微波衰减与相移联测

陈建伟

（诸暨中学 浙江诸暨 311800）

微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在国防、工业、农业、通信方面有广泛应用，也成为发展尖端科学不可缺少的技术手段．在应用微波进行辅助检测时，主要对微波的传输参量——衰减和相移进行测量．

当微波通过传输元件或某些物质后，除了振幅发生变化外，同时还会发生相位的变化．而物质的某些非电参量，如煤粉的挥发份，茶叶、棉花的含水量等，不但影响微波的幅度，也影响微波的相位．因此，为了用微波测量法测这种物质的非电参量，就必须同时测出它们对微波的衰减和相移影响．衰减和相移的单独测量法很多，也比较简单．但是一般情况下，当微波通过被测样品时往往伴随着衰减和相移同时发生，如果分步测量，总会因为更换元件和重组装置而使实验条件和实验环境发生变化，造成两个测量值的不对应．为了能全面反映被测样品的实时信息，我们往往要求对衰减和相移进行同时、独立的测量，且又要求测量过程不影响被测值．经过研究和反复验证，选择用调制副载波和微波鉴相器相结合的方法是比较合适的．测量电路框图如图1所示．

图1 测量电路框图

首先把同一个微波信号源的输出用功率分配器（3 dB的定向耦合器）分成两个相互隔离的支路．上面较强的一路不加调制，称为载波通道，连接一个可变移相器（用来改变载波通道微波的相位）；下面较弱的一路称为副载波通道，其中安放一个幅度调制器，由一个稳定的音频信号源（1 k Hz）供给调制信号；将副载波加以调幅，然后通过被测样品．再把上下两路分别加入微波鉴相器的两端进行混频检波．（幅度调制是把微波信号采用频率转换技术，将它们线性转换到低频，然后进行替代测量．这样做的好处是低频信号容易处理，测量的精度、分辨率高，而且转换后的调制信号和载波信号在混频器上检波后恢复出来的频率为调制频率的低频信号，其幅度与加到检波器的副载波信号幅度成正比）

图2 微波鉴相器

微波鉴相器如图2所示，载波信号由魔T的H臂加入，同相等份的加到左右两个正交混频器的本振端，已被调制且通过样品的副载波信号由另一个魔T的E臂加入被反相等份的加入到左右两个混频器的信号端．由两个混频器分别进行混频式线性检波．（其中一路的精密移相器使加到两个混频器信号端的两路被测信号具有90°的相位差）

载波EC是一个恒定的矢量，副载波ESC是经过调制，并且通过被测样品，采集到样品信息，最后加入混频检波器的被测信号．根据文献［2］的推导，混频后得到的信号是含有调制频率ωm的低频信号m ESCcosωmt和直流成分（EC±ESC）．即

矢量图如图3所示．

则检波输出的最大低频电压em为

式中k为检波系数，m为调制系数，ESC为通过副载波通道到达检波器的信号．

图3

由此可见，检波输出低频信号幅度与ESC成正比．又因为ESC随被测样品而异，所以em中已经包含被测元件的微波传输参量信息，从而实现了在低频上的替代测量．对于混频器的检波而言，检波输出只靠图3中代表上下边频的两个小旋转矢量．载频直流成分（EC±ESC）不但不必要，而且保留下来还有某些不利之处．故在调制副载波系统中采用平衡调制器．将副载波调制器输出中的载频成分尽可能抑制掉，称为抑制副载波的双边带调制法．将通过被测样品的已抑制的调幅波信号与来自载波通道的本振信号混频后恢复出调制低频信号．抑制或压低调制副载波信号中的载频成分有一个重大好处，即可以更加有效地利用检波器线性段，从而扩大衰减测量的范围，减小非线性误差．

同理，因为加于右边混频器d2的副载波信号与加于d1的副载波信号相位相差90°，所以d2输出是幅度为mESCsinωφ的低频信号

因此，两个低频信号Ud1，Ud2不仅含有被测信号的幅度信息

同时也含有被测信号的相位信息

即只要把两个混频器的检波输出经过简单计算就可以对被测信号的幅度和相位进行同时、独立的测量．

测量前要进行最佳测量条件即最佳匹配状态的调节，先调节低频调制信号，使检波输出指示在适当数值（主要是考虑仪表的显示范围）．之后反复调节被测件两端的调配器，使输出最大；再调节载波通道移相器，使鉴相器中不含精密移相器的输出最大．然后调节鉴相器中的精密移相器，使该路输出为零．这样就保证了鉴相器中两路被测信号相位差为90°．此后不再改动精密移相器，调节载波通道的移相器使两路输出都有一定数值．

下面验证该实验的可行性和稳定性．

（1）用已知校准器作为被测元件，定量改变系统的相移量，验证相移测量的可行性和稳定性，测量数据如表1所示．

表1 相移测量数据

续表

（2）用精密衰减器作为被测元件，逐步改变系统的幅度值，验证衰减测量的可行性和稳定性．测量数据如表2所示．

表2 衰减测量的测量数据

由表可见，测量相对于已知被测值有一定的误差，但误差基本上在微波测量误差允许范围内．同时也可以看到，相移测量值相对于已知值偏小，这是一种系统误差，是由于精密移相器在相移作用过程中也有一定的衰减作用，并且是相移量越大，衰减量也越大．在实验过程中精密移相器的值在变小，所以衰减量也在变小，最后导致相移的测量值偏小．而衰减测量值基本上相对于已知被测值偏大，分析认为，这是一种系统误差．当幅度值减小时，原来被调整的匹配状态被逐步破坏，从而导致系统不匹配，实际衰减量增加，即测量值比精密衰减器衰减量要大．并且随着精密衰减器衰减量的增大，偏大量增大．这一点可以在计算中进行修正．

可见在微波测量的误差范围内，实验基本符合实际，说明实验基本可行．经过多次测量发现实验的稳定性和重复性都较好，用来定性检测或实时控制已经可以满足要求．

综上，这套采用调制副载波和微波鉴相器相结合的微波传输参量测量系统可以同时、独立的进行衰减和相移的测量．由于这套微波测量系统可以基本完成微波传输参量的全面测量，实际上它已构成一个完整的微波矢量网络分析仪．

1 张仲礼，周辉，钟海明．近代物理实验．长春：东北师范大学出版社，1992

2 汤世贤．微波测量．北京：北京理工大学出版社，1990

3 罗秉铎，刘重光．微波测湿实用技术．北京：电子工业出版社，1990

4 董树义．微波测量技术．北京：北京理工大学出版社，1990

5 朱明，等．微波电路．长沙：国防科技大学出版社，1994

6 邓绍范．微波电子线路．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988