利用VM-7衰减校准系统实现微波阻抗参量测试

2012-07-14 07:57闫道广李健一

中国测试 2012年2期

闫道广，李健一

（92493部队，辽宁葫芦岛 125000）

0 引言

在微波技术领域中，任何微波系统中的微波电路都是由若干带有不同端口数的有源及无源器件组成，可以分别看成单口、双口或多口的微波网络。为了避免它们互连时会产生反射和驻波，通常希望将每个端口的输入阻抗设计成与它们所连接传输线的特性阻抗尽量相匹配。大功率传输电路中的阻抗失配会造成传输效率的降低、损耗增加、引起击穿和信号复杂化或降低测量准确度；因此，微波元器件及部件、分机等的失配程度及反射参量成为最受关注的技术指标[1-3]。

1 常用阻抗参量及测试方法

在高频及微波频段，阻抗参量已不能用低频带中应用的电阻、电感、电容、Q值等表征，高频段的电路传输线上的电压和电流不仅随时间而变，而且随空间改变，这就决定了阻抗也成了一个不固定的量。为此，在微波阻抗测试中不直接测量阻抗，而是测量其他便于直接测量的参量，如反射系数、电压驻波比等。传输线上任一点电压反射系数（reflection coefficient）定义为该点反射波电压与入射波电压之比值。反射系数直接表征传输线中的匹配状态或存在反射的大小，有明确的物理意义且可直接测量，是微波阻抗计量测试中的一个重要参量。反射系数是一个复数，常用符号Γ表示。在分布参数电路中，线上的入射波与反射波相互干涉形成驻波，电压驻波比（voltage standing wave ratio）定义为电压最大值与电压最小值之比，常用符号VSWR或S表示。电压驻波比是一个无量纲的量，它与反射系数有着确定的关系，如式（1）所示，早期的阻抗测试主要是解决驻波参量的测试[4-5]。

将反射系数模值以dB形式表示，即为回波损失（return loss），表示测试端面的入射波信号被反射的大小程度，其物理意义为所考虑的反射系数比全反射减少的分贝数，常用符号RL表示，有

驻波和反射测量的基本方法有开槽测量线法、反射计法和电桥法。开槽测量线是最早出现的驻波测量方法，它利用放置在开槽传输线段中的可移动探针，拾取开槽线段内的电场，从而测量传输线中的驻波大小。用开槽测量线法直接测量的参量是电压驻波比和驻波最小点位置，由测得的驻波参量通过换算可求得复反射系数、归一化阻抗等其他阻抗参量。反射计法和电桥法利用定向耦合器或对称混合接头直接测量反射系数，从而避免了开槽和探针移动时的耦合变化及探针加载效应带来的测量误差。并且反射计和对称混合接头电桥可以在点频上通过调配，达到开槽测量线无法实现的测量准确度。现代广泛使用的自动网络分析仪就是在扫频反射计和扫频驻波比电桥基础上发展起来的，它能在频率扫描期间直接测量入射波和反射波，可以在较宽频带内实现阻抗参量的扫频测量，阻抗结果可以用多种格式显示出来。

2 利用VM-7衰减校准系统实现阻抗参量测试

2.1 VM-7衰减校准系统介绍

VM-7衰减校准系统是美国Tegam公司出品的一套综合型测试系统，由VM-7衰减校准器和8852频率转换器配合微波信号源构成，主要用来实现0.01～18 GHz频段范围内各种微波器件的衰减量测试，衰减测量量程可达到100 dB以上，搭配计算机和IEEE-488总线系统及特定的测试软件即可实现自动测试。如果配合8853频率转换器，仅使用18 GHz以下的微波信号源就可将测试系统的频率范围拓展至0.01～40GHz。由于其具有动态范围大、频带宽、重复性好、可操作性强等优点，在国内微波衰减计量领域有着非常广泛的应用，不少实验室都是从早期的VM-3、VM-4等型号就开始应用，直到现在的VM-7系列[6-7]。

0.01 ～18 GHz频段的VM-7衰减校准系统原理如图1所示。为了保证衰减量测量的精度，一般在被测器件的两端分别接一个驻波系数比较小的隔离器，由于隔离器很难做到宽带，所以一般都采用隔离衰减器替代。根据测试频率的不同分别搭接8852频率转换器的0.01～2 GHz和2～18 GHz输入端口，当不接被测件时，调节VM-7衰减校准器使其指示归零，接上被测件后VM-7显示的就是被测件的实测衰减量，变换不同的频率点即可实现全频率范围的衰减量测试。

图1 VM-7衰减校准系统原理框图

图2 利用VM-7衰减校准系统实现微波阻抗常量测试原理框图

2.2 使用VM-7衰减校准系统进行阻抗参量测试

VM-7衰减校准系统主要用于微波衰减测量，通过对其实现原理和微波阻抗测试方法的研究，可以利用VM-7衰减校准器具有灵敏度高、动态范围宽等特点，实现微波阻抗参量的测试。具体实现原理如图2所示。在被测件的位置连接一个驻波比电桥，在电桥的测试端口分别连接开路器、短路器和被测件。

当驻波比电桥的测试端口上连接短路器时，传输的功率被全反射，驻波比电桥的输出端口分离出反射信号，此时将VM-7上衰减测量归零；将被测件接至驻波比电桥的测试端口，则部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，驻波比电桥的输出端口分离出反射信号，记录VM-7测得的衰减量值AdB1。

当驻波比电桥的测试端口上连接开路器时，传输的功率也全部被反射，驻波比电桥的输出端口分离出反射信号，此时将VM-7上衰减测量归零；将被测件接至驻波比电桥的测试端口，则部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，驻波比电桥的输出端口分离出反射信号，记录VM-7测得的衰减量值AdB2。

则被测件的回波损失为

测试端口分别接短路器、开路器，然后将所得的响应取平均，这样可消除方向性和测试端口看入系统的总失配（包括驻波比电桥测试端口失配和源失配两项）在校准过程中所引起的误差。

为了操作过程简便，亦可：当驻波比电桥的测试端口上连接短路器时，传输的功率被全反射，驻波比电桥的输出端口分离出反射信号，此时将VM-7上衰减测量归零；当驻波比电桥的测试端口上连接开路器时，理论上传输的功率也全部被反射，但实际中和连接短路器时的全反射程度会不尽相同，记录VM-7测得的衰减量值AdB3；将被测件接至驻波比电桥的测试端口，则部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，驻波比电桥的输出端口分离出反射信号，记录VM-7测得的衰减量值AdB4。

则被测件的回波损失为