你可能忽略的非插入式器件的測(cè)量方法
發(fā)布時(shí)間:2015-03-07 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】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,無形中將轉(zhuǎn)接器的損耗和時(shí)延加在被測(cè)件上,從而無法得到被測(cè)件的準(zhǔn)確值。本文是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),通過計(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。
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,無形中將轉(zhuǎn)接器的損耗和時(shí)延加在被測(cè)件上,從而無法得到被測(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,但這些方法無論優(yōu)劣都無法直接去除轉(zhuǎn)接器對(duì)非插人器件的影響。本文通過單端口測(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。流圖公式亦稱梅森不接觸環(huán)法則(Mason’s non-touching loop rule),簡(jiǎn)稱梅森公式。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。
2 驗(yàn)證過程
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,其他類型的適配器原理和過程也是相同。
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)過程。
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2.1 方法1
端口1接雙陽(yáng)接頭后,分別連接開路器、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直接加開路器、短路器,測(cè)得反射系數(shù)分別為Γ2O、Γ2S、 Γ2L(如圖5所示)。
5 端口2接開 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:
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。其他步驟類似于方法1。計(jì)算出S并和方法1中的對(duì)比。
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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。
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)件的值是通過校準(zhǔn)矢網(wǎng)后測(cè)試得到,沒有采用更高一級(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。
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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)過驗(yàn)證與安捷倫給定的傳輸參數(shù)與反射參數(shù)相符合。
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