利用VM-7衰減校準系統實現微波阻抗參量測試

閆道廣，李健一

（92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

在微波技術領域中，任何微波系統中的微波電路都是由若干帶有不同端口數的有源及無源器件組成，可以分別看成單口、雙口或多口的微波網絡。為了避免它們互連時會產生反射和駐波，通常希望將每個端口的輸入阻抗設計成與它們所連接傳輸線的特性阻抗盡量相匹配。大功率傳輸電路中的阻抗失配會造成傳輸效率的降低、損耗增加、引起擊穿和信號復雜化或降低測量準確度；因此，微波元器件及部件、分機等的失配程度及反射參量成為最受關注的技術指標[1-3]。

1 常用阻抗參量及測試方法

在高頻及微波頻段，阻抗參量已不能用低頻帶中應用的電阻、電感、電容、Q值等表征，高頻段的電路傳輸線上的電壓和電流不僅隨時間而變，而且隨空間改變，這就決定了阻抗也成了一個不固定的量。為此，在微波阻抗測試中不直接測量阻抗，而是測量其他便于直接測量的參量，如反射系數、電壓駐波比等。傳輸線上任一點電壓反射系數（reflection coefficient）定義為該點反射波電壓與入射波電壓之比值。反射系數直接表征傳輸線中的匹配狀態或存在反射的大小，有明確的物理意義且可直接測量，是微波阻抗計量測試中的一個重要參量。反射系數是一個復數，常用符號Γ表示。在分布參數電路中，線上的入射波與反射波相互干涉形成駐波，電壓駐波比（voltage standing wave ratio）定義為電壓最大值與電壓最小值之比，常用符號VSWR或S表示。電壓駐波比是一個無量綱的量，它與反射系數有著確定的關系，如式（1）所示，早期的阻抗測試主要是解決駐波參量的測試[4-5]。

將反射系數模值以dB形式表示，即為回波損失（return loss），表示測試端面的入射波信號被反射的大小程度，其物理意義為所考慮的反射系數比全反射減少的分貝數，常用符號RL表示，有

駐波和反射測量的基本方法有開槽測量線法、反射計法和電橋法。開槽測量線是最早出現的駐波測量方法，它利用放置在開槽傳輸線段中的可移動探針，拾取開槽線段內的電場，從而測量傳輸線中的駐波大小。用開槽測量線法直接測量的參量是電壓駐波比和駐波最小點位置，由測得的駐波參量通過換算可求得復反射系數、歸一化阻抗等其他阻抗參量。反射計法和電橋法利用定向耦合器或對稱混合接頭直接測量反射系數，從而避免了開槽和探針移動時的耦合變化及探針加載效應帶來的測量誤差。并且反射計和對稱混合接頭電橋可以在點頻上通過調配，達到開槽測量線無法實現的測量準確度。現代廣泛使用的自動網絡分析儀就是在掃頻反射計和掃頻駐波比電橋基礎上發展起來的，它能在頻率掃描期間直接測量入射波和反射波，可以在較寬頻帶內實現阻抗參量的掃頻測量，阻抗結果可以用多種格式顯示出來。

2 利用VM-7衰減校準系統實現阻抗參量測試

2.1 VM-7衰減校準系統介紹

VM-7衰減校準系統是美國Tegam公司出品的一套綜合型測試系統，由VM-7衰減校準器和8852頻率轉換器配合微波信號源構成，主要用來實現0.01～18 GHz頻段范圍內各種微波器件的衰減量測試，衰減測量量程可達到100 dB以上，搭配計算機和IEEE-488總線系統及特定的測試軟件即可實現自動測試。如果配合8853頻率轉換器，僅使用18 GHz以下的微波信號源就可將測試系統的頻率范圍拓展至0.01～40GHz。由于其具有動態范圍大、頻帶寬、重復性好、可操作性強等優點，在國內微波衰減計量領域有著非常廣泛的應用，不少實驗室都是從早期的VM-3、VM-4等型號就開始應用，直到現在的VM-7系列[6-7]。

0.01 ～18 GHz頻段的VM-7衰減校準系統原理如圖1所示。為了保證衰減量測量的精度，一般在被測器件的兩端分別接一個駐波系數比較小的隔離器，由于隔離器很難做到寬帶，所以一般都采用隔離衰減器替代。根據測試頻率的不同分別搭接8852頻率轉換器的0.01～2 GHz和2～18 GHz輸入端口，當不接被測件時，調節VM-7衰減校準器使其指示歸零，接上被測件后VM-7顯示的就是被測件的實測衰減量，變換不同的頻率點即可實現全頻率范圍的衰減量測試。

圖1 VM-7衰減校準系統原理框圖

圖2 利用VM-7衰減校準系統實現微波阻抗常量測試原理框圖

2.2 使用VM-7衰減校準系統進行阻抗參量測試

VM-7衰減校準系統主要用于微波衰減測量，通過對其實現原理和微波阻抗測試方法的研究，可以利用VM-7衰減校準器具有靈敏度高、動態范圍寬等特點，實現微波阻抗參量的測試。具體實現原理如圖2所示。在被測件的位置連接一個駐波比電橋，在電橋的測試端口分別連接開路器、短路器和被測件。

當駐波比電橋的測試端口上連接短路器時，傳輸的功率被全反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，此時將VM-7上衰減測量歸零；將被測件接至駐波比電橋的測試端口，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，記錄VM-7測得的衰減量值AdB1。

當駐波比電橋的測試端口上連接開路器時，傳輸的功率也全部被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，此時將VM-7上衰減測量歸零；將被測件接至駐波比電橋的測試端口，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，記錄VM-7測得的衰減量值AdB2。

則被測件的回波損失為

測試端口分別接短路器、開路器，然后將所得的響應取平均，這樣可消除方向性和測試端口看入系統的總失配（包括駐波比電橋測試端口失配和源失配兩項）在校準過程中所引起的誤差。

為了操作過程簡便，亦可：當駐波比電橋的測試端口上連接短路器時，傳輸的功率被全反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，此時將VM-7上衰減測量歸零；當駐波比電橋的測試端口上連接開路器時，理論上傳輸的功率也全部被反射，但實際中和連接短路器時的全反射程度會不盡相同，記錄VM-7測得的衰減量值AdB3；將被測件接至駐波比電橋的測試端口，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射，駐波比電橋的輸出端口分離出反射信號，記錄VM-7測得的衰減量值AdB4。

則被測件的回波損失為

相應被測件的電壓駐波比可由式（1）導出，反射系數模值為

2.3 不確定度分析

本方案測量結果的不確定度來源及評定如表1所示。

表1 測量結果不確定度來源一覽表

合成不確定度為

擴展不確定度為

2.4 實測驗證

為驗證方案的可靠性，使用VM-7衰減校準系統、87A50-1駐波比電橋、22A50開路器/短路器等對29A50-1型20dB偏置（編號718038）進行了多次測試，測試結果如表2所示。

表2 測試結果比較一覽表

3 結束語

利用VM-7衰減校準系統實現微波阻抗參量測試是在充分開發現有儀器潛能的基礎上進行的，在現有的微波衰減自動測試軟件的基礎上稍作改動即可實現阻抗參數測試的自動控制，可操作性強，性能價格比高。

[1]馮新善.高頻、微波功率的計量測試[M].北京：中國計量出版社，1987.

[2]馮新善.無線電基本參量[M].北京：中國計量出版社，1987.

[3]閆道廣，朱軍，李健一.新型功率傳遞系統構建方案研究[J].宇航計測技術，2008，28（5）：27-30.

[4]賈旭，胡同祥，常冬梅，等.高頻串聯替代法2cm微波衰減檢定裝置[J].國外電子測量技術，2003（2）：25-27.

[5]閆道廣，朱軍，王增浩，等.利用SYSTEMⅡ功率傳遞系統實現微波阻抗參量測試[J].計量技術，2004（2）：22-24.

[6]王增浩，史永彬，朱軍，等.利用低頻替代法實現在毫米波段衰減參數的自動測試[J].計量技術，2004（11）：21-22.

[7]國防科工委科技與質量司.無線電電子學計量[M].北京：原子能出版社，2002.