不匹配所引起，它不僅與測量系統(tǒng)有關，而且與被測件的匹配性能密切相關。用同一個衰減標準裝置測量不同的被測件時，測量結果的失配不確定度是不一樣的。2.

評定衰減標準裝置的不確定度時，都不包括失配不確定度。但應給出測量系統(tǒng)的源端和負載端電壓駐波比，以便在給出測量結果時可以評定測量不確定度。3.由于各反射系數(shù)間的相位關系無法確定，我們不能確定失配誤差值。但對一個實際測量系統(tǒng)，相位關系在實際不變的情況下，它引入的誤差值是不變的。所以它是一個未知的系統(tǒng)誤差，我們不可能用多次測量來判斷或減小失配誤差。4.

失配是衰減測量和校準中不可忽視的一項不確定度來源，特別在衰減量值傳遞過程中常因失配使測量不確定度大大增加，準確度遭受嚴重損失。5.

在給出衰減測量結果的不確定度時必須包括失配不確定度，因此在檢定衰減器時必須同時測量其兩端的電壓駐波比或反射系數(shù)，以便能評定失配不確定度。6.

已經校準過的衰減器，在使用時，根據所用系統(tǒng)的失配情況還會引入失配不確定度，后者不包括在校準值的不確定度之內。44第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日三.減小失配誤差的措施1．

調配：用調配器把測量系統(tǒng)的ΓG和ΓL調到最小。調配只能在點頻上進行。由于對每個頻率點必須重新調配，非常麻煩，且在寬帶測量時不適用。所以，現(xiàn)在已很少使用這種方法。2．

去耦或隔離：把駐波性能良好的衰減器或隔離器接入測量系統(tǒng)，以減小失配影響。在一個反射系數(shù)為ΓL的負載前接一個衰減器時，從衰減器輸入端向負載看的反射系數(shù)有多大？衰減器是如何起到去耦和隔離作用的？見圖3-4-1，a)為連接圖，b)為其信流圖。衰減器負載S11S12S21S22a1b1a2b2ГL

Г1a1b2a2b1S12S21eГL

S22S1145第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日由信流圖看出，從節(jié)點ａ1到ｂ1有兩條路徑：p1=S11，p2=S21ΓLS12，與路徑p2不接觸的一階環(huán)沒有，與p1不接觸的一階環(huán)路為L1=S22ΓL；沒有二階環(huán)路。因此，衰減器輸入端向負載看的反射系數(shù)Γ1為：由此式可見，如果衰減量較大，則S21S12很小，由衰減器輸入端向負載看的反射系數(shù)Γ1主要取決于隔離衰減器的S11。46第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第二節(jié)混頻器非線性

在衰減測量時最常用的是中頻替代法。信號變換到中頻要用混頻器，要求混頻器的輸出中頻電壓必須與輸入射頻電壓成線性關系。對實際使用的二極管混頻器，當輸入信號電平較高時，將呈現(xiàn)非線性，它使衰減測量結果小于實際值，即存在負誤差。因此混頻器非線性限制了衰減測量動態(tài)范圍的上限電平。對單個二極管混頻器，非線性誤差ΔAH是和信號電平PS與本振電平PL

之比成正比。一般，本振功率為1～10mW，為保證混頻器非線性誤差小于0.001dB，最大輸入信號電平應控制在小于-30dBm。對于常用的中頻替代法而言，衰減測量的動態(tài)范圍，上限取決于混頻器的非線性，下限取決于裝置的噪聲和系統(tǒng)的泄漏對衰減測量的影響.

衰減測量值(dB)圖3-4-5衰減測量動態(tài)范圍曲線示意圖起始信號電平（dBm）-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-11047第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第三節(jié)噪聲

無論那一種衰減測量系統(tǒng)都是采用高靈敏接收與指示系統(tǒng)，接收系統(tǒng)必然存在噪聲，當信號電平低到與噪聲電平相當時，就會嚴重影響衰減測量。由于噪聲的存在，會使指示器指示不穩(wěn)定，測量的重復性變差；在有些測量方法中，還可能引入系統(tǒng)誤差。

噪聲限制了衰減測量的下限電平。采用不同的信號檢測方式，由噪聲引入的測量不確定度是不同的。它與檢測電路的等效帶寬、接收機的噪聲系數(shù)有關。在實際工作中，我們用實驗方法確定衰減測量動態(tài)范圍時，同時估計了在低電平時噪聲引入的系統(tǒng)誤差的極限范圍。由此可以用B類評定方法評定測量不確定度。同時在低電平時，要由多次測量的實驗標準偏差來確定其由重復性引入的A類標準不確定度。

48第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)信號泄漏和竄擾信號泄漏竄擾是指有部分信號未通過被測衰減器，而是通過其他路徑進入信號檢測指示系統(tǒng)，由此引入了衰減測量誤差。設vi為經過被測衰減器加到信號檢測器輸入端的信號電壓幅度；v

n為不經過被測衰減器而通過其他路徑進入信號檢測器的信號電壓幅度。則信號泄漏竄擾誤差ΔAD為：

ΔAD=20lg｜(vi+

v

n)/v

i｜由于vi

和

v

n的相對相位不確定，誤差可正可負。且

v

n隨各種隨機因素而變化。但可以估計該項誤差的極限值，｜ΔAD｜=±20lg（1+|

v

n/

v

i|）=±20lg（1+|Pn/Pi|1/2）(3-4-18)49第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第五節(jié)連接的重復性

在測量同軸固定衰減器時，同軸接頭的連接重復性往往是最主要的不確定度來源。由以下對精密制造的接頭對的重復性測量數(shù)據可以看出，不同的接頭型式具有不同的重復性。

接頭型式頻率重復性

N7mm同軸DC～18GHz0.02dB

SMA3.5mm同軸DC～18GHz0.02dB

APC-77mm同軸DC～18GHz0.01dB

WG15波導方法蘭7.3GHz0.005dB

（不用定位銷）

WG15波導方法蘭7.3GHz0.0005dB

（用精密定位銷）

50第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日第五章衰減計量標準的建立和量值傳遞

隨著通訊、電子軍事裝備的發(fā)展，各種衰減器在發(fā)射、接收、測量等系統(tǒng)中廣泛應用，比如用于衰減或調節(jié)測量系統(tǒng)中的信號功率電平、擴展功率計或電壓表的測量范圍以及在測量系統(tǒng)中用作隔離或去耦元件,衰減計量在許多無線電計量中也起著越來越重要的作用，因此，需要建立衰減計量標準和進行量值傳遞，以保證不同衰減測量系統(tǒng)所得結果的精確性，實現(xiàn)量值統(tǒng)一。

51第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第一節(jié)計量標準的建立

一、計量標準的原理組成

根據不同衰減器的準確度等級可以建立相應的計量標準，計量標準的建立主要是根據衰減測量方法確定其工作原理，下面介紹兩種衰減計量標準，可以分別滿足不同準確度級別的衰減器計量。

1.低中頻衰減標準裝置

低中頻衰減標準裝置的工作原理是串聯(lián)中頻替代法，圖3-5-1為低中頻衰減標準裝置原理圖。用工作在10kHz的感應分壓器的衰減量來替代射頻被校衰減器的衰減量。低中頻衰減標準裝置的工作頻段為1MHz～18GHz,衰減測量的不確定度為(0.004～0.008）dB/10dB.微波信號發(fā)生器調配器被校衰減器調配器混頻器本振低中頻接收機(含感應分壓器)圖3-5-1低中頻衰減標準裝置原理圖52第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日

2.并聯(lián)中頻替代法衰減校準裝置

并聯(lián)中頻替代法衰減校準裝置的工作原理是并聯(lián)中頻替代法，圖3-5-2為并聯(lián)中頻替代法衰減標準裝置原理圖。其優(yōu)點是頻帶寬、量程大，在衰減計量測試中應用最廣，國內、國外都有成套的裝置可供選購，是比較成熟的產品，如美國生產的VM-3、VM-4、VM-7和國產的TO-7等。該衰減校準裝置的工作頻段為10MHz～18GHz,衰減測量的不確定度為(0.02～0.05）dB/10dB,建立此衰減標準裝置,可以開展對各種步進和固定衰減器的檢定工作，也可以檢定信號源內部的衰減器。

]圖3-5-2并聯(lián)中頻替代法衰減標準裝置原理圖.

信號源被測衰減器混頻器本振中頻振蕩器標準衰減器電子開關中放檢波選放相檢指示器方波發(fā)生器53第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、計量標準的穩(wěn)定性考核

選擇一個穩(wěn)定性好的回轉式衰減器，做為核查標準，每年用計量標準重復觀測，每次都測n次(n≥6)，n個觀測值計算一個算術平均值，共測m次,計算的平均值和標準偏差，為穩(wěn)定性。

測量時間分別：①1996年10月、②1997年10月、③1998年10月、④1999年10月。測量數(shù)據摘錄如下：頻率：f=9.7GHz，每年的測量值如下：測量衰減量為10、30、50dB。(dB)：①10.154，②10.154，③10.154，④10.154，

(dB)：①30.629，②30.628，③30.628，④30.628

(dB)：①51.018，②51.019，③51.020，④51.020

結論：測量穩(wěn)定性滿足小于合成標準不確定度uc的要求。54第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日三、計量標準的重復性檢驗

選擇一個穩(wěn)定性好的被檢測量器具，用計量標準重復測量n次（推薦n=6），測得n個觀測值xi，按貝賽爾公式計算實驗標準偏差，用s(x)表示。

本裝置的測量重復性采用回轉式衰減器作為被測件，對同一衰減量重復測量六次。頻率：f=9.7GHz

(1).功率電平：P=30dBm，測量10dB衰減量，測量數(shù)據如下：

xi

(dB)10.6210，10.6206，10.6205，10.6203，10.6202，10.6209

=10.6206dB，s(x)=0.0003dB(2).功率電平：P=60dBm，測量10dB衰減量，測量數(shù)據如下：

xi(dB)10.6268，10.6235，10.6215，10.6202，10.6152，10.6215

=10.6215dB，s(x)=0.0038dB

結論：測量重復性滿足小于2uc／3的要求。

55第五十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第六章衰減計量的測量不確定度分析

當我們建立計量標準時，要對標準裝置進行分析，并給出標準裝置的不確定度。我們用衰減測量裝置測量一個被測件，可以得到衰減量的測量結果,。為了說明該測量結果的可信程度，應該給出該測量結果的不確定度。也就是要分析對測量結果有明顯影響的因素，評定其標準不確定度，然后計算合成標準不確定度，最后確定其擴展不確定度。

56第五十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日

第一節(jié)衰減標準裝置的測量不確定度

衰減標準裝置的不確定度反映了標準的水平，它不應包括與被測件有關的不確定度分量，如所有的商品衰減測量儀器的技術指標不包括失配及被測件的重復性，但實驗驗證時又離不開使用被測件。因此，一般是選擇一個較為理想的被測件（重復性好，電壓駐波比小、分辨力高），用裝置對這樣的被測衰減器的測量結果來評價裝置的最佳測量能力。例如用重復性很好的被測衰減器時，在裝置上測得的重復性主要由裝置本身（如由信號源幅度不穩(wěn)定、標準衰減器的重復性、接收機噪聲、指示器不穩(wěn)定等因素）引起的。被測件的電壓駐波比很小時，失配引入的不確定度就可以忽略不計了。也就是說，在建標報告中應給出對一個性能較好的被測件的測量結果不確定度分析。57第五十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日應用舉例：[例]低中頻替代法衰減標準裝置不確定度分析與評定。標準裝置的測量范圍：0～80dB（1～18GHz）測量范圍端10dB和80dB，頻率3GHz和18GHz的不確定度分析和評定。1）

標準衰減器引入的標準不確定度u1

低中頻替代法所用的標準衰減器是感應分壓器。八位感應分壓器在10kHz頻率上分壓比的允許誤差極限為±5×10-6。經上級計量技術機構檢定，衰減的允許誤差極限為±0.0001dB（10dB），±0.0004dB（80dB），設為均勻分布，k=1.73