駐波與反射測量

駐波與反射測量

正文

在微波範圍內,信號波長與電路尺寸可相比擬。信號傳輸是以波的方式沿傳輸線(包括波導)傳播。當均勻傳輸線終端負載阻抗Z不等於特性阻抗Z0時,入射波便在負載上產生反射。入射電壓與反射電壓之比稱為反射係數Γ,在無耗線上各點反射係數Γ的模值都相等,但相角不同。因此各點的輸入阻抗Z (即等效負載阻抗)也不相等。Γ與Z有如下關係

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Z/Z0稱為歸一化阻抗,其值可以通過反射係數的測量來確定。從另一方面看,當有反射時,入射波與反射波線上上各點以不同相位疊加而形成駐波。電壓駐波比駐波與反射測量,它與反射係數模值有下列關係

駐波與反射測量

單由駐波比S(或|Γ|)的大小還不能確定Z,通常還要找出某點到駐波電壓最小點的距離lmin與λg之比,才能確定這一點的複數Γ和Z/Z0。微波阻抗的絕對標準是所用傳輸線的特性阻抗Z0,其值決定於傳輸線的截面形狀和尺寸。S、Γ及歸一化阻抗的工作標準,是採用精密尺寸傳輸線段製成的各種固定式和可移式匹配負載、失配負載及短路器等。
在微波電路中阻抗、反射和駐波是緊密聯繫的。駐波測量線和反射計是測量這些參量最常用的兩種測量儀器,此外,電橋法也日趨重要。
測量線法 開槽測量線是測量駐波和阻抗等參量的最古老而常用的儀器。沿同軸線外導體(或波導寬壁中央)開一縱向狹槽,插入一個可以沿槽移動的探針,檢測出沿線電壓(電場)最大值和最小值的相對大小,便可得出駐波比(圖1)。測量阻抗時,除測S 外還要由槽旁直尺讀出lmin(圖1所示為測負載ZL的情況)和相鄰兩最小點之間距離λg/2,據此即可算出或由阻抗圓圖查出ZL/Z0之值,以及複數Γ之值。

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反射計法 圖2的反射計電路中,用兩隻定向耦合器分別將反射波和入射波耦合出一部分,各經過一個幅度檢波器,分別讀數後(或一同加到一個比值計上)求取比值,經過校準(以短路器或已知失配負載為標準)便可由此比值計直接表示負載的|Γ|。這種簡單眼射計有以下缺點:①由於將耦合出來的信號直接檢波,失去了相位信息,結果只能測出|Γ|而得不到Γ的幅角嗞;②當反射波耦合器方向性不夠理想時,會有少量入射波漏入它的輸出端,使測量小值的|Γ|時發生頗大誤差;信號源端匹配不理想也會造成隨 |Γ|值迅速增大的失配誤差。
調配反射計 為了減小反射計的誤差,50年代末開始出現調配反射計技術。在圖2的x、y、z三處各接入一個調配器,經過特定的調配手續,便可將反射計的方向性誤差和失配誤差基本抵消而大大提高其測量精確度。由於調配手續極為繁瑣費時並對頻率變化極為敏感,調配反射計主要是用作固定頻率的駐波和反射的計量標準裝置

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掃頻反射計 反射計的更大用途是掃頻測量。把掃頻信號加到由寬頻高方向性的耦合器和寬頻匹配檢波器組成的反射計上,便可由示波器或記錄儀顯示出整個掃頻範圍內負載的|Γ|或S值隨頻率變化的曲線。如果兩只耦合器具有相同的頻率回響,並採取比值計作為輸出指示,掃頻信號幅度隨頻率的變化就不會影響測量結果。在不用比值計時,則可以將入射波耦合信號經檢波放大後對掃頻源進行自動穩幅。這不僅可以消除掃頻信號幅度的變化, 只由反射波檢波輸出的大小就可得到|Γ|,而且還可改善信號源端的匹配,減小失配誤差。另有一種方法可以更好地修正掃頻信號幅度變化所致的誤差,同時還可以省掉入射波耦合器。其法是在測試前先用反射計測量一個全反射負載,將掃頻源的幅度變化連同定向耦合器的頻響誤差一併存儲在數字存儲器中;測量未知負載時,再將存儲的誤差數據從測量結果中扣除。所用的存儲和運算裝置稱為存儲歸一化器。
複數反射計 用反射計測量複數Γ 的一種途徑,是將兩路耦合出的高頻信號進行比幅和比相。這可以用幅相平衡電橋或雙通道外差變頻式幅相接收機來完成(後者如網路反析儀)。另一途徑是除原有兩個檢波連線埠處,適當增加檢波連線埠(例如增加一個或兩個探針檢波器)便可取得相位信息。這種辦法類似於六連線埠反射計。
時域反射計 將陡峭階躍或窄脈衝作為信號, 通過採樣頭和傳輸線加到被測負載上,采出入射和反射波的波形並使其顯示在示波器上便構成時域反射計。從入射波形與反射波形前沿之間的時間間隔(延時),可得出反射點離開採樣點的距離。當被測器件中存在多個反射點時,在示波器上即可看到多個位置不同的回波脈衝。觀察入射波形與反射波形之間的距離差異,就可求得每個反射點的位置和性質。若將有關的時域波形數據通過傅立葉變換,還可以得出被測器件的頻域反射或傳輸特性,這就稱為時域網路分析儀。時域反射計的缺點是精確度不高。
電橋法 波導魔T 等微波電路具有電橋性質。由於很難得到可變的標準阻抗器,因而用這種電橋難以按照平衡電橋法進行阻抗比較。但它也像反射計一樣,當在電橋的標準臂上接以匹配負載Z0時,電橋的失衡信號將與未知臂阻抗的反射係數Γ成比例。此外,利用薄膜微電路技術製成尺寸極小的純電阻比臂電橋,使這種不平衡電橋法得到廣泛套用。這種電橋可從數十兆赫直到18吉赫的極寬頻帶內測量S和|Γ|,稱為駐波比橋或反射計橋。由於這種橋路體積小、頻頻寬和等效方向性高,在掃頻反射計中已出現用電橋取代雙定向耦合器的趨勢。電橋輸出信號中本來也包含Γ 的相位信息,因此,把電橋輸出信號與來自信號源的參考信號一齊加到幅相測量裝置,也可測量複數Γ 和Z。

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