微波測量方法

1、微波測量方法本文來自: 微網(wǎng)論壇 作者: huangfeihong88 日期: 前天 22:52 閱讀: 25 人 微波測量微波測量內容雖然很多，但是駐波測量、功率測量和頻率測量是微波中最常測量的三個基本參量，而其他的二級參量（如Q值、衰減、介電常數(shù)、鐵磁共振線寬H、阻抗等等）的測量都可以歸結到這三種基本參量的測量加以解決。 應該強調指出的是：“調節(jié)匹配”是微波測試中必不可少的概念和調整步驟，任何微波系統(tǒng)正式工作之前，都必須把微波線路中各個部分調到匹配狀態(tài)。匹配意味著微波系統(tǒng)處于這樣一種工作狀態(tài)：此時微波功率由信號向負載傳輸而不出現(xiàn)反射波（駐波比1）。為什么通?？傄盐⒉ㄏ到y(tǒng)調到良好

2、的匹配狀態(tài)呢？因為在微波傳輸系統(tǒng)中，存在駐波是不好的。駐波的存在表示信號源與負載未匹配好，能量不能有效地傳到負載去，使損耗增大；在大功率情況下，由于駐波的存在，在電場最大值處可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象；駐波的存在還會影響信號源的頻率穩(wěn)定，從而影響微波測量的精確度。 1駐波測量駐波測量是微波測量中最基本、最重要的項目之一。駐波測量可以判斷微波傳輸系統(tǒng)是否處于良好的匹配狀態(tài)，還可以測量波導波長、衰減、阻抗、諧振腔Q值、介電常數(shù)等等。下面介紹測量駐波的設備和方法。 駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強弱和分布的精密儀器，其簡單原理是：使探針在開槽傳輸線中移動，將一小部分功率耦合出來，經(jīng)過晶體二極管檢波后再由

3、指示器指示，從而看出在開槽線中電場的分布情況（相對強度）。 使用駐波測量線時要注意下列幾個問題：首先，使探針在開槽波導管內有適當?shù)拇┥於?。顯然，探針穿伸度過大，會影響開槽線內的場分布情況而產生誤差；穿伸度太小，又會降低測量的靈敏度。探針穿伸度一般取波導窄壁高度b的510%。其次，通過調諧裝置使測量線調諧。調諧的目的是消除探針插入測量線內引起的不匹配，并使探針感應的功率有效地送至檢波晶體管。其次，注意檢波晶體管的檢波律。檢波晶體管的檢波電流I與管端電壓V有關，而V與探針所在處的電場E成正比，I，E滿足關系式： ,其中1，n為常數(shù)。在小功率情況下，可以相當精確地認為n2，即平方律檢波。但在比較精確

4、的測量中，應該對檢波律進行校準。 駐波測量包括兩部分，即測定電場波腹和波節(jié)的振幅以及波節(jié)的位置。駐波測量的線路如圖R-23所示。           （1）小駐波比（1.0051.5）的測量在這種情況下，駐波波腹和波節(jié)都不尖銳，因此要多測幾個駐波波腹和波節(jié)，按下式計算的平均值： 當檢波晶體滿足平方律時， （2）中駐波比（1.510）的測量此時，只須測一個駐波波腹和一個駐波波節(jié)，按下式計算： 滿足平方律時 （3）大駐波比（>10）的測量如駐波比>10，波腹振幅與波節(jié)振幅的區(qū)別很大，測量線不能同時測量波腹的

5、波節(jié)，因此必須采用別的測量方法。這里只介紹一種方法二倍極小功率法。 將式（R-8）中的Ey簡寫為E，并稍加變化得 利用式（R-9）、（R-10）和上式，不難證明 參看圖R-24，以駐波波節(jié)為參考零點，把上式應用到距離波節(jié)為d處，得 當 時，由上式可推得 在大駐波比時， ，上式變成 使用平方律的檢波晶體管，利用探針測量極小點兩旁功率為極小點功率二倍的兩點的距離W（參看圖R-24，W2d）以及波導波長g，按下式計算駐波比： （4）波節(jié)位置和波導波長測定極小點的位置受探針影響極微，只要駐波測量器靈敏度夠高及極小點夠尖銳，一般很易測定。為了精確測定極小點的位置，可采用平均值法，亦即測極小點附近兩點（此

6、兩點在指示器的輸出相等）的距離坐標，然后取這兩點坐標的平均值，即得極小點坐標（如圖R-25所示）： 波導波長g可由兩個相鄰極小點的距離決定，因為       為了精確測定波導波長，實驗中可用平均值法測量三個相鄰波節(jié)的位置，在保證 的條件下，求平均決定g。2功率測量功率測量包括兩種方法：（1）相對測量（確定微波功率的相對大?。?；（2）絕對測量（確定微波功率的絕對值）。 在測量工作中常常需要檢察微波功率的存在或估計其相對大小，用來檢察微弱信號功率的靈敏指示器稱為檢波器。 借助于檢波晶體管的檢波電流，可以簡單地估計功率的大小。在小功率情況下，當檢波電流不超過5

7、10A時，檢波晶體管可以相當精確地假定為平方律檢波，亦即檢流計測得檢波電流I與微波功率P成正比：I0P，其中0為常量。遺憾的是，檢波晶體管的特性易隨時間而大大改變，并受到環(huán)境因素的強烈影響，要想精確地決定上式中的0是不可能的，所以不能用檢波晶體管來測量功率的絕對值，但是，這并不妨礙把檢波晶體管用來測量及指示以相對單位表示的功率。 當在晶體檢波接頭前面加一個精密可變衰減器時，在不知道檢波晶體管的特性曲線情況下，也可精確地測定相對功率值。這里，必須先介紹一下“衰減量”的定義。如果微波元件的輸入端功率為P1，輸出端功率為P2，則定義： 衰減量     (R-2

8、1) 當測量的微波輸入功率變化時，可調節(jié)精密衰減器的衰減量使檢波晶體管的檢波電流始終保持一個恒定值I0，由精密衰減器的衰減量的大小可精確地知道輸入功率的相對值。         圖R-26給出進行功率相對測量的線路，我們用它來測量微波器件的插入損耗Ain。如果檢波器的檢波晶體是平方律檢波的，它的檢波電流即表示相對功率。在微波器件未插入前，   調節(jié)測量線路的系統(tǒng)駐波比1.10，改變衰減器的衰減量，使晶體管的檢波電流為I0（例如I0100格），然后把微波器件插入，檢波器的檢波電流為I1，則微波器件的插入損耗為 Ain

9、=10log10（I0/I1）dB 如果用精密衰減器來測量微波器件的插入損耗，先記下在未插入微波器件時精密衰減器上的刻度l1（由精密衰減器的校準曲線可以查得此刻度所對應的衰減量A1）和檢波器的檢波電流I0。在插入器件后，檢波器的檢波電流變成I1，改變精密衰減器的衰減量，當指在刻度l2（對應的衰減量為A2）時，使檢波器的檢波電流恢復到I0，則微波器件的插入損耗為 AinA1A2 由于檢波器的檢波電流只作參考標準，所以測量的精度主要決定于精密衰減器的精度。  3頻率測量微波頻率的測量方法基本上有兩種：一是諧振腔法；一是頻率比較法。實際測量中主要使用諧振腔法，只有在作精密測量和校

10、準時才使用頻率比較法。 由于波長與頻率滿足c/f的關系式，因此頻率的測量和波長的測量是等效的。 諧振腔法的測量設備是諧振腔波長計，它的主要組成部分為諧振腔、輸入耦合、輸出耦合、檢察裝置和讀數(shù)裝置。圖R-27是圓柱諧振腔波長計。             諧振腔波長計可用兩種不同方法與微波系統(tǒng)連接：一種是傳輸型（最大讀數(shù)法）；另一種是吸收型（最小讀數(shù)法）。傳輸式諧振腔有兩個耦合元件，一個將能量從微波系統(tǒng)輸入諧振腔，另一個將能量從諧振腔輸出到指示器。當諧振腔調諧于待測頻率時，能量傳輸最大，指示器的讀數(shù)也最大，如圖R-28

11、（a）所示。吸收式波長計的諧振腔只有一個輸入端與能量傳輸線路相接，調諧是從能量傳輸線路接收端指示器讀數(shù)的降低看出，如圖R-28（b）所示。  諧振腔波長計的精確度（指測量誤差的絕對值與被測量的真實值之比，以百分比表示）約在1%至0.01%范圍。提高精確度的主要途徑是提高諧振腔的品質因數(shù)。因此諧振腔波長計都是使用高Q的諧振腔。射頻基礎知識提高射頻和微波測量的準確性本文來自: 微網(wǎng)論壇 作者: huangfeihong88 日期: 前天 22:34 閱讀: 20 人 射頻, 準確性, 微波測量, 基礎, 知識任何一個都位于信號發(fā)生器和分析儀之間，而連接和儀器之間的橋梁

12、就是測試附件或測試系統(tǒng)。千萬不要忽視這些測試附件，有條件時，最好能固化這些測試附件使之成為一個標準化的測量系統(tǒng)。儀器供應商在提供整機時，最多會提供到與儀器的最高工作頻率相符的測試電纜。而在真正的測試過程中，會遇到各種不同的情況而需要采用不同的附件，所有這些附件都會影響到測量結果的準確性，這就需要測試者對相關的測試附件有深入的了解。常用的測試附件也有路由器件和調控器件二大類。    選擇正確的測試電纜和連接器    在選擇測試系統(tǒng)中電纜的規(guī)格時，除了要考慮插入損耗和以外，電纜的穩(wěn)定性一定要好。在射頻和微波頻段，常用的電纜分為半剛性電纜，半柔性電纜和柔性編織

13、電纜等三種。    半剛性電纜    顧名思義，這種電纜不容易被輕易彎曲成型，其外導體是采用鋁管或者銅管制成，其射頻泄漏非常?。ㄐ∮冢?，在測試系統(tǒng)中造成的信號串擾可以忽略不計。這種電纜的無源互調特性也是非常理想的。如果要彎曲到某種形狀，需要專用的成型機或者手工的模具來完成。如此麻煩的加工工藝換來的是非常穩(wěn)定的性能，半剛性電纜采用固態(tài)的聚四氟乙烯材料作為填充介質，這種材料具有非常穩(wěn)定的溫度特性，尤其在高溫條件下，具有非常良好的相位穩(wěn)定性。由于固態(tài)聚四氟乙烯的介電常數(shù)較高，所以插入損耗也相對較大些，一種較好的替代材料是低密度的聚四氟乙烯，這種材料具有更低的介

14、電常數(shù)，因此具有更高的工作頻率，更低的插入損耗和。    半剛性電纜的成本高于半柔性電纜，在標準化的測試系統(tǒng)中被大量采用。    半柔性電纜    半柔性電纜是半剛性電纜的替代品，這種電纜的性能指標接近于半剛性電纜，而且可以手工成型。但是其穩(wěn)定性比半剛性電纜略差些，由于其可以很容易的成型，同樣的也容易變形，尤其在長期使用的情況下。    柔性（編織）電纜    柔性電纜是一種“測試級”的電纜。相對于半剛性和半柔性的電纜，柔性電纜的成本十分昂貴，這是因為柔性電纜在設計時要顧及的因素更多。柔性電纜要

15、易于多次彎曲而且還能保持性能，這是作為測試電纜的最基本要求。柔軟和良好的電指標是一對矛盾，也是導致造價昂貴的主要原因。    柔性電纜必須保持在彎曲條件下幅度和相位的穩(wěn)定。通常來說，單股內導體的電纜有利于幅度的穩(wěn)定；多股內導體的電纜有利于相位的穩(wěn)定，可見僅這二項指標就難以二全了。無論彎曲性能多好，電纜制造商總是不希望操作者在過度彎曲的情況下使用柔性測試電纜，通常推薦的彎曲半徑不應該小于電纜直徑的十倍。    柔性電纜的設計從某種程度上違背了低無源互調的設計原則，所以柔性電纜少有低無源互調型號的。此外，過度彎曲也會導致其無源互調指標的更加惡化。 

16、   為了便于彎曲，柔性電纜采用編織層作為外導體，在這種結構下，電磁波會從縫隙中泄漏出來，雖然有些高端的微波電纜測量采用箔狀材料作為外導體，其射頻泄漏指標仍然遠不如半剛性電纜，不過作為射頻和微波測量，到的泄漏指標已經(jīng)足夠了，大部分的微波電纜都可以做到這個水平。    為了降低電纜的插入損耗和提高截止頻率，高端的微波電纜幾乎都采用低密度的聚四氟乙烯介質，這也是影響電纜成本的原因之一。由于加工的原因，可以發(fā)現(xiàn)并不是每一批次出廠的電纜的介電常數(shù)都很穩(wěn)定。不過筆者認為，在選擇測試電纜時，并不需要一味的追求低損耗，因為測試電纜的損耗可以在測試的時候加以校準，很多儀器都有偏置

17、（）功能，可以直接將電纜的插入損耗輸入儀器，即使沒有，用人工方法也很容易的做到這一點。倒是有一點需要注意的，在寬帶或者自動化測試場合，電纜的頻響特性會直接影響到測試結果的幅度精度，有條件和必要時可以采用均衡技術加以補償。    要注意觀察接頭和電纜連接部位的工藝，這會影響到電纜的使用壽命。在這個部位，電纜和接頭之間有一個硬接觸點，很容易造成電纜的斷裂。這并不是簡單采用普通的熱縮套管就可以解決問題的。接頭的材料也是決定測試電纜壽命的主要因素，一般來說，采用銅外導體的接頭的使用壽命不如不銹鋼材料。在滿足力矩的前提下，前者的壽命是次，后者是次。這項指標的定義是在到了壽命后，接頭的出廠指標開始下降，而不是說這個接頭就要報廢了。正常情況下，電纜接頭的壽命要遠大于上述指標。    總的來說，柔性測試電纜的指標一定要好，選擇一條柔性測試電纜要從頻率，損耗，接頭材料，使用壽命，射頻泄漏，無源互調和成本等諸方面因素綜合考慮，而不是單純從價格來考慮。所幸的是，通過不斷的技術創(chuàng)新，現(xiàn)在已經(jīng)有低成本的微波測試電纜面世以滿足生產線大規(guī)模測試應用，詳情可以和本文作者直接聯(lián)系。