非插入式器件如何測(cè)量？

　　由于微波工程上的需要，大多微波射頻部件的端口都是陰頭，而電纜連接器件的端口卻是一陰一陽(yáng)，這些微波射頻部件不能直接連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行直通測(cè)試，被稱(chēng)為非插入式器件。實(shí)際測(cè)量中，存在大量的非插入器件，他們端口連接類(lèi)型相反，陰陽(yáng)極性相同，校準(zhǔn)時(shí)不能直接進(jìn)行直通測(cè)量。為了讓非插入式器件連接上矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，必須加雙陰或雙陽(yáng)轉(zhuǎn)接頭，這樣矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試值并不是被測(cè)件實(shí)際值，而是被測(cè)件加上轉(zhuǎn)接器的值。

　　一般測(cè)量中都忽略了轉(zhuǎn)接器的影響，認(rèn)為所測(cè)結(jié)果就是被測(cè)件實(shí)際值，無(wú)形中將轉(zhuǎn)接器的損耗和時(shí)延加在被測(cè)件上，從而無(wú)法得到被測(cè)件的準(zhǔn)確值?；蛘邷y(cè)試中用不同的校準(zhǔn)方法，例如，特性未確定直通法、特性確定直通法、等適配器交換法、適配器移除等，減少轉(zhuǎn)接器對(duì)被測(cè)件的影響，但這些方法無(wú)論優(yōu)劣都無(wú)法直接去除轉(zhuǎn)接器對(duì)非插人器件的影響。本文通過(guò)單端口測(cè)試未知特性的轉(zhuǎn)接器（如雙陽(yáng)和雙陰接頭），根據(jù)算法和假設(shè)條件，使級(jí)聯(lián)后理論計(jì)算值接近實(shí)際測(cè)量值，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)接器的值，最終得到被測(cè)件的準(zhǔn)確值，從而去除轉(zhuǎn)接器在測(cè)試中對(duì)被測(cè)件的影響。

　　1 原理

　　信號(hào)流圖（如圖1所示）結(jié)合散射參數(shù)是分析微波網(wǎng)絡(luò)和微波測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)便有效方法。流圖公式亦稱(chēng)梅森不接觸環(huán)法則（Mason’s non-touching loop rule），簡(jiǎn)稱(chēng)梅森公式。根據(jù)梅森公式可以直接求出信號(hào)流圖中任意兩點(diǎn)之間的傳輸值。

　　圖1 信號(hào)流

　　梅森公式：

　　由梅森公式可知 ：

　　2 驗(yàn)證過(guò)程

　　適配器有很多種，為了研究方便和具有普遍性，本試驗(yàn)用雙陰和雙陽(yáng)做驗(yàn)證，其他類(lèi)型的適配器原理和過(guò)程也是相同。

　　實(shí)驗(yàn)中要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1臺(tái)（100 MHz～40 GHz）、電纜2根、2．4 mm的校準(zhǔn)件1套（AV31123，校準(zhǔn)件和電纜精度要高，誤差要小），可編程步進(jìn)衰減器1個(gè)。設(shè)置線性頻率范圍1～21 GHz，每100 MHz取一個(gè)點(diǎn)，掃描點(diǎn)數(shù)201，中頻帶寬100 Hz。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩端口接電纜，對(duì)電纜進(jìn)行全雙端口SOLT校準(zhǔn)后，電纜端口為校準(zhǔn)端面，去處12項(xiàng)系統(tǒng)誤差。準(zhǔn)備工作完成后，使用不同的方法進(jìn)行測(cè)試。方法1中，雙陰和雙陽(yáng)值是接50Ω匹配負(fù)載計(jì)算得到；方法2中，雙陰和雙陽(yáng)值是通過(guò)接可編程步進(jìn)衰減器計(jì)算得出。下面為2種方法的詳細(xì)過(guò)程。

　　2．1 方法1

　　端口1接雙陽(yáng)接頭后，分別連接開(kāi)路器、短路器、50 Ω匹配負(fù)載（如圖2所示）測(cè)出反射系數(shù)分別為ΓAO、ΓAS、 ΓAL。端口2接雙陰接頭后，分別連接開(kāi)路器、短路器、50Ω匹配負(fù)載（如圖3所示），測(cè)出反射系數(shù)分別為ΓBO、ΓBS、Γ BL。然后端口1直接加開(kāi)路器、短路器、50 Ω匹配負(fù)載，測(cè)出反射系數(shù)分別為Γ1O、Γ1S、Γ1L（如圖4所示）。 端口2直接加開(kāi)路器、短路器，測(cè)得反射系數(shù)分別為Γ2O、Γ2S、 Γ2L（如圖5所示）。

　　圖3 雙陰接開(kāi)路器、短路器、匹配負(fù)載

　　圖4 端口5接開(kāi)路器、短路器、匹配負(fù)載

　　圖5 端口2接開(kāi) 路器、短路器、匹配負(fù)載

　　由式（2）可以得到雙陽(yáng)、雙陰的方程組 ［SA］、［SB］分別為：

　　式中：m11、m12、m21 、m22為待測(cè)雙陽(yáng)接頭參數(shù)值，n11、n12、 n21、n22為雙陰接頭的S參數(shù)值。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)互易有，m12 = m21 n12 = n21，則方程組可解出雙陽(yáng)S參數(shù)矩陣SA和雙陰S參數(shù)矩陣SB。分別為：

　　2．2 方法2

　　用2O dB衰減器作為負(fù)載替代方法1中50 Ω匹配負(fù)載，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出衰減器連接雙陰、雙陽(yáng)的反射系數(shù)ΓAL、ΓBL，測(cè)得2O dB衰減器的反射系數(shù)分別為Γ 1L ，Γ2L。其他步驟類(lèi)似于方法1。計(jì)算出S并和方法1中的對(duì)比。

　　3 驗(yàn)證

　　為了上述方法的可行性，用2種方法驗(yàn)證雙陽(yáng)雙陰接頭的計(jì)算值。

　　3．1 級(jí)聯(lián)雙陽(yáng)雙陰

　　首先計(jì)算出雙陰雙陽(yáng)級(jí)聯(lián)后的S參數(shù) 。級(jí)聯(lián)二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)不能直接計(jì)算出，需將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為T(mén)參數(shù)，求出級(jí)聯(lián)值［TAB］ - ［TA］［TB］，再將級(jí) 聯(lián)后的［TAB］轉(zhuǎn)換為［SAB］。將雙陽(yáng)雙陰級(jí)聯(lián)（如圖6所示）。

　　圖6 雙陽(yáng)雙陰級(jí)聯(lián)

　　上述方法得到的S參數(shù)為參考值，將這些值和由梅森公式計(jì)算得到的S參數(shù)對(duì)比。將所有的測(cè)試數(shù)據(jù)用MATLAB軟件處理，仿真得到最終級(jí)聯(lián)后的S參數(shù)曲線圖和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中測(cè)試的S參數(shù)曲線對(duì)比。

　　由圖7可以看到S12、 S21，的差別很小，但S11、S22之間有些差別。方法1中接50 Ω匹配負(fù)載和方法2中接20 dB衰減器的兩條曲線基本一致。雙陽(yáng)雙陰級(jí)聯(lián)后不管接那種負(fù)載，其級(jí)聯(lián)值都為定值。存在差別的原因是20 dB衰減器不是標(biāo)準(zhǔn)器件，雙陽(yáng)雙陰級(jí)聯(lián)時(shí)有反射存在。

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　　圖7 雙陽(yáng)雙陰接20 dB衰減器計(jì)算的和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的S11、S22

　　S11理論計(jì) 算值的曲線圖和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試曲線非常接近。在低頻段，S22理論計(jì)算值的曲線圖和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試曲線一致。在高頻時(shí)理論計(jì)算值的曲線圖要好一些，是因?yàn)榉瓷湎禂?shù)在-40 dB以下，并且隔離度較高。事實(shí)上，直通測(cè)試時(shí)雙陽(yáng)雙陰的連接端口受到影響。因此理論計(jì)算值比測(cè)量值更精確。

　　試驗(yàn)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件，轉(zhuǎn)接器和衰減器有多次的連接，每次連接都會(huì)在不同程度引人人為誤差。標(biāo)準(zhǔn)件的值是通過(guò)校準(zhǔn)矢網(wǎng)后測(cè)試得到，沒(méi)有采用更高一級(jí)的定標(biāo)系統(tǒng)測(cè)試。傳輸參數(shù)的測(cè)量對(duì)得到s參數(shù)是不可缺少的，但實(shí)驗(yàn)中只是通過(guò)測(cè)量反射系數(shù)間接地得到傳輸參數(shù) 種種因素造成結(jié)果上必然存在一定的誤差。對(duì)這些誤差進(jìn)行一定的修正就可以得出更好的結(jié)果。

　　3．2 可編程步進(jìn)衰減器

　　下面的驗(yàn)證使用可編程步進(jìn)衰減器，被測(cè)件為衰減器衰減值分別為0、10 dB、20 dB、30 dB、40 dB、50 dB、60 dB。衰減器的S參數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到（如圖8～10所示）。

　　圖8 衰減器的S21理論值

　　圖9 衰減器 的S11理論值

　　圖10 衰減器的S22理論值

　　由上面的計(jì)算結(jié)果可以看到：沒(méi)接雙陽(yáng)雙陰接頭計(jì)算得到的可編程步進(jìn)衰減器的S參數(shù)得到預(yù)期的結(jié)果。衰減器的計(jì)算值經(jīng)過(guò)驗(yàn)證與安捷倫給定的傳輸參數(shù)與反射參數(shù)相符合。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算雙陰和雙陽(yáng)轉(zhuǎn)接器去除它們?cè)跍y(cè)試中對(duì)非插入器件的影響。將普遍適配器的問(wèn)題特殊化和簡(jiǎn)單化，但是這對(duì)其他適配器的測(cè)量，和進(jìn)一步對(duì)端口延伸和去嵌入技術(shù)的研究有了理論上的突破口。