矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)知識及S參數(shù)測量

點(diǎn)擊次數(shù)：18797 更新時間：2013-02-20

§1 基本知識

1.1 射頻網(wǎng)絡(luò)

這里所指的網(wǎng)絡(luò)是指一個盒子，不管大小如何，中間裝的什么，我們并不一定知道，它只要是對外接有一個同軸連接器，我們就稱其為單端口網(wǎng)絡(luò)，它上面若裝有兩個同軸連接器則稱為兩端口網(wǎng)絡(luò)。注意：這兒的網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)并不是一回事，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是比較復(fù)雜的多端（口）網(wǎng)絡(luò)，這兒主要是指各種各樣簡單的射頻器件（射頻網(wǎng)絡(luò)），而不是互連成網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。

1．單端口網(wǎng)絡(luò) 習(xí)慣上又叫負(fù)載Z_L。因?yàn)橹挥幸粋€口，總是接在zui后又稱終端負(fù)載。zui常見的有負(fù)載、短路器等，復(fù)雜一點(diǎn)的有滑動負(fù)載、滑動短路器等。

·單端口網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù) 通常用阻抗或?qū)Ъ{表示，在射頻范疇用反射系數(shù)Γ（回?fù)p、駐波比、S₁₁）更方便些。

2．兩端口網(wǎng)絡(luò) zui常見、zui簡單的兩端口網(wǎng)絡(luò)就是一根兩端裝有連接器的射頻電纜。

·匹配特性兩端口網(wǎng)絡(luò)一端接精密負(fù)載（標(biāo)阻）后，在另一端測得的反射系數(shù)，可用來表征匹配特性。

·傳輸系數(shù)與插損對于一個兩端口網(wǎng)絡(luò)除匹配特性（反射系數(shù)）外, 還有一個傳輸特性，即經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)與不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的電壓之比叫作傳輸系數(shù)T。

插損（IL） = 20Log│T│dB ，一般為負(fù)值，但有時也不記負(fù)號，Φ即相移。

·兩端口的四個散射參量測量兩端口網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)，一般用上述的插損與回?fù)p已足，但對考究的場合會用到散射參量。兩端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量有4個，即S₁₁、S₂₁、S₁₂、S₂₂。這里僅簡單的（但不嚴(yán)格）帶上一筆。

S₁₁與網(wǎng)絡(luò)輸出端接上匹配負(fù)載后的輸入反射系數(shù)Г相當(dāng)。注意：它是網(wǎng)絡(luò)的失配，不是負(fù)載的失配。負(fù)載不好測出的Γ，要經(jīng)過修正才能得到S₁₁ 。

S₂₁與網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時的電壓和輸入端電壓比值相當(dāng)，對于無源網(wǎng)絡(luò)即傳輸系數(shù)T或插損，對放大器即增益。上述兩項(xiàng)是zui常用的。

S₁₂即網(wǎng)絡(luò)輸出端對輸入端的影響，對不可逆器件常稱隔離度。

S₂₂即由輸出端向網(wǎng)絡(luò)看的網(wǎng)絡(luò)本身引入的反射系數(shù)。

中矢網(wǎng)可以交替或同時顯示經(jīng)過全端口校正的四個參數(shù)，普及型矢網(wǎng)不具備這種能力，只有插頭重新連接才能測得4個參數(shù)，而且沒有作全端口校正。

1.2 傳輸線

傳輸射頻信號的線纜泛稱傳輸線。常用的有兩種：雙線與同軸線，頻率更高則會用到微帶線與波導(dǎo)，雖然結(jié)構(gòu)不同，用途各異，但其基本特性都可由傳輸線公式所表征。

·特性阻抗Z₀ 它是一種由結(jié)構(gòu)尺寸決定的電參數(shù)，對于同軸線：

式中ε_r為相對介電系數(shù)，D為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。

·反射系數(shù)、返回?fù)p失、駐波比這三個參數(shù)采用了不同術(shù)語來描述匹配特性，人們希望傳輸線上只有入射電壓, 沒有反射電壓, 這時線上各處電壓一樣高，只是相位不同，而實(shí)際上反射總是存在的, 這就需要定義一個參數(shù)。式中Z_L為負(fù)載阻抗, Z₀為同軸線的特性阻抗。

由于反射系數(shù)永遠(yuǎn)≤1, 而且在甚高頻以上頻段手邊容易得到的校準(zhǔn)裝置為衰減器，所以有人用返回?fù)p失（回?fù)p）R.L.來描述反射系數(shù)的幅度特性，并且將負(fù)號扔掉。

回?fù)p R.L. = 20Log│ΓdB （1.4）

有反射時, 線上電壓即有起伏, 駐波比（S.W.R）是使用開槽測量線zui易得到的一個參數(shù)，比較直觀。

當(dāng)|Г|<< 1時，ρ= 1 + 2│Γ│ （1.6）

本儀器三種讀數(shù)皆有, 可任意選用。

·阻抗圓圖

如A，B兩個規(guī)格的天線，若只在標(biāo)網(wǎng)上選擇，肯定選B而不要A，而在矢網(wǎng)上看，A比B有潛力得多，加個電容就比B好了。這種情況是大量存在的，在全波振子對測試中就是這種情況。因此，在調(diào)試中首先要將天線阻抗調(diào)集中（在圓圖上成團(tuán)）。舉例來看，反射網(wǎng)與振子高度調(diào)節(jié)就有這種情況，折合振子單邊加粗也有這種情況，然后再采取措施（如并電容，串電感，調(diào)短路片位置，改平衡器內(nèi)導(dǎo)體等）使其匹配。而且經(jīng)常不是使中頻處于圓圖中心，而是使整個頻帶處于中心某一小圓內(nèi)，即犧牲一下中頻性能，來換取總帶寬。

阻抗圓圖上適于作串聯(lián)運(yùn)算，若要作并聯(lián)運(yùn)算時，就要轉(zhuǎn)成導(dǎo)納；在圓圖上這非常容易，某一點(diǎn)的反對稱點(diǎn)即其導(dǎo)納。請記住當(dāng)時的狀態(tài)，作阻抗運(yùn)算時圖上即阻抗，當(dāng)要找某點(diǎn)的導(dǎo)納值時，可由該點(diǎn)的矢徑轉(zhuǎn)180°即得；此時圓圖所示值即全部成導(dǎo)納。狀態(tài)不能記錯，否則出錯。記住，只在一個圓圖上轉(zhuǎn)阻抗與導(dǎo)納，千萬不要再引入一個導(dǎo)納圓圖，那除了把你弄昏外，別無任何好處。另外還請記住一點(diǎn)，不管它是負(fù)載端還是源端，只要我們向里面看，它就是負(fù)載端。永遠(yuǎn)按離開負(fù)載方向?yàn)檎D(zhuǎn)圓圖，不要用源端作參考，否則又要把人弄昏。圓圖作為輸入阻抗特性的表征，用作簡單的單節(jié)匹配計算是非常有用的，非常直觀，把復(fù)雜的運(yùn)算用簡單的形象表現(xiàn)出來，概念清楚。但對于多節(jié)級連的場合，還是編程由計算機(jī)優(yōu)化來得方便。

·傳輸線的傳輸參數(shù)同上面兩端口網(wǎng)絡(luò)，不再重復(fù)。

1.3 有關(guān)儀器的幾個術(shù)語

·網(wǎng)絡(luò)分析儀　能測單或兩端口網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)的儀器, 稱網(wǎng)絡(luò)分析儀。只能測網(wǎng)絡(luò)各種參數(shù)的幅值特性者稱為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，簡稱標(biāo)網(wǎng)。既能測幅值又能測相位者稱為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，簡稱矢網(wǎng)，矢網(wǎng)能用史密斯圓圖顯示測試數(shù)據(jù)。

·連接電纜　一根兩端裝有連接器的射頻電纜叫連接電纜（也有稱跳線的），反射特小的連接電纜稱測試電纜。

　　·反射電橋為了測得反射系數(shù)，需要一種帶有方向性（或定向性）并保持相位信息的器件，如定向耦合器或反射電橋，本儀器采用的是反射電橋，它的輸出正比于反射系數(shù)。其原理與惠司頓電橋*相同，只不過結(jié)構(gòu)尺寸改小適于高頻連接，并且不再想法調(diào)平衡，而是直接取出誤差電壓而已。反射電橋一般只能測同軸線等單端饋線系統(tǒng)。

·差分電橋能測雙線饋線系統(tǒng)的反射電橋稱差分電橋。

·諧雜波抑制能力一般國產(chǎn)掃頻源的諧雜波在－20dB左右，甚至雜散波只有－15dB，進(jìn)口掃頻源好的也就在－30dB多一些，外差式接收機(jī)對諧雜波的抑制能力皆在40dB以上，不會出現(xiàn)什么問題。而對于寬帶檢波低放的掃頻儀與標(biāo)網(wǎng)，不外接濾波器對寄生諧雜波是沒有抑制能力的，有時就會出現(xiàn)下面幾種問題：濾波器帶外抑制會被測小，天線駐波會被測大，窄帶天線增益會測低。

·動態(tài)范圍　儀器設(shè)置到測插損，將一根好的短電纜的一頭接到輸出口，另一頭接到與屏幕顯示相對應(yīng)的輸入口上，按執(zhí)行鍵進(jìn)行校直通后，拔掉電纜后儀器顯示的數(shù)值即動態(tài)范圍，應(yīng)≥70dB。

·對插損的廣義理解

隔離度　不該通而通了的插損稱隔離度或防衛(wèi)度。

方向圖　天線對一固定信號在不同方向的插損稱方向圖。

§2 傳輸線的測量

2.1 同軸線纜的測量

一．測電纜回?fù)p

1．待測電纜末端接上陰負(fù)載（或陽負(fù)載加雙陰），測其入端回?fù)p，應(yīng)滿足規(guī)定要求。假如是全頻段測試的話，那一般是低端約在30－40分貝左右，隨著頻率增高到3GHz，一般只能在20dB左右。假如全頻段能在30dB以上此電纜可作測試電纜，一般情況下尤其是3GHz附近是很難作到30dB的，能作到26dB就不錯了。

2．回?fù)p測試曲線呈現(xiàn)周期性起伏，而平均值單調(diào)上升，起伏周期滿足⊿F=150/L，式中L為電纜的電長度（米），⊿F單位為MHz，則此電纜屬常規(guī)正常現(xiàn)象，主要反射來自兩端連接器處的反射；若低端就不好，甚至低頻差高頻好，或起伏數(shù)少，則電纜本身質(zhì)量不好。

3．回?fù)p測試曲線中某一頻點(diǎn)回?fù)p明顯低于左右頻點(diǎn)呈一諧振峰狀，此時出現(xiàn)了電纜諧振現(xiàn)象。只要不在使用頻率內(nèi)可以不去管它，這是電纜制造中周期性的偏差引起的周期性反射在某一頻點(diǎn)下疊加的結(jié)果，我們只能先避開它。這種現(xiàn)象在1998年我們買的SYV-50-3電纜中多次碰到，回?fù)p只有10－14dB，粗的電纜倒不常見此情況，用戶只有自己保護(hù)自己，選擇質(zhì)量好的才買。

4．在測回?fù)p中出現(xiàn)超差現(xiàn)象時，可按下面提到時域故障定位檢查加以確診，以便采取相應(yīng)措施。

二．測電纜插損（也稱測衰減）

1．替代法

在使用要求頻段下，用插損檔通過兩個10dB衰減器用雙陽校直通，校后用電纜代替雙陽接入兩衰減器之間即得插損曲線，此法為zui常用的方法。

2．回?fù)p法測插損

在儀器經(jīng)過開短路校正后，接上待測電纜，測末端開路時的回?fù)p，回?fù)p除2即得插損，此法的優(yōu)點(diǎn)在于不會出現(xiàn)插損為正的矛盾，特別適合于已架設(shè)好的長的粗饋管首尾相距較遠(yuǎn)的場合。

3．非正常情況

檢測電纜時用全頻段測試，插損由小到大應(yīng)是一單調(diào)平滑曲線，并且插損在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以內(nèi)，小有起伏也不要緊，那是反射疊加引起的。但若有某一頻點(diǎn)附近顯著高于左右頻點(diǎn)（插損增大）呈一下陷曲線狀，說明此電纜有問題。多數(shù)是連接器外皮壓接不良所造成，返工后重測。少數(shù)是電纜本身形成的，那么此電纜只能隔離待查，停止使用。

連接器外皮顯著接觸不良，可用下面提到的電纜屏蔽性能檢查方法加以確診。

三．同時測插損與回?fù)p 可按說明書4.7節(jié)進(jìn)行雙參量測量。

雙參量測量精度不如單參量高，若無必要，以采用單參量為宜。

四．同軸電纜電長度的測量

1．引言

在射頻范圍內(nèi)，經(jīng)常采用同軸電纜對各個功能塊、器件或振子單元進(jìn)行連接（即饋電），除了要求插損小、匹配好之外，常常還對引入的相移提出要求。一般只要求相對相移，譬如同相天線陣或功率組合單位等。它們要求每根電纜一樣長，而收發(fā)開關(guān)或阻抗變換場合則會提出長度為λ/4的要求，而U形環(huán)平衡器又會提出長度為λ/2的要求，這就出現(xiàn)了如何測電纜電長度的問題。

在不加支持片的同軸線段中，同軸線段的機(jī)械長度（或幾何長度）與電長度是一致的，在有支持片或充填介質(zhì)的情況下兩者是不同的，機(jī)械長度與電長度之比為波速比（也有稱縮波系數(shù)，或縮短系數(shù)），一般在0.66到1之間，電長度顯得長些，而實(shí)際機(jī)械長度顯得短些。實(shí)際上要求的是電長度，矢網(wǎng)正好能測電長度。

2．測反射相位定電纜電長度

當(dāng)電纜末端開路時，在其輸入端測其反射的相位是容易的，由于反射很強(qiáng)測試精度也較高。當(dāng)然末端短路也是可行的，但不如開路時修剪長度來得方便，因此常在末端開路的情況下進(jìn)行測試。

ⅰ、λ/4電纜的獲得

·儀器設(shè)定在要求的使用頻率下點(diǎn)頻工作，在測回?fù)p狀態(tài)下校開路與短路。

·接上待測電纜（末端開路），若電纜正好為λ/4時，相位讀數(shù)應(yīng)在180⁰附近。

若Φ<180⁰則說明電纜偏長，反之則偏短。

·此法也適于測λ/4奇數(shù)倍的電纜，致于是3λ/4還是λ/4，點(diǎn)頻下是分不清的。

ⅱ、λ/2電纜的獲得

· 同前（即在點(diǎn)頻測回?fù)p狀態(tài)下校開路與短路）。

· 接上待測電纜（末端開路），若正好為λ/2則測試相位值應(yīng)在0⁰附近，若Φ在0⁰以上（*象限），則電纜偏短，若在360⁰以下（第四象限），則偏長。

·此法也適于λ/2整倍數(shù)的電纜，至于是λ還是λ/2，在點(diǎn)頻下是分不清的。

ⅲ、與參考電纜比相對長度

·同前（即在點(diǎn)頻測回?fù)p狀態(tài)下，校開路與短路）。

·接上參考電纜（也稱標(biāo)準(zhǔn)電纜），記下相位讀數(shù)Φ₀。

·接上待測電纜，若讀數(shù)Φ=Φ₀則說明兩電纜等長，不等則相差為Φ-Φ₀，注意儀器相位為值，讀數(shù)越大越，Φ大于Φ₀則偏短，反之則偏長。

ⅳ、幾點(diǎn)說明

·ⅰ、ⅱ兩種，由于是在λ/4與λ/2特殊情況下進(jìn)行的，與電纜特性阻抗無關(guān)，而第ⅲ種測試精度與特性阻抗有關(guān)，只有相同特性阻抗的電纜比較才有意義，否則出錯。

·在測試中有時會搞不清是長了還是短了，可以在末端或始端加一小段電纜（如保護(hù)接頭）試試，若更離開理論值說明電纜長了，若更靠近理論值則說明電纜短了。還有一種方法，是用三個頻率，即f₀±Δf，掃頻測試，若高頻點(diǎn)接近理論值則電纜短了，若低頻點(diǎn)接近理論值則電纜長了。

·由于反射法電波在電纜上走了兩次（一個來回），所以讀數(shù)與誤差皆要除以2。

3．測傳輸相移定電纜長度

在行波狀態(tài)下，電纜引入的相移即其電長度，這種作法一般更符合實(shí)際使用情況，但由于要求兩端皆接上高頻連接器，因此一般只適于驗(yàn)收，而不適于調(diào)整。下面介紹一下比較兩根電纜的相對相移。

·在測插損狀態(tài)下，經(jīng)過連接電纜與兩個10dB衰減器對接后校直通。

·在兩個衰減器之間串入?yún)⒖迹?biāo)準(zhǔn)）電纜，記下相位測試值Φ₀。

·換接待測電纜，若測試值亦為Φ₀則兩者等長，若測試值為Φ，Φ-Φ₀為正則短了，反之則長了。搞不清時，請參見上面幾點(diǎn)說明中的第二點(diǎn)。

4．時域故障定位法測電纜電長度

同軸電纜末端開路（或短路）測出的故障位置即電纜電長度,，此法可測電纜電長度。

·按測回?fù)p法連接，并選時域狀態(tài)。

·估計電纜電長度，將距離檔選到合適距離，以避免模糊距離。

·按菜單鍵取出機(jī)內(nèi)掃頻方案后，進(jìn)行開路與短路校正。

·接上待測電纜，進(jìn)行測試，畫面出現(xiàn)一峰點(diǎn)。

·將光標(biāo)移到峰點(diǎn)附近后按菜單鍵, 光標(biāo)在《放大》下閃動, 再按執(zhí)行鍵畫面將展開四倍后重畫一次,并在方格下

面顯出d_max=×××等數(shù)值, 此值即電纜電長度。

五．同軸電纜的時域故障定位檢查

1．同軸電纜的三段反射

同軸電纜可說是射頻設(shè)備中少不了的一種連接件，短者幾厘米，長者幾百米，它并不是一種很起眼的東西，但對系統(tǒng)性能確是至關(guān)緊要的一環(huán)。對同軸線可以提出多方面的要求，現(xiàn)在我們只看看對它的駐波比要求。

通常要求同軸電纜的駐波比≤1.1，即使在V頻段這個要求也不低，在更高頻段那就更難了。對于電視臺發(fā)射天饋系統(tǒng)，其系統(tǒng)的駐波比就要求為1.1，那分配給饋線的指標(biāo)就更不好提了。

一根同軸線（電纜或饋管）從其輸入端測出的駐波比是由三段反射的矢量疊加造成的。一段是遠(yuǎn)端反射，它包括了負(fù)載的反射以及電纜輸出連接器處的反射。如果負(fù)載是無反射的標(biāo)阻，則遠(yuǎn)端反射即指輸出連接器處的反射，另一段是輸入連接器（包括轉(zhuǎn)接器）處的反射叫近端反射。還有中間這一段由電纜本身制造公差引起的分布反射，使用者對這段反射是無能為力的，只是把問題搞清楚而已，以便于采取相應(yīng)的措施。

如何分清這三段反射呢？

2．時域分布反射的獲得

為分清一根電纜的三段反射，通常用時域反射計，它是一種能發(fā)射很窄脈沖（ns級）后看其反射波形的儀器，雖然它很有性，但確有三點(diǎn)不足：*點(diǎn)是有死區(qū)（或盲區(qū)）。對近端反射無能為力，因?yàn)樵诎l(fā)射脈沖寬度內(nèi)的反射一般是被發(fā)射脈沖淹沒了。第二點(diǎn)是它對波導(dǎo)系統(tǒng)無能為力。第三點(diǎn)由于發(fā)的是窄脈沖，所占頻段極寬，待測件的測試頻段不能控制。如本來電纜只用于400兆赫附近，而它測的卻是幾十赫到千兆赫內(nèi)全頻段的性能，這并不適合于一般使用者的要求，它只是一種電纜生產(chǎn)廠的一種的貴重設(shè)備。看來這種儀器早晚是要被淘汰的，它的性能不如測頻域反算時域的方法來得靈活，而且還多花錢（作為驗(yàn)收，頻域儀器是*的，假如它有時域功能就不用再買時域反射計了）。

現(xiàn)在可用網(wǎng)絡(luò)分析儀上的時域故障定位功能軟件來完成時域反射的測試。它的作法是在頻域中測出多個有關(guān)頻率的反射系數(shù)，然后經(jīng)過運(yùn)算來得到時域畫面。縱坐標(biāo)為反射系數(shù)幅度值，橫坐標(biāo)為距離或時間。不單分清了三段反射而且看出了同軸電纜上的分布反射，從而可以檢查電纜制造的工藝水平或質(zhì)量水平。普及型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA上帶有時域功能，它能根據(jù)電纜使用頻段來設(shè)定掃頻起止頻率，以便得到符合實(shí)際需要的時域檢查。PNA的時域zui高分辨力為6cm，隨著探測長度加長而降低。下面的例子都是用PNA測的，曲線都是機(jī)內(nèi)所附的微打印機(jī)打的。對一般使用者以及專業(yè)電纜生產(chǎn)廠都有參考意義。

從以上測試結(jié)果可以得到如下初步結(jié)論。

·相同品種的同軸電纜，粗的分布反射比細(xì)的分布反射小。

·分清三段反射能幫你找出故障（或指標(biāo)差）的原因，明確改進(jìn)方向。

根據(jù)目前掌握的實(shí)際情況，插頭的反射不宜大于0.03，電纜的分布反射不宜大于0.01，電視用時要求還要高一些。

·故障定位功能是很有用的，按使用頻段設(shè)定掃頻頻段也是有效的，寬帶反射小而起伏多,窄帶的反射大而起伏少不容易漏掉故障。

六．特性阻抗的檢測

1．問題的提出

這里舉個例子，某廠加工了一批SFF-50-1.5的帶SMA插頭的電纜，做了五根樣品長約120mm，都是合格的。后來做了幾十根長約240mm的卻全部臨界，在430MHz附近ρ為1.15。用時域看反射在兩端插頭處約0.07，為此加測了Z₀，發(fā)現(xiàn)為47Ω。后來換了Z₀為49.8的電纜，ρ只有1.04。原來做短的合格是因?yàn)閯偤梅瓷湎嘞L的長度不合適造成反射疊加，在窄帶雖可用湊長度解決問題，但還是采用好的電纜為宜。

當(dāng)時域檢測發(fā)現(xiàn)兩端連接器處反射較大時（譬如>0.04），除了裝配質(zhì)量外，還有插頭本身設(shè)計問題，一般市售連接器是不適于用到3GHz的。假如連接器是仔細(xì)設(shè)計，考慮了支持片的影響的，那么還有一個因素那就是電纜的特性阻抗可能不對，此時就應(yīng)測測電纜特性阻抗。

2．作法

·樣本與掃頻方案對于已裝好連接器的跳線，長度已定，只能由長度定掃頻方案而對于電纜原材料，則可以按要求頻率確定下料長度。此時待測電纜一頭裝連接器即可。

·樣本長度與掃頻方案是相互有關(guān)的，可以點(diǎn)頻測也可以掃頻測，取值要取相位靠近270⁰時的電抗值，此時電長度為λ/ 8、電抗值在±j50Ω附近，如40～60Ω之間，否則不易得到可信數(shù)據(jù)。測試頻率宜低些，以減少連接器，以及末端開短路的差異造成的誤差。

以SFF-50的電纜為例，取樣本長500mm，其電長度即為700mm（乘1.4波速比），掃頻方案可選46～56 MHz，ΔF=2MHz即可。

·儀器在測回?fù)p狀態(tài)下，電橋輸入端與輸出端各串一只10dB衰減器。校過開短路后，接上待測電纜。記下待測電纜在末端開路與短路時的輸入電抗值（不管電阻值），兩者相乘后開方即得特性阻抗值。

·一般測試只選一點(diǎn)zui靠近270⁰的點(diǎn)（即50Ω）進(jìn)行計算即可，要求高時，可在50±10Ω范圍內(nèi)選5點(diǎn)進(jìn)行平均，這5點(diǎn)之間起伏不應(yīng)大于0.5Ω，否則電纜質(zhì)量不好。

·電纜兩端測出的特性阻抗有可能是不相同的，說明該電纜一頭特性阻抗高，一頭低。要求高時，應(yīng)對樣本進(jìn)行掉頭測試，兩端測出的特性阻抗不應(yīng)相差0.5Ω.

注意: 1：雖然所有λ/ 8奇數(shù)倍的頻點(diǎn)皆能進(jìn)行測試，但只測了前面λ/ 8，后面λ/4及其倍數(shù)都是不參與的；它只提供了0點(diǎn)與∞點(diǎn)，這兩點(diǎn)只與長度有關(guān)，而與Z₀無關(guān)。

2：測75Ω電纜時，請用75Ω電橋，測試數(shù)據(jù)請乘1.5倍。

3：有人采用測數(shù)百米長電纜的輸入阻抗來代替測Z₀，這并非標(biāo)準(zhǔn)方法，實(shí)際上是對電纜提出了超標(biāo)準(zhǔn)的要求。除非電纜非常好，否則不易通過。

七．電纜屏蔽度檢測

也稱漏泄檢測，也有稱防衛(wèi)度檢測，作法同陣面幅相檢測。

·采用全頻段掃頻方案，測插損，用一根好的短電纜校直通；

·在輸出端接上待測電纜，其末端接上陰負(fù)載或雙陰加陽負(fù)載；

·將一個拾取環(huán)（見幅相檢測），通過一段電纜接到輸入端，當(dāng)環(huán)遠(yuǎn)離待測電纜時讀數(shù)應(yīng)≥70dB；

·將環(huán)靠在電纜上滑動，若讀數(shù)仍在70dB以上則電纜性能，若讀數(shù)在60dB左右屬良好，若讀數(shù)在40-50dB就不太好，但勉強(qiáng)能用，若讀數(shù)在20-30dB則肯定有了故障，一般出現(xiàn)在連接器處，必須重裝，壓緊后再測，連接器處不宜低于50dB；

·連接器接地不良時，其時域波形表現(xiàn)為拖尾巴波形，而不是一個單純的脈沖波形；

以上講的是帶插頭的電纜（常稱跳線）的檢測方法，只是一種查毛病的方法，并不作為驗(yàn)收的依據(jù)。

2.2 PNA用于測量75Ω系統(tǒng)的補(bǔ)充說明

PNA本身是50Ω系統(tǒng)測量儀器，在有75Ω配套件的情況下，可在30-1000MHz頻段內(nèi)對75Ω系統(tǒng)進(jìn)行測量。

1．測回?fù)p 主要是改用75Ω電橋，該電橋輸入輸出端口仍為50Ω，故仍然可用原配電纜接上，而電橋測試端口為75Ω，即能按原說明書所述方法對75Ω系統(tǒng)的反射特性進(jìn)行測試。

·測阻抗或相位或者所測駐波較大時，請用75Ω短路器加校短路。

·對電橋定向性有懷疑時，可用75Ω負(fù)載驗(yàn)證，也可采用校零措施。

·改用75Ω電橋測試75Ω系統(tǒng)時所有駐波、回?fù)p、相移值都是對的，但阻抗值請注意還要乘1.5才對。

2．測插損在儀器輸出輸入端各接一根50Ω電纜，在電纜另一端各接一只50K/75Ω轉(zhuǎn)換，并用75Ω雙陰將它們對接起來校直通，然后取出雙陰串入待測件即可測出其插損與相移。示意圖如下：

3．測增益接法與測插損相似，但應(yīng)加30dB衰減器后校直通，衰減器可以是50Ω的，也可以是75Ω的，各自串入其相應(yīng)位置，其作法與原說明書相同。

4．時域故障定位除改用75Ω電橋外其他與說明書全同，校短路請注意要用細(xì)芯子的75Ω短路器。

注意：由于75Ω與50Ω兩者內(nèi)導(dǎo)體差別較大，使用時應(yīng)小心不要插錯，粗的插入細(xì)的會損壞器件，細(xì)的插入粗的則接觸不良甚至不通。

5. 75Ω配套件清單

2.3 多對雙絞線電纜的測試

在電腦網(wǎng)絡(luò)連線中，用到了多對雙絞線電纜，而且提出了技術(shù)要求，如何用常規(guī)單端（一線一地制，如同軸線）儀器進(jìn)行測試呢？

一． 技術(shù)要求: 有關(guān)單位對于5類線（四對雙絞線）的技術(shù)要求見下表（每對繞成雙絞線的線又有多股與單股之分。相當(dāng)線號為24AWG—26AWG）。

注：在執(zhí)行5類線標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收時，有的用戶要求按輸入阻抗為100±15Ω來驗(yàn)收，其理由為既然有特性阻抗為100±15Ω的要求，而現(xiàn)在線很長（300m），因此只測其輸入阻抗來代替前兩項(xiàng)要求。

對于理想的均勻線，這個要求還勉強(qiáng)說得過去，問題是線既不理想也不均勻，這個要求就超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍，否則就沒有必要定第二欄的要求。對于100MHz，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定回?fù)p為16dB，假如按輸入阻抗要求則為23dB，超過標(biāo)準(zhǔn)7dB；因此把特性阻抗驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)改成按輸入阻抗驗(yàn)收，是不符合標(biāo)準(zhǔn)的作法。另外有的儀器有|Z|坐標(biāo)，這是一種電路參數(shù)而不是傳輸線參數(shù)，用|Z|≤100±15Ω來要求傳輸線的輸入阻抗，是會鬧笑話的。比如Z_in=j100Ω,是*符合|Z|≤100±15Ω要求的，而對于傳輸線而言卻是全反射，根本不能用。

二．測試方法 這兒只討論用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試雙絞線，不涉及市售電腦線測試設(shè)備。

1．直接用單端儀器測試這是一種原則性的錯誤，因?yàn)槠胶馐艿狡茐模a(chǎn)生了共模電流，將導(dǎo)致衰減加大、竄擾嚴(yán)重。但有的地方仍然是這樣作的，不妨試一試。

2．采用PNA100Ω差分套件。

3．將單端儀器測試口通過復(fù)用開關(guān)擴(kuò)為八個，采用混合模式散射參量進(jìn)行計算與校準(zhǔn)，這是ATN公司的方法。

下面將只采用1、2兩種方法進(jìn)行測試，是用PNA3628進(jìn)行的，其頻率范圍為：1KHz～120MHz。測試樣本是一段22.5米的商品電纜。

三．測試結(jié)果

1．特性阻抗Z₀測試

雖然Z₀一般不是頻率的函數(shù)，但仍測了三個頻點(diǎn)，測時線長用測試頻率的λ/8，測其末端開、短路時的輸入電抗，相乘開方后即得。

測試頻率 MHz 1 10 62.5

單端電橋測 Ω 97～114 103.6～107.7 100～106

差分電橋測 Ω 108～113 103～108 103～108

每個頻率下有四個數(shù)據(jù)（四對線），兩法測試結(jié)果差別不大，看來都可以用。

四．PNA100Ω差分套件

1．差分轉(zhuǎn)換頭

2．差分電橋它是一個由三個100Ω無感電阻，與接在測試口上的待測電阻，組成的一個平衡電橋（惠士頓電橋）。

由信號源來的單端信號，通過平衡器變成差分信號后，接到電橋的對角線兩端。另一個對角線兩端，再通過另一平衡器將誤差信號變成單端信號后，送到儀器的接收輸入端。即可直接得測得100Ω雙線系統(tǒng)的回?fù)p或駐波比，也可測試輸入阻抗；但數(shù)值要乘2，因?yàn)閮x器為50Ω系統(tǒng)。

五． 結(jié)束語

直接用常規(guī)單端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測特性阻抗是可行的，測回?fù)p的誤差則大了些，但似乎尚能勉強(qiáng)使用，測衰減則

顯著偏大，測竄擾則嚴(yán)重失實(shí)。

采用PNA100Ω差分套件后，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀既可勝任各種雙絞線的測試，也可進(jìn)行時域故障定位測試。

2.4 微帶線的測試

一．微帶線Z₀的測試 待測微帶線的樣本為一長度≥6cm的一塊微帶線，按前述測Z₀方法，測此線在末端開路與短路時的輸入電抗值（不管電阻值），兩者相乘后開方即得特性阻抗Z₀值。

二．微帶接頭的測試 在一塊50Ω微帶線的樣本為一長度≥6cm的微帶線兩端裝上連接器，對此線進(jìn)行時域故障檢查，調(diào)節(jié)兩端連接器與微帶線的過渡尺寸，使得兩端的時域反射≤0.03（越小越好），樣本適當(dāng)長些以便分清兩端分別對待。時域測試與頻域測試互相對照, 有利于對被測線作出更合理的裁決, 到頻域后可按〖菜單〗鍵再選《時域》返回。

三．雙面復(fù)銅板介電常數(shù)的測試

1．低頻測電容法

ⅰ、公式推導(dǎo)：由物理書可知C=Aε₀ / t，ε₀=8.8552×10^-12法/米=8.8552×10^-12F/m 若A=10×10mm²，t=1，則C=0.8855P，即1平方公分的兩個板間距為1mm時的電容約0.9P，而1mm見方的面積兩板間距為1mm即1mm電容=0.008855P，有介質(zhì)后C=ε_rC

ε_r=112.9×C×t/A （2.1）

ⅱ、作法：用一只能分辨1P電容的三用表進(jìn)行測試，如一塊62×73mm²的復(fù)銅板，測得C為114P，而t扣除銅箔厚度后為0.96，則ε_r=112.9×114×0.96/（62×73）=2.67

2.5 PNA用于測波導(dǎo)系統(tǒng)

PNA常用于測同軸線系統(tǒng),測波導(dǎo)系統(tǒng)時，應(yīng)針對手頭器件情況進(jìn)行相應(yīng)的變動。

一．測波導(dǎo)器件的插損與相移]

·按菜單鍵，設(shè)定掃頻方案并按執(zhí)行鍵選定之。

·將兩只同軸變波導(dǎo)（cg）經(jīng)兩只波導(dǎo)隔離器對接起來, 入（左）端接到儀器輸出端，出（右）端接到儀器輸入A（或B）端，校直通。

·插損量程有四檔, 可按〖↓〗鍵來選擇, zui小一檔為0-2.5dB, zui大可測80dB。測移相器相移與插損時, 可按〖菜單〗鍵，選《相損》檔，畫面將隨〖↓〗鍵反復(fù)出現(xiàn)四種坐標(biāo):

1．相位量程為±180°（每格72°），插損量程為+1～-4dB。

2．插損仍為+1～-4dB，相位在光標(biāo)點(diǎn)的附近平移展開（每格5°）。

3．相位按±180°（每格72°），插損量程改為+5～-20dB。

4．插損仍按+5～-20dB，相位在光標(biāo)點(diǎn)的附近平移展開（每格5°）。

一．用同軸反射電橋測波導(dǎo)器件（或系統(tǒng)）的反射特性

1．常規(guī)掃頻測試

·（如圖2.16）將反射電橋（RB）接到同軸變波導(dǎo)上, 并用一塊短路板將波導(dǎo)口短路（封上）后，按執(zhí)行鍵進(jìn)行〖校：開路〗項(xiàng)目。

·假如同軸變波導(dǎo)的失配很小時, 可直接連上待測件進(jìn)行測試。

·由于波導(dǎo)口開路并非全反射, 因此波導(dǎo)系統(tǒng)測試中一般只好用校短路來代替校開路, 這樣作對測駐波比（回?fù)p）無妨, 閃點(diǎn)參數(shù)所顯駐波比（回?fù)p）數(shù)字有效。

·用短路代開路后相位差了180°, 因此再用阻抗圓圖來看時, 就成了導(dǎo)納圓圖。此時用圓圖只宜用來看相位與看曲線集中情況及趨勢等, 而閃點(diǎn)參數(shù)所顯相位數(shù)值需改正負(fù)號（即差±180°）, R與X是不太好用的（一定要用的話，可將R+jX用50Ω除后取倒數(shù)，即得歸一后的相對導(dǎo)納g +jb）。

·用矢量便于對器件進(jìn)行匹配。

2．點(diǎn)頻計量測試法

A．λ/4法

在上面提到的測試方法中，由于同軸變波導(dǎo)的失配不知道，必然帶來誤差，這種誤差在點(diǎn)頻上可用λ/4法分離。對于波導(dǎo)系統(tǒng)則用λ_g/4 。

以點(diǎn)頻2450MHz為例，對于BJ-26，λ_g=173.36, 準(zhǔn)備一段長度為λ_g/4=43.34±0.1的短波導(dǎo)即可。做法如下：

測件的反射）。以紙中心為原點(diǎn)，由同一原點(diǎn)、按同一比例在紙上畫出Γ₀與Γ₁的矢量圖，連接Γ₀與

Γ₁的端點(diǎn)a與b，找ab連線的中點(diǎn)m，則om =Γ_cg，ma =Γ_dut 。

通過這種測試，準(zhǔn)確度大大提高，搞清了問題所在，可用低檔設(shè)備作出產(chǎn)品。其實(shí)這種測試的另一目的在于，找出一個好的負(fù)載與一個好的同軸變波導(dǎo)以便進(jìn)行掃頻測試。

B．單線法（單波導(dǎo)法）

此法實(shí)際上是λ/4法的一種變通或推廣，假如手頭有的短波導(dǎo)不是λ_g/4，或者想校更多的頻點(diǎn)的話，不妨試試此法。

·按測回?fù)p進(jìn)行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正。這是因?yàn)槎滩▽?dǎo)不是λ_g/4而且還要掃頻測試，只能在同軸反射電橋上作開路與短路校正。

·反射電橋接到同軸變波導(dǎo)，并在波導(dǎo)口接上待測件（同圖2.17），記下Γ₀測試值（或打印出〖反射〗數(shù)據(jù)）。

·在同軸變波導(dǎo)口與待測件之間，接入一短波導(dǎo)（電長度Φ約90°，或30°到150°之間，不宜靠近180°），記下Γ₁測試值（或打印出〖反射〗數(shù)據(jù)）。見圖2.19。

2φ

·同上，畫出Γ₀與Γ₁的矢量圖，連接Γ₀與Γ₁的端點(diǎn)a與b，找ab連線的中點(diǎn)，過中點(diǎn)作ab中垂線，在中垂線上找出一點(diǎn)m，使得∠amb = 2Φ（Φ可由實(shí)際波導(dǎo)長度算出，2Φ<180°時，m點(diǎn)在矢量三角形內(nèi)，2Φ>180°時，m點(diǎn)在矢量三角形外）。則om = Γ_cg ，ma = Γ_dut ,誤差已得到分離。此法雖然能掃頻測試，但修正還得一點(diǎn)一點(diǎn)的進(jìn)行。參見圖2.21。

·一般使用時，帶寬并不寬，即使按λ_g/4法進(jìn)行掃頻測試，精度也是夠好的。

C．雙線法（雙波導(dǎo)法）

假如有兩段長度約λ_g/6的短波導(dǎo)，即可采用此法。

·同B中*點(diǎn)，按測回?fù)p進(jìn)行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正。這是因?yàn)槎滩▽?dǎo)不是λ_g/4而且還要掃頻測試，只能在同軸反射電橋上作開路與短路校正。

·反射電橋接到同軸變波導(dǎo)，并在波導(dǎo)口接上待測件，記下Γ₀測試值（或打印出〖反射〗數(shù)據(jù)）。接法見圖2.17。

·在同軸變波導(dǎo)口與待測件之間，接入一短波導(dǎo)（電長度Φ約60°，或30°到90°之間），記下Γ₁測試值（或打印出〖反射〗數(shù)據(jù)）。接法見圖2.19。

dut

·在同軸變波導(dǎo)口與待測件之間，再接入一短波導(dǎo)（電長度Φ約60°，或30°到90°之間），

D．調(diào)配反射計法（滑動負(fù)載法）

滑動負(fù)載在波導(dǎo)中是很容易實(shí)現(xiàn)的，有了它，雖可以測三次定一圓（見上雙線法）解出Γ_cg，但通常多采用調(diào)配反射計法。這是一種典型的點(diǎn)頻計量方法。

·按測回?fù)p進(jìn)行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正，再將反射電橋接到同軸變波導(dǎo)上。

·在同軸變波導(dǎo)口接上一只四螺釘匹配器，后面再接上一只滑動負(fù)載。

·反復(fù)調(diào)節(jié)四螺釘匹配器，使得拉動滑動負(fù)載時反射系數(shù)的幅值不變（即回?fù)p不變或駐波比不變，并不要求為零），此時即可認(rèn)為反射計已完成調(diào)配（誤差→0）。

·用調(diào)配后的反射計測試出的Γ值，即可認(rèn)為是真值。

3．提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法

介紹計量方法的目的，除可以進(jìn)行精密測試外，還有一個目的就是要通過測試找到一只好的波導(dǎo)負(fù)載（駐波比≤1.02）作標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，與一只好的同軸變波導(dǎo)（駐波比≤1.1）。

·假如有了一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載, 而且接到上述同軸變波導(dǎo)后所測駐波比≤1.13（回?fù)p-24dB），則可以按菜單鍵選〖校零〗項(xiàng)并執(zhí)行之，從而使得測試設(shè)備的精度與校零用的負(fù)載相當(dāng)（即測試系統(tǒng)的剩余駐波比≤1.02）。但若沒有好的負(fù)載, 或者接上負(fù)載后駐波≥1.13, 則不能校零, 否則反而出錯。

·用λ_g/4短路波導(dǎo)作開路標(biāo)準(zhǔn)，掃頻進(jìn)行開路校正。雖然掃頻作開路校正只有一點(diǎn)嚴(yán)格有效，但常規(guī)窄帶應(yīng)用是可行的。

三． 采用波導(dǎo)定向耦合器測試

1．常規(guī)掃頻測試

·將儀器輸出端經(jīng)同軸變波導(dǎo)接到定向耦合器的主路輸入端,付路反射輸出接到儀器輸入（A或B）, 在主路輸出口用短路板封上后校開路。

2．點(diǎn)頻計量測試法

采用波導(dǎo)定向耦合器測試后，也能采用點(diǎn)頻計量測試法，作法同上（見二、中2、各項(xiàng)）。

3．提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法

采用波導(dǎo)定向耦合器測試后，也能采用提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法，作法同上（見二、中3、）。用λ_g/4短路波導(dǎo)作開路標(biāo)準(zhǔn)，掃頻進(jìn)行開路校正；雖然掃頻作開路校正只有一點(diǎn)嚴(yán)格有效，但常規(guī)窄帶應(yīng)用是可行的。

四．采用魔T

1．常規(guī)掃頻測試

·將儀器輸出通過同軸變波導(dǎo)接到魔T的和支路, 將差支路通過同軸變波導(dǎo)接到儀器輸入（A或B），將標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)負(fù)載接到魔T的一路, 另一路用短路板封上后校開路。

·拆下短路板接上待測件即可進(jìn)行駐波比測試。

2．點(diǎn)頻計量測試法

采用魔T測試后，也能采用點(diǎn)頻計量測試法，作法同上（見二、中2、各項(xiàng)）。

3．提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法

采用魔T測試后，也能采用提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法，作法同上（見二、中3、）。用λ_g/4短路波導(dǎo)作開路標(biāo)準(zhǔn)，掃頻進(jìn)行開路校正；雖然掃頻作開路校正只有一點(diǎn)嚴(yán)格有效，但常規(guī)窄帶應(yīng)用是可行的。

§3 常用器件的測試

3.1 電感（分立元件）

一．標(biāo)稱值的測試

標(biāo)稱值一般用LCR儀器進(jìn)行測試，也可用PNA進(jìn)行測試。

1．用PNA3628，按測回?fù)p連接；

2．掃頻方案設(shè)為0.1590MHz點(diǎn)頻；

3．在電橋測試口上校開路與短路；

4．在測試口插上待測件即可測出其R與X值，R用于優(yōu)值Q的計算，由X即可算出電感L值。

X = jωL = j2πfL = jL（μH），因此 |X|Ω= |L|μH，如X測試值為-j10Ω即為10μH。

5．按0.1590MHz設(shè)置，適于測1～999μH；

按1.590MHz設(shè)置，適于測0.1～99μH，即0.1|X|Ω= |L|μH，讀數(shù)除以10；

按0.0160MHz設(shè)置，適于測10～9999μH，即10|X|Ω= |L|μH，讀數(shù)乘以10；

6．也可用列表掃頻方案，同時使用兩或三個頻率進(jìn)行測試。

二．射頻下的電感測試

這是一個值得思考的例子，有位用戶在其150MHz，BP機(jī)主臺發(fā)射機(jī)中一直采用一種線圈（在1/4W電阻上，用漆包線繞40圈），其目的估計是用作扼流圈。誰知，在PNA上一測卻為容性。是儀器出了問題嗎？為此，對其進(jìn)行了超頻帶范圍的測試，結(jié)果整理如下：

線圈A的阻抗軌跡為一個大圓，局部有3個小圓。線圈B（空心者）呈現(xiàn)4個偏心圓。

下面給一組參考數(shù)據(jù)，用0.35漆包線在Φ5桿上平繞若干圈脫下來即成為一個線圈，對于這種線圈其*諧振點(diǎn)f₀₁大致可用下表查出范圍。

諧振時呈電阻性即Φ=0，用相位來定諧振點(diǎn)明確一些，比用∞好。*個諧振點(diǎn)為并聯(lián)諧振形式，低于*個諧振點(diǎn)的頻率呈電感性，高于*個諧振點(diǎn)的頻率呈容性。

這里并不試圖解決線圈估值與設(shè)計問題，而是通過實(shí)例說明：不能簡單地將高頻結(jié)構(gòu)用到甚高頻，更不談用到超高頻。這兒主要想說明器件或零件用在什么頻率，就應(yīng)該在什么頻率下進(jìn)行測試。對射頻工作者來說，手頭沒有矢網(wǎng)進(jìn)行測試，不僅僅是不方便，有時還會作出錯誤的選擇。

3.2 電容（分立元件）

一．標(biāo)稱值的測試

1．按測回?fù)p連接；

2．掃頻方案設(shè)為63.662MHz點(diǎn)頻（非3628型儀器只好設(shè)為63.65MHz）；

3．在電橋測試口接上短路器后校開路，取下短路器后校短路。阻抗圓圖變成導(dǎo)納圓圖；

4．插入待測件即可測出其導(dǎo)納值（G+jB），從而算出電容C值。注意：屏幕上仍顯R+jX。但要知道其實(shí)是G+jB。經(jīng)過計算（從略），|X|Ω=|C|p,如測試值X為10Ω，則C為10p。同樣R值也可用于優(yōu)值Q的計算；

5．按63.662MHz設(shè)置時，適于測試1～999p；

按 6.366MHz設(shè)置時，適于測試10～9999p，即讀數(shù)乘以10；

按 0.636MHz設(shè)置時，適于測試100～99999p，即讀數(shù)乘以100；

6．也可用列表掃頻方案，同時使用兩或三個頻率進(jìn)行測試。

二．電容的高頻特性

在電路中經(jīng)常用到瓷片電容作旁路電容，測試中發(fā)現(xiàn)帶引線的瓷片電容呈電容性也是有條件的。由于引線電感的參與，變成了一個串聯(lián)諧振回路，隨著頻率的升高依次出現(xiàn)*個串聯(lián)諧振點(diǎn)與*個并聯(lián)諧振，也就是說一個電容的高頻測試特性也是在圓圖上周期性的繞圈。

集中電容，比如zui普通的瓷片電容，由于引線電感的原因，會出現(xiàn)串聯(lián)諧振現(xiàn)象（Φ=180⁰），超過諧振點(diǎn)后呈電感性。普通瓷片電容的諧振頻率大致如下：

高頻時電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）變大，普通的貼片電容不宜用于微波頻段。需要時，可以作一夾具進(jìn)行測試，其思路是：利用待測件與一段同軸線組成λ/2腔，并聯(lián)在傳輸線上形成一個陷波器，由陷波深度即可算出ESR。如圖3.6。

3.3 陶瓷諧振腔的測試方法

陶瓷諧振腔由于耐高溫，而且相對介質(zhì)常數(shù)高（常在80以上），故體積小，而且溫度穩(wěn)定性也好（約3ppm/C⁰），常用于功率較高（瓦級）的小型移動通信設(shè)備（如手機(jī)、無繩等）。對于這種器件，一般要求測其諧振頻率與Q值，對此作者摸索了一下，大致有以下幾個方法：臨界耦合法、反射系數(shù)法、陷波器法、弱耦合測頻響法，下面分段簡單介紹一下。

一．臨界耦合法

在一份美國Trans tech 的應(yīng)用筆記上有一短文報導(dǎo)了這種作法。

其思路為在一矢網(wǎng)上作一測試夾具，測試夾具本身為一插座，其內(nèi)導(dǎo)體伸出一叉形簧片，插座在經(jīng)過開路與短路校正后將陶瓷腔放在夾具上，陶瓷腔的引線（通常為一薄銅片）與插座的叉形形成一個耦合電容，前后移動腔體（改變耦合電容）使得腔形成臨界耦合，則此時虛部為0，實(shí)數(shù)為50Ω的點(diǎn)的頻率，即諧振頻率。而∣R∣=∣X∣的兩點(diǎn)間頻帶寬度去除諧振頻率即得Q。

這種測試方法在矢網(wǎng)上用圓圖來看，是很清楚的。但在標(biāo)網(wǎng)上也能測出，只要先調(diào)臨界耦合使得某一頻率上回?fù)p小于-40dB的話，則回?fù)pzui低點(diǎn)的頻率即諧振頻率f₀。再找出兩個7dB點(diǎn)的頻率f₁和f₂，則Q = f₀/（f₂-f₁），[當(dāng)臨界耦合時，∣R∣=∣X∣點(diǎn)的反射為 ±j/（2±j），其反射值為0.447，回?fù)p值為-7dB]。

此法比較直觀，但操作有困難，作者嘗試后認(rèn)為并不實(shí)用，因?yàn)閵A具難做，臨界耦合不是那么簡單就調(diào)好了的，速度太慢。

二．直接測反射系數(shù)法

思路在矢網(wǎng)經(jīng)過開短路校正后，在電橋測試端口開路時，光點(diǎn)在Г=1（Φ=0°）處，接上陶瓷腔后，在顯示屏上將出現(xiàn)如圖（圖3.1）的情況，則Φ=0°的一點(diǎn)的頻率，即諧振頻率f₀，記下此點(diǎn)的反射系數(shù)模值或回?fù)p即可算出Q。

陶瓷諧振腔一般有兩種作法，一是作成λ/4短路線，一是作成λ/2開路線。

1． λ/4短路線

Q =π/2⊿Φ=1.57/（1-|Γ|）（3.4）

有的書上 Q =π/（1-Γ²），當(dāng)|Γ|→1時，兩者是一致的。（推導(dǎo)從略）

1． λ/2開路腔可如法炮制得 Q=3.14/（1-|Γ|），似乎Q大了一倍，其實(shí)由于腔長了一倍，將增大一倍，又使Г減小，所以λ/2腔雖比λ/4腔的相位靈敏度高一倍，但Q值卻差不多。

3.參考表上兩式中Г是對Z_or（諧振腔的Z_o）而言，而儀器測試時是對儀器的Z_o而言，則應(yīng)由儀器測出之Г算出ρ₀與ρZ₀，然后除上Z_or得到腔內(nèi)之ρ_r→ 再算到Гr，以Гr代入Q值公式即得，當(dāng)儀器特性阻抗Z₀=50Ω，陶瓷腔Z_or=7Ω，可參考下表取值，使用時可用對數(shù)坐標(biāo)紙畫出連線以便插值。

4．實(shí)測效果

·諧振頻率的分辨率，決定于矢網(wǎng)的相位分辨率，對于相位分辨率為0.1⁰的情況下如λ/4腔，反射相位為180⁰即

能分辨1800分之一，對于900MHz，即0.5MHz。

·由于|Г|→1，因此對儀器穩(wěn)定性要求很高，而為減少接觸引入的損耗，因此要求接觸良好，故夾具不好作。

·雖然此法比較嚴(yán)格，但由于實(shí)際上的問題可能并不太實(shí)用。

三．陷波器法

2．估算

Z_x=0時，V_0max=V/2，假定Z₀=50Ω， Z_x≠0時，V₀=50V/（Z_x+100），則T=V/V_0max=100/（ Z_x+100），因此可由測出的

諧振點(diǎn)衰減值得到T，從而解出Z_x，

Z_x=（100/T）-100 （3.5）

而陶瓷腔的Z_xmax=ρZ_0r，陶瓷腔特性阻抗Z_0r一般在7Ω左右，則可算出腔內(nèi)ρ_r為Z_x/ Z_0r，由ρ_r可得有耗腔的等效|Г|代入公式可得Q，zui低點(diǎn)的頻率即諧振頻率。

示例，如某λ/4腔在諧振點(diǎn)測得的插損為30dB，即T=0.0316，則Z_xmax=100/T-100=3064Ω，除7得ρ=437.8，Г=0.99544，Q=1.57/（1-|Г|）=344，若λ/2腔也能測出30dB則Q=688。下面列幾個數(shù)據(jù)以見一般。

3．討論

用陷波器法測試也非常實(shí)際，操作簡單，動態(tài)要求不高，但對儀器諧雜波制能力要求很高，用一般掃頻儀或標(biāo)網(wǎng)是不行的，因?yàn)檫@些儀器無諧雜波制能力，測出的插損（IL）偏低，測不出腔的真實(shí)Q值。

夾具要推敲一下，否則影響結(jié)果與速度，對儀器輸入輸出匹配也有要求，重復(fù)性不好，Q值數(shù)據(jù)起伏太大，不推薦采用。

三． 弱耦合下測頻響法

1．思路將腔體接入一段傳輸網(wǎng)絡(luò)中，盡量降低耦合，以得到接近無載情況下的數(shù)據(jù)。

2．夾具的考慮

如圖3.8中，Z₁與Z₂如用小電容來實(shí)現(xiàn)，在推導(dǎo)中會出現(xiàn)ω²項(xiàng)不好辦，用電阻可能無此問題。實(shí)際用電阻作時，插損作不高（由于兩端分布電容的耦合），只好作成方形封閉的T形接頭，方形是為了便于定位，并且還要引入一個臺階以便腔體放入時不會掉下來。

3．實(shí)測效果

在未放入腔體時，兩針間系一截止波導(dǎo)，插損約60dB，放入陶瓷腔體后，陶瓷腔體的連接片改變了兩針之間的耦合，使插損約40dB左右，對于1900MHz的λ/2開路腔，測出3dB帶寬約3.4MHz，即Q約560，與國外產(chǎn)品用HP8720實(shí)測數(shù)值相符。

4．實(shí)用價值雖然這種作法的諧振頻率與夾具有關(guān)，是不太嚴(yán)格的，但由于測試簡單被測件只要放入即可，不要求

接觸良好（因?yàn)樵瓉聿鍝p就很大，接觸不良不發(fā)生影響），因此是很實(shí)用的一種方法。

五．討論

1．幾種方法的比較

·臨界耦合法由于不易調(diào)到臨界耦合，很難說有什么使用價值，而且機(jī)理尚未搞清；

·直接測反射系數(shù)法必須要矢網(wǎng)，頻率分辨力受相位分辨力限制，對裝夾要求很嚴(yán)；

·陷波器法對動態(tài)要求不高，但對諧波抑制要求較高，因此普通掃頻儀用不起來，適于測諧振頻率，而Q值不太準(zhǔn)。

·弱耦合法測諧振曲線此法雖不嚴(yán)格，但對夾具要求低，測Q準(zhǔn)確。諧振頻率與夾具有關(guān)，但重復(fù)性很好，適于工程中采用。

2．λ/2腔比λ/4腔Q高些嗎？

在前面公式中λ/2腔的系數(shù)比λ/4腔高一倍，是否Q會高一倍呢？其實(shí)不然，由于λ/2腔長了一倍，考慮損耗后Q值并不高。

舉個具體例子，在3GHz時7/8^“同軸線每米損耗約0.1dB，若用作諧振腔，λ/4為25mm, λ/2為50mm。

λ/4腔損耗為0.1×25/1000=0.025dB, 則回?fù)p為0.05dB, |Г|=0.999442, Q=2728。

λ/2腔損耗為0.05dB,回?fù)p為0.1dB，|Г|= 0.99885, Q = 2730。

可見兩者Q是一樣的。但λ/2腔的相位靈敏度要比λ/4腔快一倍，假如你能用上這個特性的話或許有些好處，想提高Q是辦不到的。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載與反射電橋

一．標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載

經(jīng)常會用到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載作為零反射，用來校正電橋的定向性，但標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載是否合乎標(biāo)準(zhǔn)呢？

1．與另一經(jīng)過計量的負(fù)載相比較，作法是用已知好的負(fù)載校零反射后，再進(jìn)行測量即可，此法zui簡單，而且是寬帶的。

二．反射電橋

電橋與負(fù)載之間有點(diǎn)象雞生蛋，還是蛋生雞的問題，沒有好橋作不出好負(fù)載，反過來沒有好負(fù)載也作不出好橋，兩者是互相促進(jìn)的，檢測電橋與檢測負(fù)載差不多。

1．在電橋校過開短路后，接上好的負(fù)載，測出剩余信號即代表電橋的定向性，生產(chǎn)時就是這樣作的，也只有此法zui方便。

2．拉動滑動負(fù)載，駐波應(yīng)不變，在阻抗圓圖上看應(yīng)為一個圓；而此圓的圓心與儀器的圓圖的圓心的偏離值，即剩余反射或定向性誤差，而圓的半徑即代表負(fù)載的反射，當(dāng)然在此例中此值并不起作用。

3．仍然采用λ/4法，橋與負(fù)載皆可得到校正。

3.5 轉(zhuǎn)接器

由于實(shí)際產(chǎn)品的插頭各種各樣，而儀器的測試接頭通常只有一種，這就有個轉(zhuǎn)接問題，而且它要參與到測試值中去，因此必須對其進(jìn)行檢測，有幾種作法。

1．在轉(zhuǎn)接頭后接上相應(yīng)的負(fù)載后，測其輸入駐波，此法雖簡單，問題是不易得到各種不同連接器的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載。但對于某一具體單位，對于某種常用的尺寸型號，作些負(fù)載也是必要的。

2．將兩個轉(zhuǎn)接器對接起來后仍接儀器標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，進(jìn)行測試，由于可能偶然會碰上兩個反射會抵消的情況，因此測試頻帶應(yīng)盡量寬，償若寬帶內(nèi)并無起伏，才能證明轉(zhuǎn)接器無問題。

3．兩個轉(zhuǎn)接器對接接負(fù)載后的駐波若很小，而且在兩個轉(zhuǎn)接器間再串入一段對使用頻率為λ/4的短標(biāo)準(zhǔn)線后的駐波仍然很小，才能證明這種轉(zhuǎn)接器在這個頻段沒有問題，因?yàn)?次測試若反射抵消而經(jīng)λ/4就會變成疊加，因此兩次結(jié)果皆好，才是真好。

4．轉(zhuǎn)接器的本身反射（S₁₁）能作到40dB是很好的，也是很難的，尤其是頻率高時譬如3GHz能到30dB也就能用了。

對于尺寸較大的轉(zhuǎn)換，可用時域法檢測，找出關(guān)鍵反射點(diǎn)，以便改進(jìn)。

3.6 其它

1．隔離器與環(huán)流器

PNA只能測單向的參數(shù)，必須掉頭才能測試隔離度。

2．功分器

功分器為3端口以上的器件，PNA只能測其中兩個端口的參數(shù)，測試時其它端口要接上匹配負(fù)載。

3．濾波器

PNA能測濾波器的頻響與駐波比，適于開發(fā)與研制，還能測試濾波器的群時延。

4。放大器

請注意放大器的zui大輸出問題, 由于本機(jī)輸入端口靈敏度較高, 而內(nèi)部又無程控衰減器，承受功率小于1mW, 測增益時必需外接衰減器以抵消放大器的增益。

§4 線天線測試

4.1 駐波比測試

測駐波比的連接與方法都是一樣的，只是要注意幾個實(shí)際問題。

1．天線是有輻射的天線應(yīng)置于空曠場所（有條件的話，在暗室或暗箱內(nèi)測試），儀器應(yīng)置于無強(qiáng)輻射處。當(dāng)手摸電纜或儀器時，讀數(shù)會變即屬不正常。注意電纜外導(dǎo)體必須與連接器外殼接觸良好，必要時還要考慮儀器是否要加屏蔽。

2．注意防止電纜出問題

·實(shí)際測量中要防止電纜出問題，不是實(shí)在必要，不宜通過電纜來進(jìn)行測試，否則電纜的不完善將影響測試精度，

作為測試電纜必須經(jīng)過檢驗(yàn)，其回?fù)p優(yōu)于30dB為宜，隨便找一根電纜可能只有十幾個dB那是不行的。

·電纜不好能否進(jìn)行三項(xiàng)校正來提高精度呢？原則上是可以的，用雙陰加陽負(fù)載只適于1000MHz以下，而且PNA還要求電纜回?fù)p優(yōu)于24dB才能校零，否則出錯。

·即使作為連接電纜，也常因接觸不良與開短路現(xiàn)象造成儀器不能正常工作，通常以為是儀器故障，其實(shí)多半是電纜出了問題。

3．帶有長饋線的天饋系統(tǒng)

在機(jī)房內(nèi)測饋線端口駐波即天饋系統(tǒng)駐波，此時一般饋線較長，少則幾米多則上百米，這其中有三種反射，一是天線入口的反射，常稱遠(yuǎn)端反射；另一種是饋線到儀器的轉(zhuǎn)接頭的反射，稱近端反射；還有就是zui不好控制的饋線本身的反射。

·為了便于觀測，現(xiàn)在多用駐波電橋來測試，它是一種差模器件，對共模50Hz有強(qiáng)的抑制，但是卻帶來了三種反射一起看的后果，造成反射的頻響曲線起伏很大，當(dāng)然zui高點(diǎn)若也合格那是沒有矛盾的。但經(jīng)常有多點(diǎn)超出，此時用掃頻儀在0.01掃速檔是看不出來的（由于檢波濾波電路起了平滑作用，若用1秒掃速就看見了），所以人們寧愿用掃頻儀或標(biāo)網(wǎng)而不愿用PNA。

一般說來天線輸入口的反射都是合格的，但由于另兩項(xiàng)的參與就出了問題，對于近端轉(zhuǎn)接一般在米波問題不大，更高頻段時就得注意，盡量要減少近端反射以減少它帶來的超差。

·關(guān)于主饋管的反射問題，好的主饋管會幫你忙，因?yàn)樗旧矸瓷湫。圆辉趺丛黾臃瓷洌忠肓藫p耗，每1dB插損可增加2dB回?fù)p。但差的饋管就會造成某些頻點(diǎn)疊加而超限，這只有靠取平滑值（即只看曲線的中心線，但有的用戶是不會同意的，只好仍用掃頻儀）。饋線差的那怕接上的負(fù)載（1.01）也會出現(xiàn)某個頻率突跳的諧振現(xiàn)象，說明此饋管不宜在此頻段使用，只好在其他頻段試試。

其實(shí)用時域來觀測這些反射，那是分得很清的，一般遠(yuǎn)端反射并不大。而饋管的分布反射并不很小，但這種檢查由于沒有條文規(guī)定，不能作為驗(yàn)收的依據(jù)，只是一種檢查故障的方法。主饋線入口駐波不合格多半是天線指標(biāo)不富余而后與饋線在某些頻點(diǎn)反射疊加造成的，因?yàn)殚L達(dá)百米的多個分布反射在某一頻點(diǎn)疊加起來的概率確實(shí)是存在的，大型饋管本身作到1.1就不錯了，迫不得已饋管也得進(jìn)口。

4.2 阻抗測量與匹配

僅僅為了驗(yàn)收，測駐波比已是，但若為了試制定型，為了得到更好的阻抗匹配，就得要作阻抗測量，以便看看有無改進(jìn)余地。

阻抗測量采用矢網(wǎng)進(jìn)行，那是很方便的，儀器自動點(diǎn)出阻抗在圓圖上的軌跡，作法參見說明書。這兒提一下阻抗匹配。

對于某種器件或某種阻抗變換器，若有現(xiàn)成的軟件進(jìn)行設(shè)計匹配的話，請盡量利用這些軟件，這兒只是談?wù)勔话愕暮唵蔚钠ヅ湓瓌t與措施。阻抗匹配應(yīng)在矢網(wǎng)上進(jìn)行，其它儀器不知道改進(jìn)方向，事倍功半甚至選錯了對象。

1．選擇好參考面

設(shè)計一個器件，應(yīng)當(dāng)在力所能及的范圍內(nèi)盡量設(shè)計正確，僅僅只留下一個不好交待的地方，讓調(diào)試去解決。因此我們只去對付一個反射點(diǎn)，假如一個器件或一個天線只有一個主要反射點(diǎn)的話，儀器的參考面就應(yīng)當(dāng)設(shè)在這里或盡量靠近，當(dāng)然一般測試時都選擇了器件的交界接插件上，譬如一個帶電纜的振子，此時參考面不能選在插頭上，而要選在電纜的末端焊接振子處。

假如在圓圖上看見阻抗軌跡呈蚊香狀，那就要看看參考面是否選對了。

2．調(diào)節(jié)器件能調(diào)的部位使各頻點(diǎn)的阻抗點(diǎn)跡能盡量集中在圓圖上成一小團(tuán)（先不急于匹配，先要將點(diǎn)子調(diào)集中），這樣匹配后帶寬能寬些，能調(diào)到又集中又匹配當(dāng)然。

3．調(diào)匹配

·假如點(diǎn)子集中，并且實(shí)數(shù)靠近50Ω，虛數(shù)呈感性，那末串入適當(dāng)容抗即可匹配。由于串電容不如并電容方便，因此可用一塊小銅皮并上去再滑滑看（參見下面4中第5點(diǎn)）；

·假如實(shí)數(shù)對但虛數(shù)偏容性，這時就要減窄或改細(xì)一些的引線試試看；

·假如在實(shí)軸上，但阻值不對，這時就要用到單節(jié)或兩節(jié)λ/4變阻器。四節(jié)短階λ/16的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配效果也很好，但須有機(jī)助軟件，手算困難。

4．幾點(diǎn)體會

·設(shè)計器件時應(yīng)留有調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)與余地，譬如λ/4的支撐就可以調(diào)調(diào)，對于振子其粗細(xì)，長度皆應(yīng)可換可調(diào)，假如振子帶有反射板的話，與反射板的距離是個很重要的能將點(diǎn)子集中的參數(shù)。

·在圓圖上某些散開的點(diǎn)子可以通過λ/4線的補(bǔ)償特性進(jìn)行收攏，有時甚至用到5倍λ/4，當(dāng)然這得碰得巧，要對癥下藥，不能千篇一律對待。

·匹配時zui怕的是在圓圖上為一弧形而在前，低端在后，越是遠(yuǎn)將越散開。此時可選中點(diǎn)在實(shí)軸上，為了寬帶匹配不得不引入更不匹配的方法；如原來阻抗已低，卻采用更低的特性阻抗，這在圓圖上是看得很清楚的，不同特性阻抗線的采用，在阻抗圓圖實(shí)軸上是個平移過程，平移過了原點(diǎn)后，自然高低端的前后關(guān)系反了過來。這樣再經(jīng)過一段線就可以收攏了，應(yīng)該說這是很妙的一招，在全波四振子陣上就有人是這樣用的。

·一般來講，阻抗特性主要決定于天線或器件的本身，但與阻抗匹配也是相輔相成的，兩者要配合得好才能取得好的結(jié)果。

·假如用并聯(lián)元件來匹配時，先接短路器作開路校正，然后開路作短路校正，此時相位差了180°，因此再用阻抗圓圖來看時, 就成了導(dǎo)納園圖，此時用圓圖只宜用來看相位與看曲線集中情況及趨勢等, 而閃點(diǎn)參數(shù)所顯相位數(shù)值需改正負(fù)號（即差±180°），R與X是不太好用的（一定要用的話，可將R+jX用50Ω除后再取倒數(shù)，即得到歸一后的相對導(dǎo)納g + j b）。

4.3 天線陣面幅相分布的檢查

一．引言

對于一個陣列天線，不管是線陣還是面陣，對其陣面場的幅相相對分布是有其相應(yīng)的要求的。天線作好后一般是測其遠(yuǎn)場性能，這就要有大的設(shè)施，大的場地，費(fèi)錢又費(fèi)時。其實(shí)只要在近場測出其口面的幅相分布，即可算出其遠(yuǎn)場特性。近場測試也有其具體問題，需要微波暗室以及一套好的拾取天線與定位系統(tǒng)，但是僅僅為了證明天線是否正常，只作近場診斷（或稱作檢查）那就簡化多了，用不了那么多的設(shè)備，只要作個拾取天線，即可用矢網(wǎng)測出各振子間的幅相關(guān)系。

二．拾取天線

任何形狀的線天線、環(huán)皆可作拾取天線，但我們經(jīng)驗(yàn)以對稱振子與平衡環(huán)兩種為好。為了簡化定位問題，我們可以將拾取天線掛在要測的振子上，要作絕緣的掛鉤，以盡可能保持每次放置的位置相同。

1. 對稱振子（圖4.1）），其長度L沒有什么要求，一般短于被測件即可，只要拾取信號夠強(qiáng)，短些也無妨，但兩臂長度要對稱。往下送的雙線對稱式平衡器可以用金屬管焊成，也可用電纜本身作成，長度在λ／4左右即可，要求并不嚴(yán)格。采用正掛與反掛振子在同一被測振子上，要求兩者幅度基本相等，相位則反相（即相差180°）。

2．平衡環(huán)（圖4.2），環(huán)可以是圓的，也可以是矩形的。尺寸<<λ，外觀對稱而將同軸線心線焊到對面即可，環(huán)本身是對稱的，因而形成了一個穿入式的平衡器。

這是一個磁耦合環(huán)，適宜于測線上電流分布，當(dāng)然也適宜于測振子間幅相分布，但定位比對稱振子困難一些。判斷此環(huán)的好壞，也是正反掛在被測振子上時要求幅度基本相等，相位亦反相。

三．具體做法

圖4.3畫的是個3元倒相式天線, 實(shí)際上不管多少元都是一樣的。

·將天線輸入頭接到矢網(wǎng)輸出端口上；

·將拾取天線掛在zui強(qiáng)的一個振子上, 以此作為參考振子；

·設(shè)置測試頻率（1點(diǎn)或多點(diǎn)），校直通；

·按菜單鍵, 選相損畫面, 此時幅值應(yīng)在0dB左右, 相位應(yīng)在0°左右；

·將拾取振子掛到其他振子上, 記下幅值與相位, 即可得到各個振子的相對幅相分布；

作此試驗(yàn)時，應(yīng)採用精測，地方要適當(dāng)空曠一些, 人距天線適當(dāng)遠(yuǎn)些, 若懷疑儀器不穩(wěn)則可再掛回參考振子處重校后再測, 甚至測一點(diǎn)回一次參考振子處, 也可能另外的振子更強(qiáng)也不怕, 因?yàn)橄鄵p的范圍為+1dB、-4dB, 這適合于測等幅分布的情況, 若起伏更大可按換檔鍵換檔, 可測+5dB到-20dB范圍, 一般是夠用了。

四．結(jié)束語

在V頻段以上S頻段以下, 全向縫陣用得較多, 我們經(jīng)驗(yàn)證明，在調(diào)匹配過程中必須監(jiān)視各縫的相位基本相同, 否則即使匹配調(diào)好了, 而增益降低了也是不好用的。測試表明, 相位分布對的增益就高, 否則就低, 這是顯然的, 因?yàn)橹挥型嗉悠饋聿攀莦ui大。有了矢網(wǎng), 就要利用矢網(wǎng)能測相位這個重要功能, 使得我們能開發(fā)與生產(chǎn)出性能優(yōu)良的天線產(chǎn)品。

注：標(biāo)網(wǎng)只能測幅值分布，不能測相位分布。

4.4 方向圖的測試

方向圖測試本身并不難，難在它須要一套設(shè)施。首先是空曠的場地或暗室，其次是轉(zhuǎn)臺與安裝設(shè)備，當(dāng)然還要有一套收發(fā)裝置能自動記錄測試數(shù)據(jù)。

這里要提醒的是在測照射器的幅度方向圖之前，先要測出其相位方向圖以定出相位中心后，才能測幅度方向圖。

Ⅰ. 相位方向圖的測試

由于這個問題未受到充分重視，故這里先講它，作為拋物反射面天線的照射器，可以是振子，也可以是喇叭，甚至是波紋喇叭，拋物面反射器對照射器不但有幅度分布要求，對相位分布也有要求，一般要求同相。或者說測幅度方向圖時轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心要落在照射器的相位中心上，除要求轉(zhuǎn)臺上有平移微調(diào)用的拖板，以便來回調(diào)整位置，找到合適的相位中心，當(dāng)然指示設(shè)備要用有相位信息的矢網(wǎng)之類的幅相接收機(jī)，zui簡單的就是PNA。

相位中心不是一次就找得出來的，它是一個試湊過程，甚至有的照射器E面與H面相位中心不重合，假如你能在天線反射面或付面中能修正這些相位誤差的話，你的天線設(shè)計就又高了一層。

Ⅱ. 測遠(yuǎn)場幅度方向圖的考慮

一．測試距離R

一個待測天線zui大口徑尺寸為D則R≥2D²/λ，對于一般通信天線大致上約為30m。這是允許口面相位差π/4推出的，適于一般常規(guī)要求。

二．架高問題

一般習(xí)慣收發(fā)天線適當(dāng)架高一些，以避免阻擋與人的影響。有人想避開地的影響，拼命架高并無必要，因?yàn)樵?/span>

低頻段，低增益下脫離地面達(dá)到自由空間的效果是辦不到的，甚至測增益有時要故意架低才能測準(zhǔn)。但測波瓣并不太在乎高度，也不宜放在盲區(qū)，有時得適當(dāng)選擇一個高度才行。當(dāng)然有條件的話盡量在暗室中測試。

三．系統(tǒng)信號強(qiáng)度（接收功率）估算

頻譜儀靈敏度高是由帶寬換來的，假如信號源不穩(wěn)仍然是收不好的，對于3000 MHz，1KHz的帶寬為3.3×10^-7這不是一般信號源作得到的，一般信號源只有10^-5甚至10^-4。

頻譜儀是用來測頻譜與交調(diào)的，僅作天線一般是沒有必要購置的。

5．接收功率P_r必須高于噪聲電平40dB以上，估算強(qiáng)度時要留有40dB以上的余量。

四．具體實(shí)現(xiàn)方案

以MMDS全向天線為例，G_r=13dB，λ=0.1米，λ_dB=-20dB，半波振子G_t為2dB（用等比結(jié)構(gòu)天線更高一些），30米的R_dB為-52dB（空間因子）。

1．大功率檢波低放方案

P_r=P_dBm+2+13-20-52= P_dBm-57dB

與交流調(diào)制的二極管靈敏度相當(dāng)，但是還要加40dB動態(tài)，所以發(fā)射功率要40dBm即10W，這種作法的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)榘l(fā)射功率大，但這樣作會干擾其它設(shè)備，大功率信號源也不太好找。

2．PNA自發(fā)自收

這種作法增加了電纜損耗，要用放大器，30米SYV—50—5損耗30dB，則動態(tài)只有30dB，用SYKY—50—9動態(tài)可達(dá)50dB，一般情況下加放大器后再用精測，發(fā)射電纜用粗些的空心電纜是夠用的了，已有PNA的情況下，不必再投資。

3．PNA加放大器發(fā)，混頻中放接收機(jī)收

動態(tài)可達(dá)到55dB，混頻中放接收機(jī)與本振可以自制，也可以在購置天線方向圖測試儀時成套購置。

4．頻綜發(fā)，測試接收機(jī)（或頻譜儀）收，動態(tài)可到66dB，雖有好處，而投資大增。

五．不穩(wěn)定的問題

1．接收的信號噪音比（S/N）不高是主要原因，至少要40dB，越高越好。

2．天線與轉(zhuǎn)臺不牢固，受風(fēng)的影響或人的影響。

3．注意漏信問題。

·放大器必須放在發(fā)射天線處，遠(yuǎn)離PNA。

·輸入輸出兩電纜盡量拉開一些，不能靠近，用一段具有雙層鍍銀屏蔽層的電纜或其它屏蔽性能好的電纜作PNA的引入與引出。

·電纜連接器與電纜外皮必須接觸良好。

4．檢查儀器是否穩(wěn)定

將整個環(huán)路連在一起，但發(fā)射天線到接收天線之間，用長電纜加衰減器來代替空間衰減與相移（前例中衰減量為20+52-2-13=57dB）。信號若很穩(wěn)定，而且拔掉電纜后信號能下降40dB，即說明儀器正常（假如有步進(jìn)衰減器，搬動衰減器信號能依次下降達(dá)40dB，那就更明確了）。

5．有外部干擾時，可在儀器輸入端串入窄帶帶通濾波器，以抑制帶外干擾。

六．改進(jìn)方向

1．測方向圖有正規(guī)的轉(zhuǎn)臺與固定裝置。

2．有自動記錄儀器。PNA可選自動記錄中等增益天線波瓣功能。

3．有暗室或暗箱作近場診斷或測試（用PNA即可，但有一個定位問題）。暗室大到能作遠(yuǎn)場測試當(dāng)然更好。

附：喜連川天線的垂直方向圖

這是一種簡潔的全向垂直極化天線，垂直波瓣通常要求下俯或平視，不希望上翹，為此需對垂直波瓣進(jìn)行測試。

當(dāng)然在實(shí)際使用狀態(tài)下進(jìn)行測試，但這樣做代價太高，通常比較可行的方法是將天線橫過來水平放置后，測水平方位波瓣來代替的。

一．水平放置的喜連川天線并不等于水平極化天線

1．不允許采用金屬固定架

水平極化振子一般是對稱的，允許采用垂直的金屬支架（∵左右相等相反，支桿處于零場處），而喜連川天線的電場是不對稱的，若用金屬支架，其上必然有電流。

2．下引電纜外皮電流問題

·傳導(dǎo)電流正規(guī)喜連川天線引出處加有λ/4扼流套，可以防止天線電流向下流，但由于有的人為了簡單將這個套取消。還有的人為了調(diào)配方便，用了一段λ/4雙線來代替，這是基本錯誤。對稱式平衡器只在對稱振子中有效，對于喜連川天線這種非對稱結(jié)構(gòu)，只有扼流套才有效，其他平衡措施一律無效。

·感應(yīng)電流由于電纜外皮處于非零場中必然有感應(yīng)電流，或者說喜連川天線對外皮之間必然有共模電壓，通過天線對外皮的共模阻抗必然有外皮電流，但加扼流套能保證皮上電流不流入同軸線內(nèi)。

二．改善波瓣測試精度的措施

·天線支架采用非金屬；

·喜連川天線本身應(yīng)加扼流套，正反加皆可；

·引下電纜穿入帶扼流套的金屬管中，扼流套可不止一個。也可將電纜外皮用吸波材料包住；

·收發(fā)天線電纜出頭處的連接器，必須裝配良好，電纜外皮應(yīng)與連接器的地接觸良好；

·發(fā)射天線應(yīng)為對稱線天線，并加有寬帶平衡裝置，防止發(fā)射交叉極化。若用對數(shù)周期振子對，電纜引出處上下管末端必須短接（有人不短接）。

·被測天線附近應(yīng)開曠，盡量減少場地的不對稱。

三．幾個試驗(yàn)

·兩次記錄同一狀態(tài)下的波瓣，應(yīng)基本一致，否則有接觸不良或干擾存在。

·改變天線在架上的角度以試天線本身的對稱性。

·試引下電纜平伸加長或改變角度的影響。在正常接收情況下，手握（或晃動）發(fā)射或接收天線電纜，讀數(shù)應(yīng)基本不變，以此判斷皮上電流的有無與大小。此試驗(yàn)只能在測插損狀態(tài)下進(jìn)行。

·試天線電纜端對270°，與頂端對270°所測波瓣的差別，以試場地的影響。

·以手動測試來判斷儀器自動記錄是否正常。

·試試旋轉(zhuǎn)中心前后移動是否有影響（∵喜連川天線中心難定）。

·試外部干擾與儀器的動態(tài)范圍。在校完zui大值后，在有隔離器的情況下，拔掉發(fā)射天線進(jìn)行波瓣記錄，記下的波瓣就是干擾分布圖或動態(tài)范圍（應(yīng)≥40dB），可用來估計干擾的影響或想法避開干擾的方向。

四．結(jié)束語

喜連川天線由于是全向性，而且是不對稱結(jié)構(gòu)，對測試帶來困難。再加上節(jié)數(shù)多，結(jié)構(gòu)也不易作得很對稱，波瓣測試能在某個頻點(diǎn)上比較對稱就不錯了，所有頻點(diǎn)全部對稱是很難的，定向天線有反射板就好辦多了。

4.5 線天線增益的測試

一．兩天線法

1．用途當(dāng)有兩個相同的天線要測增益時，可用此法。尤其是圓極化天線，因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)增益天線作比較，不得不采用此法。此法適于測試小的GPS天線或單組貼片天線。

2．原理此法的理論根據(jù)是，兩點(diǎn)源在自由空間的插損IL是可以算出的，因此換成兩個天線后，插損減小的dB值即兩天線增益dB值的和。若兩天線相同，除2即得單個天線的增益dB值。如其中有一個已知，也可算出另一個。

3．條件首先想法接近自由空間環(huán)境，在暗室中用吸波材料或在普通房間內(nèi)采用小的測試距離以接近自由空間環(huán)境。

因此G≤10，頻率高時好辦些。其次是被測天線應(yīng)有明確的輻射中心，以便量距離。如貼片天線的輻射中心就在口上，而八木天線的輻射中心就說不清，距離不好確定，不適于此法。

4．算法對于天線口面每邊D都≤λ的天線，測試距離R= 2D²/λ=2λ。以GPS瓷片天線為例，λ=0.19 米，R=0.38m, 由（6.11）式知:

兩天線之間的衰減P_r/P_t= G₁A₂/4πR²代入A₂=G₂/4π

=G₁G₂（λ/4πR）² 代入R=2λ

=0.0016G₁G₂

以下用dB值表示，插損IL=G₁dB+G₂dB-28dB，即G₁dB+G₂dB=28dB-IL

注意：兩點(diǎn)源在自由空間的插損是（λ/4πR）²，而不是擴(kuò)散因子1/（4πR²）。

5．測法

·在兩個相同的天線的背面直接裝上插座，架好并保持口面間距為2λ；

·兩連接電纜校直通后，分別接到兩個天線插座測其間插損IL；如IL=18dB，則G=5dB；

注意：此法以點(diǎn)源為準(zhǔn)，測出的增益倍數(shù)為G₀，dB數(shù)為dBi；

此法可與比較法結(jié)合起來作，即可先測兩個半波振子的G₀ ，以作比較。

二．三天線法

當(dāng)有三個天線時，可用此法。條件同兩天線法。

原理：用兩天線法，可測得兩個天線增益dB值之和；若有三個天線，其增益分別為G₁，G₂，G₃ ，兩兩組合測三次得：G₁dB+ G₂dB= XdB

G₂dB + G₃dB= YdB

G₃dB+ G₁dB = ZdB

三式相加除2得 G₁dB + G₂dB + G₃dB =（X+Y+Z）dB/2 = WdB 則：

G₁dB = WdB – YdB， G₂dB = WdB – ZdB， G₃dB = WdB - XdB

三天線法顯然比兩天線法繁得多，不是極其考究的情況，不必采用。

三．比較法

1．引言

雖然測量天線增益的方法已列入標(biāo)準(zhǔn)化資料，似乎不存在什么問題。但看到目前有些單位的場地、設(shè)備條件以及測試方法的采用上，仍然想談一下我們在1965年測一米波雷達(dá)天線增益時碰到的一些問題，以及我們的做法。值得提醒的是，這里與一般微波天線增益測試在某些做法上很不一致的。譬如微波天線強(qiáng)調(diào)的是垂直口徑上的起伏（包括收發(fā)雙方），而在米波段，距離上的起伏（或稱空間駐波）卻更為重要。微波天線希望盡量架高以脫離地面，而米波段有時卻故意架低來解決地面對增益測試的影響。

2．基本布置

書上談到的測增益方法不止一種，但在米波段，用半波振子作參考天線（也可稱標(biāo)準(zhǔn)增益天線），用比較法測增益可能是zui簡單實(shí)用的方法。其布置示意圖見圖4.8，信號天線在兩天線的中垂線上。

在通訊、廣播電視行業(yè)中，增益G的定義本來就是相對半波振子而言的。這種定義的物理意義顯而易見，測試也方便。而在雷達(dá)行業(yè)中卻習(xí)慣用點(diǎn)源作參考（寫作G₀），可惜點(diǎn)源只是理論上的東西，實(shí)際測試中，還得用半波振子陣測試得到G_λ/2，然后再乘1.64即得G₀。若用dB值表示，G_λ/2則成dBd, G₀ 則成dBi, dBd= dBi+2dB（注：10log1.64=2.15dB，略作2dB）。

4．被測天線的架高問題從直覺出發(fā)總希望把天線盡量架高一些來擺脫地面的。事實(shí)上，米波段天線垂直方向圖都比較寬，想擺脫地面是辦不到的。因此只要適當(dāng)架高即可，所謂適當(dāng)就是從便于操作與架設(shè)出發(fā)，只要不低到地面影響天線上的電流分布或阻抗就行了。架高不宜小于一個波長，不要以為越高越準(zhǔn)，正相反，假如天線不下俯的話，架高越高，垂直方向所引起的損失越大。另一方面，越高晃動越大，而且垂直花瓣更多不易測準(zhǔn)。

5．有地面反射時，垂直方向圖在增益測試中的影響，雖然由于立體波束變窄所得到的好處就叫增益，但是由于垂直波束變窄，在測試距離不是很遠(yuǎn)、而且米波段地面反射嚴(yán)重的情況下，會帶來測試值偏低的情況。這個問題讓我們從信號天線的架高考慮上談起。有三種作法:

A、升降信號天線直到找到垂直波束zui大點(diǎn)為止，設(shè)在此時測出的增益為G₁。

B、信號天線與被測天線等高，設(shè)此時測出的增益為G₂。

C、只要信號足夠強(qiáng)，信號天線盡量降低，設(shè)此時測出的增益為G₃。

信號天線處于zui大點(diǎn)位置zui易為人接受，信號天線與被測天線等高也是習(xí)慣作法，只有第三法將信號天線架低，被測天線下俯的作法似乎不合情理，但理論（推導(dǎo)從略）與實(shí)踐皆證明第三法是*正確的。當(dāng)然若被測天線垂直方向圖很寬，這個差值并不很大。

在采用第三法時，φ→180⁰，因此直接波與反射波是相消的，因此只能在信號足夠強(qiáng)的情況下才能架低，信號太

弱時也只好架高一些。

如說駐波≤1.5）。否則應(yīng)采用發(fā)射法以便對兩個天線的發(fā)射功率進(jìn)行監(jiān)測，并代入增益公式進(jìn)行修正。

3.參考天線與端射天線的相對位置問題在用比較法測天線增益時,假如天線不大并且倒下很方便的話，則兩個天線可先后放在同一地點(diǎn)上。假如天線不能倒下，則有個d與r的問題（右圖）。只要測試距離夠遠(yuǎn)，由r引起的幅度差異是不大的，也是可以估算的。R方向帶來的起伏主要是空間駐波。

嚴(yán)格地講，應(yīng)找出八木天線的相位中心，但一般可將半波振子放在激勵元附近，然后前后移動（或擺動）測出空間駐波即可。

至于d的決定，宜適當(dāng)大一些。可在不同的d上測空間駐波，起伏在一分貝內(nèi)即可，只要大部分頻率點(diǎn)好就行，有時個別頻率上起伏達(dá)三分貝，再拉遠(yuǎn)也不行時則只好作罷。一般說來90⁰方向場強(qiáng)很弱只要適當(dāng)拉開些即可。

4．步驟（以接收法為例）

·將半波振子調(diào)到測試頻率的相應(yīng)長度上（略短于λ/2），其駐波比≤1.2。

·檢查被測天線駐波，若大于1.5（要求低時不妨到2），則應(yīng)調(diào)好或采用發(fā)射法修正入射功率。

·信號天線開始發(fā)射，大致看看半波振子收到的信號強(qiáng)度，只要檢測設(shè)備有足夠大的讀數(shù)，而且讀數(shù)穩(wěn)定的話，盡量將信號天線架低。

·將半波振子前后移動（或擺動）λ/2，記下zui大值P_大與zui小值P_小。

·將檢測設(shè)備接到被測天線，使天線方位對準(zhǔn)信號天線，然后下俯找到zui大值（假如天線能俯仰的話），記下信號強(qiáng)度P_T

被測天線增益G_dBd= P_TdB– （P_大dB+ P_小dB）/ 2

注：這里假定讀數(shù)全用分貝表示，若用倍數(shù)表示則應(yīng)用。

六．結(jié)束語

天線參數(shù)測試中，測增益是個需要認(rèn)真對待的問題，否則難以得到可信的結(jié)果。關(guān)于空間駐波修正的測試方法自1965年提出以來，我廠一直沿用。也曾介紹給來廠參觀的同志，并寫入產(chǎn)品技術(shù)總結(jié)。考慮到有人不熟悉此法，特寫出供參考。

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