天线驻波比的测量方法

天线驻波比的测量方法

提高小驻波比扫频测量精度的方法

出自：87全国微波会议论文集  作者：伍 捍 东

   摘要：在许多场合，人们需要进行小驻波比的扫频测量。一般的扫频测量装置在测量1.10～ ２范围的电压驻波比时，有较高的测量精度，而对于1.10以下的小驻波比的测量， 则由于定向器件的有限方向性以及其它误差源的影响，使测量精度明显下降。 本文在分析了一般扫频反射测量装置测量精度的基础上，列出了反射测量的 主要误差源，分别讨论了不同误差源对小驻波比测量精度的贡献，并将不同误差 源有可能产生的误差极限，尽可能地用简明精确的图表显现出来，接着就如何减小 测量误差，提高小驻波比测量能力和精度的方法进行了讨论。主要介绍了提高反射 校准精度的"开路／短路法"；提高小反射测量精度的"误差平均法"，以及测量极 小驻波的"放大反射法"。

Ⅰ一般扫频反射测量系统的误差源

    一般的扫频反射测量装置可以被表示为如图１所示的测试系统。

    对这样的扫频反射测量系统进行误差分析之后，可得到该系统的测试误差主要来源于：

    1.定向器件的有限方向性。

    2.测试端。

    3.信号源失配。

    4.测试端口加接驻波比不等于１的转换接头。

    5.替代标准精度不高。

    6.校准器件的精度不够高和校准方法不够完善。

    7.频谱不纯的信号。

    8.其它误差源。如涉及不同系统与方法的误差，音频替代系统大量程时检波器平方律误差（即检测非线性误差），噪声误差、电平漂移误差以及直接测量系统的统调误差等。

Ⅱ 各误差源对小驻波比测量精度的贡献

    1.定向器件方向性不足

    定向器件的方向性不足是一极重要的误差源，它相当于开槽测量线的剩余驻波比。在反射系统中，采用不同方向性的定向器件测量不同的回波损耗值时，有可能带来的误差极限由图２所示。

    从图２可以看出，当采用一只具有40dB方向性的定向器件测量30dB回波损耗值时，有最大可能误差为+3.302dB到-2.387dB。也就是30dB的回波损耗值可能被测出27.623dB～33.302dB，或者1.06的驻波比有可能被测出1.087～1.04之间的任意值。应当注意，测量一个等于定向器件方向性的回波损耗值，可能引起-6～+∞dB的误差。这就是为什么要求定向器件的方向性一般要大于被测回波损耗值10～15dB的原因。

    2.测试端口失配对测量误差的贡献

    测量端口的失配主要对２以上驻波比的测量产生误差，并在测量全反射时达到最大。在小驻波比的测量中可不予考虑。测试端口的失配对测试误差的贡献也可由２给出。

    3.信号源失配对测量误差的贡献

    在扫频反射测量装置中，定向取样器件输入端口与测试端口之间的插入衰减与信号源的失配一起对测量误差作出贡献。设定向器件输入端口与测试端口之间的插入衰减为Ｔst（dB），则当Ｔst值小于10dB时，信号源的失配对反射测量精度会产生较大影响。若将信号源的失配用回波损耗值ＬRG来表示，则信号源失配对未知回波损耗值测量的最大可能误差可由图３给出。

    4.在测试端口加接转换接头的影响

    在测试端口加接转换接头，在小驻波比的扫频测量中一般是不允许的。在实际测量中，有时需要在测试端口加接转换接头以改换不同的极性或不同的连接型式。但是在小驻波比的扫频测量中，转换接头的引入会带来较大的测量不确定性。这一点，往往未被引起重视。转换接头的引入，将从两个方面降低测量精度。一是转换接头反射降低定向器件的原有高方向性。参见图2和图4，一只驻波比为1.05的接头可使定向器件的方向性从40dB降到20dB。二是使测试端口的匹配状态变坏。在图４的例子中，测试端口的失配驻波从1.10上升到1.17。

    假设用图４中的例子，在加和不加接头的两种情况下去测量一个26dB的待测回波损耗，测量不确定性从原来的0.51dB扩大到14.34dB。增加了10.83dB，参见表一。可见，在小驻波比的扫频测量中，切忌加接任何的转换接头。

    5.替代误差

    替代用的标准衰减器，无论采用高频，中频还是音频替代都必须具有足够高的精度。因为替代标准的精度△Ａ（dB）是直接加在回波损耗测量上的。从相对误差的观点来讲，替代精度△Ａ为定值时，对大回波损耗即小驻比的测量影响相对地小。

    6.校准器件的选用与校准误差

    反射测量的校准常采用短路器、开路器、滑动短路器和标准失配负载等作校准器件。这些校准器件的精度△ＬＡ（dB）与替代误差一样，是直接迭加在回波损耗测量值上。例如，常用的短路器具有＞50的电压驻波比，以此作为0dB回波损耗标准时，其直接迭加的测量误差为0.348dB。当采用驻波比为Ｓ＝1.20±0.02的标准失配负载作为校准器件时，会有±0.83dB的校准误差。

    对于小驻波比的扫频测量，采用何种校准器件为好，分析是较为复杂的，下面以表二形式分别给出采用驻波比＞50的短路器的驻波比＝1.20±0.02的标准失配负载作为校准器件时，测量1.06的驻波比有可能产生的各项误差极限。

    7.频谱不纯的信号对测试的影响

    在扫频反射测量系统中，由于宽带检波器件的应用，信号频谱不纯会影响测试精度。常用的扫频信号源，其寄生频率分量要比谐波频率分量小得多，本文所讨论的谐波误差，结果同样适用于寄生振荡。

    由谐波引起的误差是难以限制的，这是因为谐波与信号是相关的。对于强频率特性的器件来说，谐波的影响最为敏感。如测量带通和低通滤波器的回波损耗时就是这样。在滤波的通带内，信号的反射性能是滤波器的特性指标。而与信号相关的谐波，其频谱则是在通带之外，故谐波是全反射的。图５表示了测量一只低通滤波器回波损耗的例子，在这个例子中谐波低于信号20dB，却可以引起直到6dB的误差。在图６中则表示了二次谐波引起的误差极限。

    由图可以看出，谐波频谱的存在，对小驻波比测量精度的影响是很大的。为减少这一误差，必须控制谐波分量小于被测信号20dB以上，通常是在信号源的输出端串接一只性能良好的低通滤波器。

    由以上分析可知，小驻波比的扫频波量精度受到多种误差源的影响，在架设系统时应参考图２至图６，表一和表二所及内容。

    进一步提高小驻波比扫频测量精度的能力，还可以采用下文介绍的三种方法。

Ⅲ 用"开路／短路法"提高校准精度

    在采用短路器作为0dB回波损耗标准时，由于信号源失配和测试端口失配，会引起较大的校准误差。这一误差表现为0dB校准值不是一直线，而是一波浪型曲线。采用开路、短路取平均值的方法，可以减少其影响。

    参见图７，在用短路器校准曲线时获得如图中实线所示的校准曲线，而用开路器校准时，因开路反射信号与短路时相位相差180°故校准曲线如图中虚线所示。二者平均后，非常接近于真正的全反射校准电平，故而提高了校准精度。

    由于开路波导具有参量辐射，因此，有波导系统，"开路／短路法"是用滑动短路面来实现的。校准时，短路面位置应至少滑动最低频率的1／4导内波长。在任一频率上，取其变化的平均值作为全反射校准。

Ⅳ 用"误差平均法"提高小反射测量精度

     "误差平均法"是利用改变被测反射信号与定向器件的方向性信号之间的相位变化速率，从检测信号中分离开被测反射信号，从而提高小反射测量的精度。

    方法是在定向器件测试端口与被测件之间插入一段长度适当的精密传输线（参见图８）则由于"长线效应"，使被测反射信号与定向器件方向性信号之间的相位变化大大增加，因而使被测反射信号产生了明显的波动，对此波动取平均值后，便可精确地得到被测反射的大小，提高了小反射测量的精度。

    应当注意，"误差平均法"只适于测量大于定向器件方向性信号约3dB以上的小反射。而当测量信号小于方向性时，情况正相反，取波动平均的结果，不是测量信号而是方向性信号。

Ⅴ"放大反射法"测量小至1.005的极小反射

    "放大反射法"测量系统的布置与"放大反射法"相类似（参见图9），所不同的是在定向器件的测试端口，或在四口电桥的参考端口引入了一个参考反射Γr。Γr的量值通常是0.1或0.2左右的反射，且要求Γr应基本是不随频率的变化而变化。而对于Γr的具体数值并不要求事先知道。

    被测未知反射经过"长线"之后与Γr 矢量迭加。由于二者之间相位变化很快，迭加后产生上下波动的图形，波动的幅度大小即代表了被测未知反射的大小。

    由于扫频信号源的输出信号是扫频的，且设为锯齿波产生的线性调频信号，故在定向器件的检波输出端，除存在第一路调频信号fr（图９中实线所示）外，还存在第二路调频信号fx（虚线所示）。fx比fr多走了2L，因而它比fr滞后了一个时间td，td＝2L-Ｖ。由于这个时间延迟，使得到达检波器的两路信号在频率上总是相差一个频率fd（指在扫描过程中）。双设信号源的扫描周期为Ｔ＝１─fs，在每个扫描周期内，调频所产生的扫频宽度（双向频偏）为2△f，于是如图９所示，显然具有下列比例关系，

    而每次扫描所包含的波动周期数，即示波器屏幕上所看到的差频曲线的周期数为：

   这里 fs─信号源的扫描频率： Ｖ─调制信息的传播速度，即群速，

    Ｃ─光速；fo─扫频信号的中心频率； fc─波导的截止频率。

    n越大，要求Ｌ也就越长，n太小，又使相对的分辨力下降。通常n选在20以上。

    以频率为fb的波动图形的幅度，反映了Γx与Γr的相对大小。如果测出波动幅度△dB为0.44dB，Γr为0.1，则由矢量分离表（附录篇）可查出，Γx／Γr（dB）为32dB。  

    于是：ＬRX＝ＬRr＋Γx／Γr（dB）＝20＋32＝52dB

    即被测反射Γx为0.003，被测驻波比为1.005。

    参考反射Γr的产生，可以是在长波导或同轴线的始端设置一个截面尺寸突变的台阶，然后渐渐恢复到原来尺寸，使产生一定的反射│Γr│。或在均和长波导的始端放入一个钢珠，用外部磁铁把它附吸波导宽壁中央附近，以产生│Γr│的反射，其│Γr│值可由钢珠的大小与位置来控制"用这一方法获得的│Γr│也具有较好的频率响应"。

    在同轴频段，还有一种四口比较电桥。该电桥比普通三口电桥多了一个参考端口。并在该端口安了一个"偏置"终端──是一个"能产生所需要的，随频率变化相对恒定的"反射终端，反射损耗通常为20dB。由于电桥本身具有高性能，且在它的内部不存在其它不希望有的明显反射源，因此，电桥的有效方向性转化为"偏置"特性，即变为20dB。也就是Γr＝0.1。

Ⅵ 结 束 语

    小驻波比的扫频测量与大驻波比的扫频测量一样，也是一个特殊的测量问题，在一般的扫频反射测量中，要求被测量回波损耗ＬR小于定向器件方向性Ｄ10～15dB。对于40dB方向性器件来说，其ＬR测量范围在10～30dB。而误差平均法反射测量，只要求被捕测回波损耗ＬR小于方向性Ｄ3dB以上，其ＬR测量范围在25～40dB。放大反射法则是一反要求ＬR＜Ｄ的常规，要求方向性Ｄ小于ＬR10～30dB。放大反射法的测量范围在30～52dB。参见表四。

Ⅶ 参 考 资 料

  1、WILTRON CATALOG 1978

  2、伍捍东，"常用微波扫频测量试系统与方法"1983年10月

  3、PELER LACY SILLIAM OLDFIELD,"APRECISION SWEPT REFLECTOMETER"，MICROWAVE JOURNAL、APRIL、1973。