提高扫频测量小驻波比准确度的方法*

毕文辉

(中国人民解放军92493部队89分队，辽宁葫芦岛 125000)

0 引言

电桥等扫频反射计在驻波比的测量中应用越来越广泛，并成功地实现了微波标量和矢量反射参量的宽带扫频测量。但扫频测量与点频测量不同，电桥等反射计的不完善性不能靠调配器来改善，因为，假设在某点频率上调配到最好情况，在较宽频带内的其他某些点上便会出现最坏情况，故方向性误差及失配误差等主要靠提高元件本身的宽带性能来使之减小。因此，对于方向性等指标固定的扫频反射计，测量小驻波比的准确度受到其方向性指标的限制，若要提高测量准确度就必须采用其他的方法，下面介绍两种精确测量1.2以下小驻波比的方法。

1 误差平均法

1.1 误差平均法的工作原理

误差平均法的基本原理是在测试端口与被测器件之间插入一段长度适当的标准空气线，当信号频率扫描时，由于“长线效应”，使来自被测器件的测试信号与原来无法分辨的误差信号之间产生很大的相位变化，因此得到的合成信号是如图1(a)所示的曲线A，快速变化的波纹是靠加标准空气线人为地引入的。当误差信号比测试信号小时，这个波纹图形就是误差信号。而在不加标准空气线的情况下，当信号频率扫描时，由于测试信号与误差信号在电路中的行程距离相差不大，所以，两个信号之间的相位差变化缓慢，得到的合成信号如图1(b)曲线C所示，图中虚线D为误差信号引起的误差极限范围。图1(a)中的曲线A就是以图1(b)中的曲线D为包络线的，只要“平均”掉代表误差的波纹，就可以得到真实的被测特性，如图1(a)中的曲线B所示。由于这一方法是对误差信号取平均，所以称为误差平均法。插入空气线的误差平均法用于测量过程中可消除方向性的误差信号，提高小驻波比测量准确度，测量准确度可由1dB改善到约0.1dB。此法适用于方向性的误差信号与被测反射信号接近、但比被测反射信号小的情况。例如，方向性为35dB，则方向性误差信号为0.0178，最小可测的反射信号应比0.0178大，例如为0.05左右，相应的最大可测回波损失为26dB左右。否则，分离出来的快变化波纹图形就不是方向性误差信号，而是被测反射信号了。

图1 采用和不采用误差平均法的同一测量结果

测试时，在测试端口接一段长度适当的标准空气线，空气线的另一个末端先接短路器，用误差平均法得到校准参考基线。然后，取下短路器，换接被测器件。由于测试端口与被测器件之间接入空气线后会产生“长线效应”，使方向性误差信号与被测反射信号之间的相位延迟增大。当测试频率扫描时，方向性误差信号和被测反射信号相互干涉，形成类似于图1(a)所示的快速变化的波纹图形，这就是加标准空气线后被“分离”出来可识别的方向性误差信号，只要“平均掉”这个波纹，就能得到所要求的被测反射值。

图2 对以分贝显示的波动求“平均”

应当指出，在标量网络分析仪(SNA)中，波纹图形的垂直显示是以dB为单位的，这给取“平均”带来一些麻烦，下面用具体例子加以说明。以被测反射信号Γ作为参考，如果方向性误差信号比被测反射信号低x=8dB，则该误差信号为10-x/20=0.3981。当二者同相时得到波纹的峰点，对应的dB数为20lg(1+0.3981)=+2.9108dB，即峰点比参考高2.9108dB。当两者反相时得到波纹的谷点，对应的dB数为20lg(1-0.3981)=-4.4096dB，即谷点比参考低4.4096dB。由图2可见，以dB显示的波纹图形的峰点和谷点，对参考线并不对称。如果像图中虚线所示那样根据图形目测取平均值，便会与参考线即真正的平均值有较大的偏差。不过，当谷点(或峰点)与对应的相邻峰点(或谷点)连线垂直距离小于3dB时，可用目测的平均线作为平均值，这时与真正平均值的偏差不会大于0.1dB。如果像图2所示那样，垂直距离大于3dB(图中垂直距离为2.9108+4.4096=7.3204dB)，那就要从事先按上述步骤制作好的表中(参考文献[6]第235页)，根据1±x=7.3204dB查得1+x=2.9108dB，即峰点比真正平均线高2.9108dB，然后，在波纹图形上从峰点往下降2.9108dB，由此得到的值作为精确的平均值。

1.2 误差平均法的测量步骤

1)按图3所示连接测量系统。在精密空气线末端先接校准用的短路器，用误差平均法建立校准的参考线。

图3 误差平均法测量系统图

2)取下精密空气线末端的短路器，换接被测器件。根据显示的波纹图形的峰谷距离的分贝数(1±x)，由参考文献[6]中查得1+x(或1-x)求取测量值。

3)根据测量结果按换算公式求得被测反射系数或驻波比。

1.3 误差平均法测量实例

某2GHz以上的同轴反射计电桥的方向性为-40dB，当测试回波损失LR=-30dB的同轴衰减器时，得到频率在4GHz附近的波形见图4所示。

图4 测试同轴衰减器(-30dB)回波损失在4GHz附近的波形

1.3.1 通常平均法

根据波纹图形的峰点(-27.65dB)和谷点(-30.30dB)可计算出4GHz频率点附近回波损失为：

则测量结果的相对误差为：

1.3.2 误差平均法

根据波纹图形的峰点和谷点可知峰谷之间的距离为5.65dB，由参考文献[6]查得1+x为2.39dB，则4GHz频率点附近回波损失为：

则测量结果的相对误差为：

根据上面的相对误差计算结果可以看出，误差平均法明显提高了测量结果的准确度。

在误差平均法中，精密空气线是测量中的参考阻抗标准器，因此，要求特性阻抗精确地等于50Ω。Wiltron公司提供的精密空气线，外导体内径公差为180μm，内导体外径公差为79μm，由此计算得到的特性阻抗Z0值精确到0.02%以内。精密空气线用作测试端口的一端没有介质支撑，因此，剩余驻波比很小，为l.002左右。但精密空气线的最大长度限制在30cm，因此，误差平均法适用频段的下限为2 GHz，频率更低会使“长线效应”不明显。

2 波纹提取法

在误差平均法中，被测反射信号的幅度比方向性误差信号大，因此，显示的波纹是误差信号。然而，如果被测器件的被测反射信号和方向性产生的误差信号具有几乎相同的幅度，那么分离两个信号就会遇到困难，无法知道显示的波纹究竟是哪个信号。这时，可用波纹提取法来测量。波纹提取法是在误差平均法的基础上，人为地引入一个偏置误差信号，它和方向性产生的误差信号合在一起，成为比被测反射信号大的误差信号。这样一来，与误差平均法的情况刚好相反，显示出来的波纹图形，肯定为被测反射信号。设法将这个波纹“提取”出来，就可求得所需要的被测反射值，波纹提取法的名称即由此而来。波纹提取法适用于测量0.05～0.003的小反射，即回波损失测量范围为26～30dB。

2.1 波纹提取法的工作原理

波纹提取法的测量系统与误差平均法的不同在于采用了四端口反射计电桥作为信号分离器件，并在电桥的参考端口上接了一个用于产生偏置误差信号的偏置终端，偏置终端具有相当大的反射，通常为0.1，即回波损失为20dB，它的值不需要已知，但随频率变化要求保持恒定。由于偏置误差信号比被测反射信号大20dB左右，因此，当测试频率扫描时，由于精密空气线的 “长线效应”产生的干涉波纹图形是小的被测反射信号。通过确定波纹峰—峰值幅度的dB数，就可按下述方法精确测定被测小驻波比。

首先要确定偏置误差信号对应的分贝数A，确定A的步骤与用误差平均法确定被测反射信号的分贝数相同，然后测量所显示波纹峰—峰值的分贝数，根据这个分贝数查表(参考文献[6])确定被测反射信号比偏置误差信号低的分贝数B。最后，得到被测回波损失：A+B。

2.2 波纹提取法测量实例

某2GHz以上的同轴反射计电桥的方向性为-40dB，当测试回波损失LR=-50dB的同轴衰减器时得到频率在11GHz附近的波形见图5所示。

图5 测试同轴衰减器(-50dB)回波损失在11GHz附近的波形

测得11GHz频率点上波纹图形平均扫迹线比较准参考线低20.1dB，即偏置误差信号A=20.1dB，而该频率上的波纹峰—峰值为0.47dB(-18.93+19.40=0.47)，从表(参考文献[6])中由1±x=0.47dB查得x=31dB，即被测反射信号比电桥偏置信号低31dB，亦即B=31dB，因此，被测同轴衰减器的回波损失是20.1+31=51.1dB，则测量结果的相对误差为：

由此可见，波纹提取法不仅能够测量-50dB的微小反射，而且测量结果的准确度可以达到±2%。

2.3 波纹提取法的优点

波纹提取法的优点是：1)测量不受灵敏度和方向性的限制。因为，50dB以上的小反射实际上是在比全反射低20dB的电平上进行测量的，而且，反射计电桥方向性产生的误差信号通过合并到偏置误差信号中已被取消。2)扫频显示的波纹是正比于被测反射的实时显示，因此，在调整被测器件时，只要观察波纹的变化就可知道调节的效果。然而，波纹提取法的最小可测反射系数受到精密空气线60dB剩余反射的限制。波纹技术允许在这个数值的6dB以内进行测量，也就是说，被测器件的最小可测回波损失为54dB。

3 结束语

误差平均法与波纹提取法是精确测量1.2以下小驻波比的常用方法，他们的适用频段下限均为2GHz。在2GHz以下的高频频段，为了扫频测量小驻波比，只有靠提高信号分离器件的方向性来实现，现在5MHz～2GHz的反射计电桥，在1GHz以下方向性可达到60dB，在1～2GHz已达到52dB。

[1] 毕文辉，张宏宇.标准空气线特性阻抗准确度的分析[J].计量与测试技术，2011，38(10)

[2] 田步宁，唐家明，杨德顺，等.三端口反射计的新研究[J].宇航计测技术，2000，20(3)

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[5] 阎润卿，李英惠.微波技术基础[M].北京：北京理工大学出版社，2001

[6] 汤世贤.微波测量[M].北京：国防工业出版社，1991

[7] 胡希平，李湘.微波阻抗与反射的计量测试[M].北京：中国计量出版社，1988