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你可能忽略的非插入式器件的測量方法

發(fā)布時間:2015-03-07 責任編輯:sherryyu

【導讀】一般測量中都忽略了轉(zhuǎn)接器的影響,認為所測結果就是被測件實際值,無形中將轉(zhuǎn)接器的損耗和時延加在被測件上,從而無法得到被測件的準確值。本文是驗證性實驗,通過計算雙陰和雙陽轉(zhuǎn)接器去除它們在測試中對非插入器件的影響。將普遍適配器的問題特殊化和簡單化,但是這對其他適配器的測量,和進一步對端口延伸和去嵌入技術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,這些微波射頻部件不能直接連接在矢量網(wǎng)絡分析儀上進行直通測試,被稱為非插入式器件。實際測量中,存在大量的非插入器件,他們端口連接類型相反,陰陽極性相同,校準時不能直接進行直通測量。為了讓非插入式器件連接上矢量網(wǎng)絡分析儀,必須加雙陰或雙陽轉(zhuǎn)接頭,這樣矢量網(wǎng)絡分析儀的測試值并不是被測件實際值,而是被測件加上轉(zhuǎn)接器的值。
 
一般測量中都忽略了轉(zhuǎn)接器的影響,認為所測結果就是被測件實際值,無形中將轉(zhuǎn)接器的損耗和時延加在被測件上,從而無法得到被測件的準確值。或者測試中用不同的校準方法,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)接器對被測件的影響,但這些方法無論優(yōu)劣都無法直接去除轉(zhuǎn)接器對非插人器件的影響。本文通過單端口測試未知特性的轉(zhuǎn)接器(如雙陽和雙陰接頭),根據(jù)算法和假設條件,使級聯(lián)后理論計算值接近實際測量值,進而確定轉(zhuǎn)接器的值,最終得到被測件的準確值,從而去除轉(zhuǎn)接器在測試中對被測件的影響。
 
1 原理
 
信號流圖(如圖1所示)結合散射參數(shù)是分析微波網(wǎng)絡和微波測量系統(tǒng)的簡便有效方法。流圖公式亦稱梅森不接觸環(huán)法則(Mason’s non-touching loop rule),簡稱梅森公式。根據(jù)梅森公式可以直接求出信號流圖中任意兩點之間的傳輸值。
2 驗證過程
 
適配器有很多種,為了研究方便和具有普遍性,本試驗用雙陰和雙陽做驗證,其他類型的適配器原理和過程也是相同。
 
實驗中要用到矢量網(wǎng)絡分析儀1臺(100 MHz~40 GHz)、電纜2根、2.4 mm的校準件1套(AV31123,校準件和電纜精度要高,誤差要小),可編程步進衰減器1個。設置線性頻率范圍1~21 GHz,每100 MHz取一個點,掃描點數(shù)201,中頻帶寬100 Hz。在矢量網(wǎng)絡分析儀兩端口接電纜,對電纜進行全雙端口SOLT校準后,電纜端口為校準端面,去處12項系統(tǒng)誤差。準備工作完成后,使用不同的方法進行測試。方法1中,雙陰和雙陽值是接50Ω匹配負載計算得到;方法2中,雙陰和雙陽值是通過接可編程步進衰減器計算得出。下面為2種方法的詳細過程。
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2.1 方法1
 
端口1接雙陽接頭后,分別連接開路器、短路器、50 Ω匹配負載(如圖2所示)測出反射系數(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匹配負載(如圖3所示),測出反射系數(shù)分別為ΓBO、ΓBS、Γ BL。然后端口1直接加開路器、短路器、50 Ω匹配負載,測出反射系數(shù)分別為Γ1O、Γ1S、Γ1L(如圖4所示)。 端口2直接加開路器、短路器,測得反射系數(shù)分別為Γ2O、Γ2S、 Γ2L(如圖5所示)。
端口2接開 路器、短路器、匹配負載
5 端口2接開 路器、短路器、匹配負載
 
由式(2)可以得到雙陽、雙陰的方程組 [SA]、[SB]分別為:
2.2 方法2
 
用2O dB衰減器作為負載替代方法1中50 Ω匹配負載,用矢量網(wǎng)絡分析儀測出衰減器連接雙陰、雙陽的反射系數(shù)ΓAL、ΓBL,測得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。計算出S并和方法1中的對比。
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3 驗證
 
為了上述方法的可行性,用2種方法驗證雙陽雙陰接頭的計算值。
 
3.1 級聯(lián)雙陽雙陰
 
首先計算出雙陰雙陽級聯(lián)后的S參數(shù) 。級聯(lián)二端口網(wǎng)絡的S參數(shù)不能直接計算出,需將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為T參數(shù),求出級聯(lián)值[TAB] - [TA][TB],再將級 聯(lián)后的[TAB]轉(zhuǎn)換為[SAB]。將雙陽雙陰級聯(lián)(如圖6所示)。
雙陽雙陰級聯(lián)
圖6 雙陽雙陰級聯(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算得到的S參數(shù)對比。將所有的測試數(shù)據(jù)用MATLAB軟件處理,仿真得到最終級聯(lián)后的S參數(shù)曲線圖和矢量網(wǎng)絡分析儀中測試的S參數(shù)曲線對比。
 
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匹配負載和方法2中接20 dB衰減器的兩條曲線基本一致。雙陽雙陰級聯(lián)后不管接那種負載,其級聯(lián)值都為定值。存在差別的原因是20 dB衰減器不是標準器件,雙陽雙陰級聯(lián)時有反射存在。
雙陽雙陰接20 dB衰減器計算的和矢量網(wǎng)絡分析儀測試的S11、S22
圖7 雙陽雙陰接20 dB衰減器計算的和矢量網(wǎng)絡分析儀測試的S11、S22
 
S11理論計 算值的曲線圖和矢量網(wǎng)絡分析儀的測試曲線非常接近。在低頻段,S22理論計算值的曲線圖和矢量網(wǎng)絡分析儀的測試曲線一致。在高頻時理論計算值的曲線圖要好一些,是因為反射系數(shù)在-40 dB以下,并且隔離度較高。事實上,直通測試時雙陽雙陰的連接端口受到影響。因此理論計算值比測量值更精確。
 
試驗中對標準件,轉(zhuǎn)接器和衰減器有多次的連接,每次連接都會在不同程度引人人為誤差。標準件的值是通過校準矢網(wǎng)后測試得到,沒有采用更高一級的定標系統(tǒng)測試。傳輸參數(shù)的測量對得到s參數(shù)是不可缺少的,但實驗中只是通過測量反射系數(shù)間接地得到傳輸參數(shù) 種種因素造成結果上必然存在一定的誤差。對這些誤差進行一定的修正就可以得出更好的結果。
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3.2 可編程步進衰減器
 
下面的驗證使用可編程步進衰減器,被測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)由實驗數(shù)據(jù)計算得到(如圖8~10所示)。
衰減器 的S11理論值
圖9 衰減器 的S11理論值
衰減器的S22理論值
圖10 衰減器的S22理論值
 
由上面的計算結果可以看到:沒接雙陽雙陰接頭計算得到的可編程步進衰減器的S參數(shù)得到預期的結果。衰減器的計算值經(jīng)過驗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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