利用VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)微波阻抗參量測試

閆道廣，李健一

（92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

在微波技術(shù)領(lǐng)域中，任何微波系統(tǒng)中的微波電路都是由若干帶有不同端口數(shù)的有源及無源器件組成，可以分別看成單口、雙口或多口的微波網(wǎng)絡(luò)。為了避免它們互連時會產(chǎn)生反射和駐波，通常希望將每個端口的輸入阻抗設(shè)計成與它們所連接傳輸線的特性阻抗盡量相匹配。大功率傳輸電路中的阻抗失配會造成傳輸效率的降低、損耗增加、引起擊穿和信號復(fù)雜化或降低測量準(zhǔn)確度；因此，微波元器件及部件、分機等的失配程度及反射參量成為最受關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)[1-3]。

1 常用阻抗參量及測試方法

在高頻及微波頻段，阻抗參量已不能用低頻帶中應(yīng)用的電阻、電感、電容、Q值等表征，高頻段的電路傳輸線上的電壓和電流不僅隨時間而變，而且隨空間改變，這就決定了阻抗也成了一個不固定的量。為此，在微波阻抗測試中不直接測量阻抗，而是測量其他便于直接測量的參量，如反射系數(shù)、電壓駐波比等。傳輸線上任一點電壓反射系數(shù)（reflection coefficient）定義為該點反射波電壓與入射波電壓之比值。反射系數(shù)直接表征傳輸線中的匹配狀態(tài)或存在反射的大小，有明確的物理意義且可直接測量，是微波阻抗計量測試中的一個重要參量。反射系數(shù)是一個復(fù)數(shù)，常用符號Γ表示。在分布參數(shù)電路中，線上的入射波與反射波相互干涉形成駐波，電壓駐波比（voltage standing wave ratio）定義為電壓最大值與電壓最小值之比，常用符號VSWR或S表示。電壓駐波比是一個無量綱的量，它與反射系數(shù)有著確定的關(guān)系，如式（1）所示，早期的阻抗測試主要是解決駐波參量的測試[4-5]。

將反射系數(shù)模值以dB形式表示，即為回波損失（return loss），表示測試端面的入射波信號被反射的大小程度，其物理意義為所考慮的反射系數(shù)比全反射減少的分貝數(shù)，常用符號RL表示，有

駐波和反射測量的基本方法有開槽測量線法、反射計法和電橋法。開槽測量線是最早出現(xiàn)的駐波測量方法，它利用放置在開槽傳輸線段中的可移動探針，拾取開槽線段內(nèi)的電場，從而測量傳輸線中的駐波大小。用開槽測量線法直接測量的參量是電壓駐波比和駐波最小點位置，由測得的駐波參量通過換算可求得復(fù)反射系數(shù)、歸一化阻抗等其他阻抗參量。反射計法和電橋法利用定向耦合器或?qū)ΨQ混合接頭直接測量反射系數(shù)，從而避免了開槽和探針移動時的耦合變化及探針加載效應(yīng)帶來的測量誤差。并且反射計和對稱混合接頭電橋可以在點頻上通過調(diào)配，達到開槽測量線無法實現(xiàn)的測量準(zhǔn)確度?，F(xiàn)代廣泛使用的自動網(wǎng)絡(luò)分析儀就是在掃頻反射計和掃頻駐波比電橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它能在頻率掃描期間直接測量入射波和反射波，可以在較寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗參量的掃頻測量，阻抗結(jié)果可以用多種格式顯示出來。

2 利用VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)阻抗參量測試

2.1 VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)介紹

VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)是美國Tegam公司出品的一套綜合型測試系統(tǒng)，由VM-7衰減校準(zhǔn)器和8852頻率轉(zhuǎn)換器配合微波信號源構(gòu)成，主要用來實現(xiàn)0.01～18 GHz頻段范圍內(nèi)各種微波器件的衰減量測試，衰減測量量程可達到100 dB以上，搭配計算機和IEEE-488總線系統(tǒng)及特定的測試軟件即可實現(xiàn)自動測試。如果配合8853頻率轉(zhuǎn)換器，僅使用18 GHz以下的微波信號源就可將測試系統(tǒng)的頻率范圍拓展至0.01～40GHz。由于其具有動態(tài)范圍大、頻帶寬、重復(fù)性好、可操作性強等優(yōu)點，在國內(nèi)微波衰減計量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，不少實驗室都是從早期的VM-3、VM-4等型號就開始應(yīng)用，直到現(xiàn)在的VM-7系列[6-7]。

0.01 ～18 GHz頻段的VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)原理如圖1所示。為了保證衰減量測量的精度，一般在被測器件的兩端分別接一個駐波系數(shù)比較小的隔離器，由于隔離器很難做到寬帶，所以一般都采用隔離衰減器替代。根據(jù)測試頻率的不同分別搭接8852頻率轉(zhuǎn)換器的0.01～2 GHz和2～18 GHz輸入端口，當(dāng)不接被測件時，調(diào)節(jié)VM-7衰減校準(zhǔn)器使其指示歸零，接上被測件后VM-7顯示的就是被測件的實測衰減量，變換不同的頻率點即可實現(xiàn)全頻率范圍的衰減量測試。

圖1 VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

圖2 利用VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)微波阻抗常量測試原理框圖

2.2 使用VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)進行阻抗參量測試

VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)主要用于微波衰減測量，通過對其實現(xiàn)原理和微波阻抗測試方法的研究，可以利用VM-7衰減校準(zhǔn)器具有靈敏度高、動態(tài)范圍寬等特點，實現(xiàn)微波阻抗參量的測試。具體實現(xiàn)原理如圖2所示。在被測件的位置連接一個駐波比電橋，在電橋的測試端口分別連接開路器、短路器和被測件。

當(dāng)駐波比電橋的測試端口上連接短路器時，傳輸?shù)墓β时蝗瓷洌v波比電橋的輸出端口分離出反射信號，此時將VM-7上衰減測量歸零；將被測件接至駐波比電橋的測試端口，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，記錄VM-7測得的衰減量值A(chǔ)dB1。

當(dāng)駐波比電橋的測試端口上連接開路器時，傳輸?shù)墓β室踩勘环瓷?，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，此時將VM-7上衰減測量歸零；將被測件接至駐波比電橋的測試端口，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，記錄VM-7測得的衰減量值A(chǔ)dB2。

則被測件的回波損失為

測試端口分別接短路器、開路器，然后將所得的響應(yīng)取平均，這樣可消除方向性和測試端口看入系統(tǒng)的總失配（包括駐波比電橋測試端口失配和源失配兩項）在校準(zhǔn)過程中所引起的誤差。

為了操作過程簡便，亦可：當(dāng)駐波比電橋的測試端口上連接短路器時，傳輸?shù)墓β时蝗瓷洌v波比電橋的輸出端口分離出反射信號，此時將VM-7上衰減測量歸零；當(dāng)駐波比電橋的測試端口上連接開路器時，理論上傳輸?shù)墓β室踩勘环瓷?，但實際中和連接短路器時的全反射程度會不盡相同，記錄VM-7測得的衰減量值A(chǔ)dB3；將被測件接至駐波比電橋的測試端口，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，記錄VM-7測得的衰減量值A(chǔ)dB4。

則被測件的回波損失為

相應(yīng)被測件的電壓駐波比可由式（1）導(dǎo)出，反射系數(shù)模值為

2.3 不確定度分析

本方案測量結(jié)果的不確定度來源及評定如表1所示。

表1 測量結(jié)果不確定度來源一覽表

合成不確定度為

擴展不確定度為

2.4 實測驗證

為驗證方案的可靠性，使用VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)、87A50-1駐波比電橋、22A50開路器/短路器等對29A50-1型20dB偏置（編號718038）進行了多次測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果比較一覽表

3 結(jié)束語

利用VM-7衰減校準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)微波阻抗參量測試是在充分開發(fā)現(xiàn)有儀器潛能的基礎(chǔ)上進行的，在現(xiàn)有的微波衰減自動測試軟件的基礎(chǔ)上稍作改動即可實現(xiàn)阻抗參數(shù)測試的自動控制，可操作性強，性能價格比高。

[1]馮新善.高頻、微波功率的計量測試[M].北京：中國計量出版社，1987.

[2]馮新善.無線電基本參量[M].北京：中國計量出版社，1987.

[3]閆道廣，朱軍，李健一.新型功率傳遞系統(tǒng)構(gòu)建方案研究[J].宇航計測技術(shù)，2008，28（5）：27-30.

[4]賈旭，胡同祥，常冬梅，等.高頻串聯(lián)替代法2cm微波衰減檢定裝置[J].國外電子測量技術(shù)，2003（2）：25-27.

[5]閆道廣，朱軍，王增浩，等.利用SYSTEMⅡ功率傳遞系統(tǒng)實現(xiàn)微波阻抗參量測試[J].計量技術(shù)，2004（2）：22-24.

[6]王增浩，史永彬，朱軍，等.利用低頻替代法實現(xiàn)在毫米波段衰減參數(shù)的自動測試[J].計量技術(shù)，2004（11）：21-22.

[7]國防科工委科技與質(zhì)量司.無線電電子學(xué)計量[M].北京：原子能出版社，2002.