射频测量基本原理

在射频测试中，人们把待测件看成是个射频网络。这里所指的网络是指一个盒子,不管大小如何,中间装的什么,我们并不一定知道,它只要是对外接有一个同轴连接器,我们就称其为单端口网络(习惯上又叫负载ZL),它上面若装有两个同轴连接器则称为两端口网络。

一、单端口网络的测试

最简单的单端口网络为负载，口上为连接器，后面接一个无感电阻。复杂的可能是个天线的入口。单端口网络的对外参数只有一个反射系数Γ，其他参数如回损、驻波比与阻抗，皆可由其导出。最常用的测反射系数的器件为反射电桥。

1.反射电桥

反射电桥又称电桥反射计或定向电桥，它不过是测反射系数的传感头。它只能测反射并不能测入射。由于它的输出正比于反射系数，因此取名反射电桥是非常恰当的。有人称为驻波电桥，其实驻波电桥只适于那种在里面已装入检波二极管，因而只有幅度信息没有相位信息的电桥。

(1)基本原理

原理图与惠司顿电桥完全相同，只不过结构尺寸改小适于高频连接，并且不再想法调平衡，而是直接取出误差电压而已。

如图所示，除非ZX= Z0否则a、b两点间是有误差电压Vab的。输出正比于反射系数。反射电桥的名称也由此而来。

(2)电桥的基本性能参数

定向性：在电桥测试端口经开短路校正后呈一根水平线，在接上精密负载后，光点应下降，其dB值即定向性。定向性有35dB就不错了，对一般测量绰绰有余；要求高时，要用精密负载校零反射，校后有效定向性即与负载的回损值相当。

测试端口反射：这是指由测试端口向电桥内部看去是否匹配的一个指标，这个指标作到20dB(回损)左右就不错了。这个指标主要影响大反射的测量，而通常主要是测小反射，因此影响不算大，要求高时可加作三项校正校掉。

插入损耗：输入端与测试端间的插损在6dB左右，而输入端与输出端的插损理论值为12dB。

(3)注意事项：这种桥很易损坏，主要是插头超差所引起，这里面有个L-16与N型的问题，虽然已于1990年2月1日宣布国标连接器也采用N型。但实际上L-16仍在大量应用，这样造成若用N型作桥，则L-16插上将损坏电桥，而按L-16作桥则螺纹不对，而且缝太大，对高频不利。

2.三项校正

由于组成仪器的各个功能块由于组成仪器的各个功能块（包括反射电桥）并不理想，为了提高仪器准确度，就有个校正问题。在对单端口网络进行测试时，要作三项校正。

(1)、开路校正

开路校正的实质就是校Γ=1的这一点，频率不高（如2GHz以下）时，只要电桥测试口空着即可。频率高或对相位要求高时，最好接上开路器进行开路校正。

(2)、短路校正

短路校正的实质就是校Γ=-1的这一点，只要在电桥测试口接上短路器进行短路校正即可。

(3)、校零

校零的实质就是校Γ= 0的这一点，当电桥定向性不到30dB时，或测较小的反射时，需要进行校零。在电桥测试口接上精密负载，即可进行校零；精密负载的回损在使用频段内应优于40dB。

3.驻波测量中几个实际问题

⑴ 仪器不是没有误差的

一个待测件在两台仪器上测出的数据是不会完全相同的，因为每台仪器都有一定的误差，那么差多少是合理的呢？这就要作误差估计了。对于一个定向性为40dB的电桥来说，表示入射到反射的漏过信号为0.01，这也就是不确定度的大小；设待测件的的反射为Γ，则读出的反射将为两者的矢量和，由于两者之间的相位可为任何值，其后果是：

Γmax=|Γ|+0.01, Γmin=|Γ|-0.01，即Γ值起伏±0.01。

若定向性为30dB,则Γ值起伏±0.0316。由此也可算出驻波比值的范围或回损值的范围。

在三项校正中，这个定向性不足引入的误差，可由精密负载来校零（也有称校匹配的），其实质是以负载的反射为零。这在1GHz以下还是办得到的，而实际上负载也是有反射的。假如负载也是40dB，那校不校也就无所谓了。假如负载劣于40dB，那反而校坏了。作为工程应用，不宜提出过高要求。矛盾出在有时某一产品在这台仪器上合格而在另一台仪器上不合格，但有时又反过来。这时的实质是产品作得太临界。产品指标一定要留有余地，否则这种矛盾永远存在，靠换仪器来使产品过关只是权宜之计。总之对仪器的误差范围要有所了解，射频器的误差总是比低频仪器的误差大些的。

⑵.注意防止电缆出问题

实际测量中要防止电缆出问题。不是实在必要，不宜通过电缆来进行测试，否则电缆的不完善将影响测试精度。作为测试电缆必须经过检验，其回损优于30dB为宜。随便找一根电缆可能只有十几个dB那是不行的。电缆不好能否进行三项校正来提高精度呢?原则上是可以的。

即使作为连接电缆，也常因接触不良与开短路现象造成仪器不能正常工作，通常以为是仪器故障，其实多半是电缆出了问题。

二、两端口网络的测试

两端口网络的品种很多，最常用的就是两端装有连接器的一段电缆，通常用的为连接电缆，测试用的为测试电缆。其他还有衰减器、放大器等等。

两端口网络的外部特性，要用四个参数才能完全表示。一般只测两个参数已足，若超过两个，对于普及型仪器只好掉头进行测试。

对于无源器件，这两个参数即回损与插损。当两端口网络的出口端接上精密负载后，测其入端回损时。测试原理及方法与单端口网络完全相同，不再重复。下面主要介绍插损测试问题。对于放大器，主要的参数为增益，而仪器中测增益是利用衰减器将增益抵消后形成的插损折算后得到的。因此对仪器内部而言，仍然是在测插损。

1.插损测试

在一传输线系统中, 通常都会提出整个系统的插入损耗(简称插损或IL)不得大于某一规定值的要求, 若系统不止一个器件, 则每一个器件(一般为两端口网络)也都有各自的插损指标,因此测插损是经常碰到的一个很实际的问题。

通常的作法是采用替代法, 先将网络分析仪的输出端与输入端间, 用两根电缆经过一个短的转接器(一般为双阴或双阳)连接起来校直通, 然后将转接器去掉接入待测件即可测出插损。但是测试值有时偏大, 有时偏小, 甚至出现放大现象, 这在测小插损时经常会碰到, 尤其是测较长电缆时，会出现起伏较大且较多的现象。

失配对测试的影响：上面提到的替代法, 是通过串入待测件后入口收到的信号变小后来算出插损的。假如整个系统(即源出口, 两根电缆, 转接器, 入口)是理想匹配的, 则测出的损耗是对的。 但是理想匹配这个前提只在较低频率下存在, 而一般情况下是不理想的, 也就是说测试系统中有多处反射存在。入口的信号(除了入射的经过插损的信号外,还有反射信号)将随着各信号的叠加或相消而起伏。

在一般情况下，插损为1-|Γ|2,式中Γ应理解为ΓΣ，由此算出的起伏范围见表：

系统回损 （dB)

10

15

20

25

30

测试误差 (±dB)

1.74

0.55

0.18

0.054

0.017

系统回损是指待测件向两端看去的回损。表中±号暂不去管它, 因为测试误差是指衰减还是指信号说法相反, 我们只要知道影响的范围即可。为了减少测试误差, 就要想法改善各器件的失配或者测出各端口的等效网络参数进行修正,常称全端口校正(如12项校正或TRL校正)。

2.散射参量简介

在射频电路中，一个两端口网络的特性，可用4个散射参量完全表示出来。两个端口中，1表示输入端口，2表示输出端口。

S11为网络本身在端口1引入的反射，也就是当端口2接上精密负载时由端口1测出的反射系数Γ。若端接的负载不理想，尚需经过修正才能得到正确的S11 。通常只对其绝对值感兴趣，因此也有用回损或驻波比来表示的。

S21当端口2接上匹配负载时，对于无源网络，S21为端口1到端口2的传输系数T；通常也只对其绝对值感兴趣，对于无源网络，常用插损来表示；对于放大器，则为增益。

S12与S21方向相反，对于可逆网络，两者相同；对于不可逆网络，S12为隔离度。

S22与S11相通，是当端口1接上精密负载时由端口2向网络内看的反射系数。

简单的网络分析仪只能测S11与S21，要测S12 与S22时，尚需将两端口网络掉过头来进行测试。