微波射頻組件常見參數(shù)和測量方法

董文

（山西銀河電子設(shè)備廠，太原 030013）

1 引言

微波射頻組件以廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，其中有一些常見的參數(shù)需要掌握其特性和正確的測試方法，才能得到更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

2 常見參數(shù)

2.1 S參數(shù)

S參數(shù)的理論模型見圖1。理想情況下，射頻信號a1進(jìn)入射頻器件后完全從b1出來，但在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線與射頻器件之間會(huì)存在一定程度的失配，導(dǎo)致少量信號從a2反射回來。

圖1 S參數(shù)的理論模型

S11=a2/a1，表示輸入端駐波比，描述該器件輸入端的匹配情況。S22=b2/b1，表示輸出端駐波比，描述該器件輸出端的匹配情況。S21=b1/a1，表示正向增益或插損，描述信號經(jīng)過該器件后被放大的倍數(shù)或衰減量。S12=a2/b2，表示反向隔離度，描述該器件輸出端的信號對輸入端的影響。

常用的S參數(shù)有兩個(gè)：S11和S21，S11表示回波損耗，理想值為1，代表信號完全通過。S21表示插入損耗，理想值是0，代表信號完全通過。

2.2 插入損耗（Insertion loss）

插入損耗簡稱插損，指組件置入系統(tǒng)后，對工作頻段信號引入的衰減。插入損耗以接收信號電平的對應(yīng)分貝（db）來表示。插損常見于射頻電纜、濾波器、耦合器等組件的參數(shù)中，是被測組件的重要特性，插損越小越好，表示信號盡可能多的通過組件。影響濾波器插損的因素除了腔數(shù)和帶寬外，還受單腔尺寸的影響。一般濾波器的單腔尺寸越大，工作中每個(gè)腔能夠儲(chǔ)存的能量越多，損耗越小[1]。

在工程應(yīng)用中，一般要求插入損耗在2dB以內(nèi)為比較理想的范圍。

測量插損的常用方法有：①利用頻譜分析儀和信號源測量。用信號源在系統(tǒng)的一端產(chǎn)生一個(gè)工作頻點(diǎn)的單頻信號，在系統(tǒng)另一端用頻譜分析儀分別記錄組件接入前后該頻點(diǎn)的信號電平峰值，兩次峰值的差值即為該組件的插損。②利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，只需連接被測組件，校準(zhǔn)相應(yīng)的接頭和頻率范圍，即可直接讀出S21，即該組件的插損。

2.3 駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）

駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比常見于多種微波射頻組件某一單端口的重要參數(shù)中，理想狀態(tài)下，駐波比等于1時(shí)，表示阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部通過，沒有能量的反射損耗；當(dāng)駐波比為無窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒有沒有通過。在S參數(shù)中，S11和S22分別表示輸入端和輸出端的駐波比。

在工程應(yīng)用中，一般要求駐波比在1.5以內(nèi)為比較理想的范圍。

測量駐波比的常用方法：利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以直接測量駐波比，測量時(shí)可以只進(jìn)行單端口連接。

2.4 3dB帶寬

3dB帶寬一般指在信號頻譜圖中指代功率譜密度的最高點(diǎn)下降到1/2時(shí)界定的頻率范圍，f0為中心頻率，波峰左右下降3dB所形成的矩形系數(shù)所占的矩形空間就是3dB帶寬。3dB帶寬常見于濾波器、上下混頻器等組件的參數(shù)中，反應(yīng)系統(tǒng)中寬帶信號可通過該組件的工作頻段范圍。

測量3dB帶寬的常用方法有：①利用信號源和頻譜分依稀測量。信號源產(chǎn)生掃頻信號，利用頻譜分析儀的跡線保持功能，記錄信號經(jīng)過被測組件后的軌跡，再用標(biāo)記點(diǎn)計(jì)算頻率差值。②利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，可直接測量讀取。

2.5 帶外抑制（out-of-band rejection）

帶外抑制是濾波器的重要參數(shù)，通常是指濾波器在工作頻段以外的頻點(diǎn)處對信號的衰減。濾波器的帶外抑制主要由腔數(shù)決定，腔數(shù)越多帶外抑制越好，同時(shí)插損也越大。帶外抑制常見于濾波器、上下混頻器等組件的參數(shù)中。

在工程應(yīng)用中，一般要求帶外抑制不大于-60dB為比較理想的范圍。

帶外抑制的測量方法：①利用信號源和頻譜分析儀測量。信號源產(chǎn)生掃頻信號，利用頻譜分析儀的跡線保持功能，記錄信號經(jīng)過被測組件后的軌跡，再用標(biāo)記點(diǎn)計(jì)算帶內(nèi)和帶外信號電平差值。②利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，可直接測量S21，設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)讀取差值即可。

2.6 相位噪聲（Phase noise）

相位噪聲是指系統(tǒng)（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機(jī)變化。它是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源（高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等）頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標(biāo)，隨著頻標(biāo)源性能的不斷改善，相應(yīng)噪聲量值越來越小，因而對相位噪聲譜的測量要求也越來越高。

相位噪聲好壞對通信系統(tǒng)有很大影響，尤其現(xiàn)代通信系統(tǒng)中狀態(tài)很多，頻道又很密集，并且不斷變換，所以對相噪的要求也愈來愈高。如果本振信號的相噪較差，會(huì)增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。相噪不好不僅增加誤碼率和影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機(jī)信道內(nèi)、外性能測量，相噪影響鄰近頻道選擇性。要求接收機(jī)選擇性越高，則相噪就必須更好，要求接收機(jī)靈敏度越高，相噪也必須更好。

在工程應(yīng)用中，一般要求相位噪聲為：偏移中心頻率±100Hz處不大于-70dBc/Hz，偏移中心頻率±1KHz處不大于-85dBc/Hz，偏移中心頻率±10KHz處不大于-90dBc/Hz，偏移中心頻率±100KHz處不大于-95dBc/Hz，上述幾點(diǎn)為比較理想的范圍。

相位噪聲的測量：利用頻譜分析儀，有專門的相位噪聲測試項(xiàng)，設(shè)置好相應(yīng)的頻率范圍和偏移區(qū)間后，可直接讀出相位噪聲的數(shù)值。

2.7 三階互調(diào)（third-order inter modulation signal）

不同頻率的電磁波在不均勻傳輸面上，會(huì)發(fā)生非線性混頻。若輸入信號的頻率為f1和f2，則發(fā)生混頻后，輸出信號除f1、f2外，還有 2f1-f2、2f2-f1、3f1-f2、3f2-f1等混頻信號。f1、f2的系數(shù)相加為3的稱為三階互調(diào)，系數(shù)相加為5的稱為五階互調(diào)，依次類推。其中，三階互調(diào)信號最強(qiáng)，最容易落在接收端頻段內(nèi)。三階互調(diào)也稱為三階交調(diào)，其示意圖見圖2。

圖2 三階交調(diào)示意圖

在工程應(yīng)用中，接收端天線接收到的信號很微弱，需要經(jīng)過放大器放大進(jìn)入接收機(jī)。這樣，互調(diào)信號也被放大進(jìn)入接收機(jī)。接收機(jī)非常敏感，即使是很小的電平都會(huì)對接收信號產(chǎn)生影響，因此需要嚴(yán)格控制互調(diào)信號特別是三階互調(diào)信號。三階互調(diào)常見于功率放大器的參數(shù)中，且與頻率間隔密切相關(guān)。

測量方法：利用信號源和頻譜分析儀，信號源產(chǎn)生工作頻段內(nèi)、一定頻率間隔的雙音信號，用頻譜分析儀標(biāo)記相應(yīng)測量點(diǎn)計(jì)算。有些型號的頻譜分析儀設(shè)置有三階互調(diào)測試項(xiàng)，其原理也是計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)差值。

3 注意要點(diǎn)

在微波射頻組件的工程應(yīng)用和實(shí)際測試中，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：①每次使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之前，必須先根據(jù)被測組件的接頭和工作頻率范圍，并選用相應(yīng)的校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，將測量誤差減小到最低。②在校準(zhǔn)時(shí)，盡可能多地把被測組件需要的連接電纜、轉(zhuǎn)接頭等帶入。③在測量功率放大器等大信號時(shí)，務(wù)必注意儀表的輸入功率范圍，必要時(shí)需增加衰減器以調(diào)整信號大小，避免大功率信號損壞儀表接收機(jī)。④設(shè)置信號源和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的脈沖信號功率大小在被測組件的合理工作范圍內(nèi)，避免損壞被測組件。⑤確保被測組件連接可靠，如SMA接頭，需使用磅數(shù)合適的力矩扳手固定。⑥出于安全性考慮，測試儀表、被測組件應(yīng)在加電測試前應(yīng)進(jìn)行檢查，確?？煽拷拥?。