矢量網絡分析儀基礎知識及S參數測量

點擊次數：18647 更新時間：2013-02-20

矢量網絡分析儀基礎知識及S參數測量

§1 基本知識

1.1 射頻網絡

這里所指的網絡是指一個盒子，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絡，它上面若裝有兩個同軸連接器則稱為兩端口網絡。注意：這兒的網絡與計算機網絡并不是一回事，計算機網絡是比較復雜的多端（口）網絡，這兒主要是指各種各樣簡單的射頻器件（射頻網絡），而不是互連成網的網絡。

1．單端口網絡習慣上又叫負載Z_L。因為只有一個口，總是接在zui后又稱終端負載。zui常見的有負載、短路器等，復雜一點的有滑動負載、滑動短路器等。

·單端口網絡的電參數通常用阻抗或導納表示，在射頻范疇用反射系數Γ（回損、駐波比、S₁₁）更方便些。

2．兩端口網絡 zui常見、zui簡單的兩端口網絡就是一根兩端裝有連接器的射頻電纜。

·匹配特性兩端口網絡一端接精密負載（標阻）后，在另一端測得的反射系數，可用來表征匹配特性。

·傳輸系數與插損對于一個兩端口網絡除匹配特性（反射系數）外, 還有一個傳輸特性，即經過網絡與不經過網絡的電壓之比叫作傳輸系數T。

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

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

S₁₁與網絡輸出端接上匹配負載后的輸入反射系數Г相當。注意：它是網絡的失配，不是負載的失配。負載不好測出的Γ，要經過修正才能得到S₁₁ 。

S₂₁與網絡輸出端匹配時的電壓和輸入端電壓比值相當，對于無源網絡即傳輸系數T或插損，對放大器即增益。上述兩項是zui常用的。

S₁₂即網絡輸出端對輸入端的影響，對不可逆器件常稱隔離度。

S₂₂即由輸出端向網絡看的網絡本身引入的反射系數。

中矢網可以交替或同時顯示經過全端口校正的四個參數，普及型矢網不具備這種能力，只有插頭重新連接才能測得4個參數，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，雖然結構不同，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 它是一種由結構尺寸決定的電參數，對于同軸線：

式中ε_r為相對介電系數，D為同軸線外導體內徑，d為內導體外徑。

·反射系數、返回損失、駐波比這三個參數采用了不同術語來描述匹配特性，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，而實際上反射總是存在的, 這就需要定義一個參數。式中Z_L為負載阻抗, Z₀為同軸線的特性阻抗。

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

回損 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，比較直觀。

當|Г|<< 1時，ρ= 1 + 2│Γ│ （1.6）

本儀器三種讀數皆有, 可任意選用。

·阻抗圓圖

如A，B兩個規格的天線，若只在標網上選擇，肯定選B而不要A，而在矢網上看，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，在調試中首先要將天線阻抗調集中（在圓圖上成團）。舉例來看，反射網與振子高度調節就有這種情況，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，調短路片位置，改平衡器內導體等）使其匹配。而且經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，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運算，若要作并聯運算時，就要轉成導納；在圓圖上這非常容易，某一點的反對稱點即其導納。請記住當時的狀態，作阻抗運算時圖上即阻抗，當要找某點的導納值時，可由該點的矢徑轉180°即得；此時圓圖所示值即全部成導納。狀態不能記錯，否則出錯。記住，只在一個圓圖上轉阻抗與導納，千萬不要再引入一個導納圓圖，那除了把你弄昏外，別無任何好處。另外還請記住一點，不管它是負載端還是源端，只要我們向里面看，它就是負載端。永遠按離開負載方向為正轉圓圖，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，用作簡單的單節匹配計算是非常有用的，非常直觀，把復雜的運算用簡單的形象表現出來，概念清楚。但對于多節級連的場合，還是編程由計算機優化來得方便。

·傳輸線的傳輸參數同上面兩端口網絡，不再重復。

1.3 有關儀器的幾個術語

·網絡分析儀　能測單或兩端口網絡的各種參數的儀器, 稱網絡分析儀。只能測網絡各種參數的幅值特性者稱為標量網絡分析儀，簡稱標網。既能測幅值又能測相位者稱為矢量網絡分析儀，簡稱矢網，矢網能用史密斯圓圖顯示測試數據。

·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，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。其原理與惠司頓電橋*相同，只不過結構尺寸改小適于高頻連接，并且不再想法調平衡，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。

·差分電橋能測雙線饋線系統的反射電橋稱差分電橋。

·諧雜波抑制能力一般國產掃頻源的諧雜波在－20dB左右，甚至雜散波只有－15dB，進口掃頻源好的也就在－30dB多一些，外差式接收機對諧雜波的抑制能力皆在40dB以上，不會出現什么問題。而對于寬帶檢波低放的掃頻儀與標網，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。

·動態范圍　儀器設置到測插損，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的輸入口上，按執行鍵進行校直通后，拔掉電纜后儀器顯示的數值即動態范圍，應≥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．測電纜回損

1．待測電纜末端接上陰負載（或陽負載加雙陰），測其入端回損，應滿足規定要求。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．回損測試曲線呈現周期性起伏，而平均值單調上升，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，則此電纜屬常規正常現象，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，或起伏數少，則電纜本身質量不好。

3．回損測試曲線中某一頻點回損明顯低于左右頻點呈一諧振峰狀，此時出現了電纜諧振現象。只要不在使用頻率內可以不去管它，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下疊加的結果，我們只能先避開它。這種現象在1998年我們買的SYV-50-3電纜中多次碰到，回損只有10－14dB，粗的電纜倒不常見此情況，用戶只有自己保護自己，選擇質量好的才買。

4．在測回損中出現超差現象時，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．回損法測插損

在儀器經過開短路校正后，接上待測電纜，測末端開路時的回損，回損除2即得插損，此法的優點在于不會出現插損為正的矛盾，特別適合于已架設好的長的粗饋管首尾相距較遠的場合。

3．非正常情況

檢測電纜時用全頻段測試，插損由小到大應是一單調平滑曲線，并且插損在標準規定以內，小有起伏也不要緊，那是反射疊加引起的。但若有某一頻點附近顯著高于左右頻點（插損增大）呈一下陷曲線狀，說明此電纜有問題。多數是連接器外皮壓接不良所造成，返工后重測。少數是電纜本身形成的，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．同時測插損與回損 可按說明書4.7節進行雙參量測量。

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，經常采用同軸電纜對各個功能塊、器件或振子單元進行連接（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，而收發開關或阻抗變換場合則會提出長度為λ/4的要求，而U形環平衡器又會提出長度為λ/2的要求，這就出現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的情況下兩者是不同的，機械長度與電長度之比為波速比（也有稱縮波系數，或縮短系數），一般在0.66到1之間，電長度顯得長些，而實際機械長度顯得短些。實際上要求的是電長度，矢網正好能測電長度。

2．測反射相位定電纜電長度

當電纜末端開路時，在其輸入端測其反射的相位是容易的，由于反射很強測試精度也較高。當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行測試。

ⅰ、λ/4電纜的獲得

·儀器設定在要求的使用頻率下點頻工作，在測回損狀態下校開路與短路。

·接上待測電纜（末端開路），若電纜正好為λ/4時，相位讀數應在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奇數倍的電纜，致于是3λ/4還是λ/4，點頻下是分不清的。

ⅱ、λ/2電纜的獲得

· 同前（即在點頻測回損狀態下校開路與短路）。

· 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整倍數的電纜，至于是λ還是λ/2，在點頻下是分不清的。

ⅲ、與參考電纜比相對長度

·同前（即在點頻測回損狀態下，校開路與短路）。

·接上參考電纜（也稱標準電纜），記下相位讀數Φ₀。

·接上待測電纜，若讀數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，讀數越大越，Φ大于Φ₀則偏短，反之則偏長。

ⅳ、幾點說明

·ⅰ、ⅱ兩種，由于是在λ/4與λ/2特殊情況下進行的，與電纜特性阻抗無關，而第ⅲ種測試精度與特性阻抗有關，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，若高頻點接近理論值則電纜短了，若低頻點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），所以讀數與誤差皆要除以2。

3．測傳輸相移定電纜長度

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

·在測插損狀態下，經過連接電纜與兩個10dB衰減器對接后校直通。

·在兩個衰減器之間串入參考（標準）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，請參見上面幾點說明中的第二點。

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。

·按測回損法連接，并選時域狀態。

·估計電纜電長度，將距離檔選到合適距離，以避免模糊距離。

·按菜單鍵取出機內掃頻方案后，進行開路與短路校正。

·接上待測電纜，進行測試，畫面出現一峰點。

·將光標移到峰點附近后按菜單鍵, 光標在《放大》下閃動, 再按執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，但對系統性能確是至關緊要的一環。對同軸線可以提出多方面的要求，現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。對于電視臺發射天饋系統，其系統的駐波比就要求為1.1，那分配給饋線的指標就更不好提了。

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。一段是遠端反射，它包括了負載的反射以及電纜輸出連接器處的反射。如果負載是無反射的標阻，則遠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，但確有三點不足：*點是有死區（或盲區）。對近端反射無能為力，因為在發射脈沖寬度內的反射一般是被發射脈沖淹沒了。第二點是它對波導系統無能為力。第三點由于發的是窄脈沖，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廠的一種的貴重設備。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）。

現在可用網絡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頻率的反射系數，然后經過運算來得到時域畫面。縱坐標為反射系數幅度值，橫坐標為距離或時間。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量水平。普及型矢量網絡分析儀PNA上帶有時域功能，它能根據電纜使用頻段來設定掃頻起止頻率，以便得到符合實際需要的時域檢查。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，曲線都是機內所附的微打印機打的。對一般使用者以及專業電纜生產廠都有參考意義。

從以上測試結果可以得到如下初步結論。

·相同品種的同軸電纜，粗的分布反射比細的分布反射小。

·分清三段反射能幫你找出故障（或指標差）的原因，明確改進方向。

根據目前掌握的實際情況，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，發現為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為剛好反射相消，而長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。

當時域檢測發現兩端連接器處反射較大時（譬如>0.04），除了裝配質量外，還有插頭本身設計問題，一般市售連接器是不適于用到3GHz的。假如連接器是仔細設計，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的，可以點頻測也可以掃頻測，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據。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。

·儀器在測回損狀態下，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zui靠近270⁰的點（即50Ω）進行計算即可，要求高時，可在50±10Ω范圍內選5點進行平均，這5點之間起伏不應大于0.5Ω，否則電纜質量不好。

·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，應對樣本進行掉頭測試，兩端測出的特性阻抗不應相差0.5Ω.

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

2：測75Ω電纜時，請用75Ω電橋，測試數據請乘1.5倍。

3：有人采用測數百米長電纜的輸入阻抗來代替測Z₀，這并非標準方法，實際上是對電纜提出了超標準的要求。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，其末端接上陰負載或雙陰加陽負載；

·將一個拾取環（見幅相檢測），通過一段電纜接到輸入端，當環遠離待測電纜時讀數應≥70dB；

·將環靠在電纜上滑動，若讀數仍在70dB以上則電纜性能，若讀數在60dB左右屬良好，若讀數在40-50dB就不太好，但勉強能用，若讀數在20-30dB則肯定有了故障，一般出現在連接器處，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，并不作為驗收的依據。

2.2 PNA用于測量75Ω系統的補充說明

PNA本身是50Ω系統測量儀器，在有75Ω配套件的情況下，可在30-1000MHz頻段內對75Ω系統進行測量。

1．測回損主要是改用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系統的反射特性進行測試。

·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負載驗證，也可采用校零措施。

·改用75Ω電橋測試75Ω系統時所有駐波、回損、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芯子的75Ω短路器。

注意：由于75Ω與50Ω兩者內導體差別較大，使用時應小心不要插錯，粗的插入細的會損壞器件，細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

在電腦網絡連線中，用到了多對雙絞線電纜，而且提出了技術要求，如何用常規單端（一線一地制，如同軸線）儀器進行測試呢？

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

注：在執行5類線標準驗收時，有的用戶要求按輸入阻抗為100±15Ω來驗收，其理由為既然有特性阻抗為100±15Ω的要求，而現在線很長（300m），因此只測其輸入阻抗來代替前兩項要求。

對于理想的均勻線，這個要求還勉強說得過去，問題是線既不理想也不均勻，這個要求就超出了標準范圍，否則就沒有必要定第二欄的要求。對于100MHz，標準規定回損為16dB，假如按輸入阻抗要求則為23dB，超過標準7dB；因此把特性阻抗驗收標準改成按輸入阻抗驗收，是不符合標準的作法。另外有的儀器有|Z|坐標，這是一種電路參數而不是傳輸線參數，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絡分析儀來測試雙絞線，不涉及市售電腦線測試設備。

1．直接用單端儀器測試這是一種原則性的錯誤，因為平衡受到破壞，產生了共模電流，將導致衰減加大、竄擾嚴重。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用開關擴為八個，采用混合模式散射參量進行計算與校準，這是ATN公司的方法。

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

三．測試結果

1．特性阻抗Z₀測試

雖然Z₀一般不是頻率的函數，但仍測了三個頻點，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據（四對線），兩法測試結果差別不大，看來都可以用。

四．PNA100Ω差分套件

1．差分轉換頭

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雙線系統的回損或駐波比，也可測試輸入阻抗；但數值要乘2，因為儀器為50Ω系統。

五． 結束語

直接用常規單端矢量網絡分析儀測特性阻抗是可行的，測回損的誤差則大了些，但似乎尚能勉強使用，測衰減則

顯著偏大，測竄擾則嚴重失實。

采用PNA100Ω差分套件后，矢量網絡分析儀既可勝任各種雙絞線的測試，也可進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，對此線進行時域故障檢查，調節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．雙面復銅板介電常數的測試

1．低頻測電容法

ⅰ、公式推導：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電容的三用表進行測試，如一塊62×73mm²的復銅板，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用于測波導系統

PNA常用于測同軸線系統,測波導系統時，應針對手頭器件情況進行相應的變動。

一．測波導器件的插損與相移]

·按菜單鍵，設定掃頻方案并按執行鍵選定之。

·將兩只同軸變波導（cg）經兩只波導隔離器對接起來, 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〖↓〗鍵反復出現四種坐標:

1．相位量程為±180°（每格72°），插損量程為+1～-4dB。

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

一．用同軸反射電橋測波導器件（或系統）的反射特性

1．常規掃頻測試

·（如圖2.16）將反射電橋（RB）接到同軸變波導上, 并用一塊短路板將波導口短路（封上）后，按執行鍵進行〖校：開路〗項目。

·假如同軸變波導的失配很小時, 可直接連上待測件進行測試。

·由于波導口開路并非全反射, 因此波導系統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（回損）無妨, 閃點參數所顯駐波比（回損）數字有效。

·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, 而閃點參數所顯相位數值需改正負號（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，即得歸一后的相對導納g +jb）。

·用矢量便于對器件進行匹配。

2．點頻計量測試法

A．λ/4法

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

以點頻2450MHz為例，對于BJ-26，λ_g=173.36, 準備一段長度為λ_g/4=43.34±0.1的短波導即可。做法如下：

測件的反射）。以紙中心為原點，由同一原點、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a與b，找ab連線的中點m，則om =Γ_cg，ma =Γ_dut 。

通過這種測試，準確度大大提高，搞清了問題所在，可用低檔設備作出產品。其實這種測試的另一目的在于，找出一個好的負載與一個好的同軸變波導以便進行掃頻測試。

B．單線法（單波導法）

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

·按測回損進行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正。這是因為短波導不是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，并在波導口接上待測件（同圖2.17），記下Γ₀測試值（或打印出〖反射〗數據）。

·在同軸變波導口與待測件之間，接入一短波導（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〗數據）。見圖2.19。

2φ

·同上，畫出Γ₀與Γ₁的矢量圖，連接Γ₀與Γ₁的端點a與b，找ab連線的中點，過中點作ab中垂線，在中垂線上找出一點m，使得∠amb = 2Φ（Φ可由實際波導長度算出，2Φ<180°時，m點在矢量三角形內，2Φ>180°時，m點在矢量三角形外）。則om = Γ_cg ，ma = Γ_dut ,誤差已得到分離。此法雖然能掃頻測試，但修正還得一點一點的進行。參見圖2.21。

·一般使用時，帶寬并不寬，即使按λ_g/4法進行掃頻測試，精度也是夠好的。

C．雙線法（雙波導法）

假如有兩段長度約λ_g/6的短波導，即可采用此法。

·同B中*點，按測回損進行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正。這是因為短波導不是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，并在波導口接上待測件，記下Γ₀測試值（或打印出〖反射〗數據）。接法見圖2.17。

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

dut

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

D．調配反射計法（滑動負載法）

滑動負載在波導中是很容易實現的，有了它，雖可以測三次定一圓（見上雙線法）解出Γ_cg，但通常多采用調配反射計法。這是一種典型的點頻計量方法。

·按測回損進行連接，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上。

·在同軸變波導口接上一只四螺釘匹配器，后面再接上一只滑動負載。

·反復調節四螺釘匹配器，使得拉動滑動負載時反射系數的幅值不變（即回損不變或駐波比不變，并不要求為零），此時即可認為反射計已完成調配（誤差→0）。

·用調配后的反射計測試出的Γ值，即可認為是真值。

3．提高掃頻測試準確度的校零法

介紹計量方法的目的，除可以進行精密測試外，還有一個目的就是要通過測試找到一只好的波導負載（駐波比≤1.02）作標準負載，與一只好的同軸變波導（駐波比≤1.1）。

·假如有了一只標準負載, 而且接到上述同軸變波導后所測駐波比≤1.13（回損-24dB），則可以按菜單鍵選〖校零〗項并執行之，從而使得測試設備的精度與校零用的負載相當（即測試系統的剩余駐波比≤1.02）。但若沒有好的負載, 或者接上負載后駐波≥1.13, 則不能校零, 否則反而出錯。

·用λ_g/4短路波導作開路標準，掃頻進行開路校正。雖然掃頻作開路校正只有一點嚴格有效，但常規窄帶應用是可行的。

三． 采用波導定向耦合器測試

1．常規掃頻測試

·將儀器輸出端經同軸變波導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．點頻計量測試法

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

3．提高掃頻測試準確度的校零法

采用波導定向耦合器測試后，也能采用提高掃頻測試準確度的校零法，作法同上（見二、中3、）。用λ_g/4短路波導作開路標準，掃頻進行開路校正；雖然掃頻作開路校正只有一點嚴格有效，但常規窄帶應用是可行的。

四．采用魔T

1．常規掃頻測試

·將儀器輸出通過同軸變波導接到魔T的和支路, 將差支路通過同軸變波導接到儀器輸入（A或B），將標準波導負載接到魔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行駐波比測試。

2．點頻計量測試法

采用魔T測試后，也能采用點頻計量測試法，作法同上（見二、中2、各項）。

3．提高掃頻測試準確度的校零法

采用魔T測試后，也能采用提高掃頻測試準確度的校零法，作法同上（見二、中3、）。用λ_g/4短路波導作開路標準，掃頻進行開路校正；雖然掃頻作開路校正只有一點嚴格有效，但常規窄帶應用是可行的。

§3 常用器件的測試

3.1 電感（分立元件）

一．標稱值的測試

標稱值一般用LCR儀器進行測試，也可用PNA進行測試。

1．用PNA3628，按測回損連接；

2．掃頻方案設為0.1590MHz點頻；

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設置，適于測1～999μH；

按1.590MHz設置，適于測0.1～99μH，即0.1|X|Ω= |L|μH，讀數除以10；

按0.0160MHz設置，適于測10～9999μH，即10|X|Ω= |L|μH，讀數乘以10；

6．也可用列表掃頻方案，同時使用兩或三個頻率進行測試。

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機主臺發射機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，對其進行了超頻帶范圍的測試，結果整理如下：

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4個偏心圓。

下面給一組參考數據，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，用相位來定諧振點明確一些，比用∞好。*個諧振點為并聯諧振形式，低于*個諧振點的頻率呈電感性，高于*個諧振點的頻率呈容性。

這里并不試圖解決線圈估值與設計問題，而是通過實例說明：不能簡單地將高頻結構用到甚高頻，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，就應該在什么頻率下進行測試。對射頻工作者來說，手頭沒有矢網進行測試，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．標稱值的測試

1．按測回損連接；

2．掃頻方案設為63.662MHz點頻（非3628型儀器只好設為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。阻抗圓圖變成導納圓圖；

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

5．按63.662MHz設置時，適于測試1～999p；

按 6.366MHz設置時，適于測試10～9999p，即讀數乘以10；

按 0.636MHz設置時，適于測試100～99999p，即讀數乘以100；

6．也可用列表掃頻方案，同時使用兩或三個頻率進行測試。

二．電容的高頻特性

在電路中經常用到瓷片電容作旁路電容，測試中發現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，變成了一個串聯諧振回路，隨著頻率的升高依次出現*個串聯諧振點與*個并聯諧振，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，會出現串聯諧振現象（Φ=180⁰），超過諧振點后呈電感性。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，而且相對介質常數高（常在80以上），故體積小，而且溫度穩定性也好（約3ppm/C⁰），常用于功率較高（瓦級）的小型移動通信設備（如手機、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 的應用筆記上有一短文報導了這種作法。

其思路為在一矢網上作一測試夾具，測試夾具本身為一插座，其內導體伸出一叉形簧片，插座在經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，實數為50Ω的點的頻率，即諧振頻率。而∣R∣=∣X∣的兩點間頻帶寬度去除諧振頻率即得Q。

這種測試方法在矢網上用圓圖來看，是很清楚的。但在標網上也能測出，只要先調臨界耦合使得某一頻率上回損小于-40dB的話，則回損zui低點的頻率即諧振頻率f₀。再找出兩個7dB點的頻率f₁和f₂，則Q = f₀/（f₂-f₁），[當臨界耦合時，∣R∣=∣X∣點的反射為 ±j/（2±j），其反射值為0.447，回損值為-7dB]。

此法比較直觀，但操作有困難，作者嘗試后認為并不實用，因為夾具難做，臨界耦合不是那么簡單就調好了的，速度太慢。

二．直接測反射系數法

思路在矢網經過開短路校正后，在電橋測試端口開路時，光點在Г=1（Φ=0°）處，接上陶瓷腔后，在顯示屏上將出現如圖（圖3.1）的情況，則Φ=0°的一點的頻率，即諧振頻率f₀，記下此點的反射系數模值或回損即可算出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|Γ|→1時，兩者是一致的。（推導從略）

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，則應由儀器測出之Г算出ρ₀與ρZ₀，然后除上Z_or得到腔內之ρ_r→ 再算到Гr，以Гr代入Q值公式即得，當儀器特性阻抗Z₀=50Ω，陶瓷腔Z_or=7Ω，可參考下表取值，使用時可用對數坐標紙畫出連線以便插值。

4．實測效果

·諧振頻率的分辨率，決定于矢網的相位分辨率，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。

·雖然此法比較嚴格，但由于實際上的問題可能并不太實用。

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低點的頻率即諧振頻率。

示例，如某λ/4腔在諧振點測得的插損為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。下面列幾個數據以見一般。

3．討論

用陷波器法測試也非常實際，操作簡單，動態要求不高，但對儀器諧雜波制能力要求很高，用一般掃頻儀或標網是不行的，因為這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Q值。

夾具要推敲一下，否則影響結果與速度，對儀器輸入輸出匹配也有要求，重復性不好，Q值數據起伏太大，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絡中，盡量降低耦合，以得到接近無載情況下的數據。

2．夾具的考慮

如圖3.8中，Z₁與Z₂如用小電容來實現，在推導中會出現ω²項不好辦，用電阻可能無此問題。實際用電阻作時，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．實測效果

在未放入腔體時，兩針間系一截止波導，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，與國外產品用HP8720實測數值相符。

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

接觸良好（因為原來插損就很大，接觸不良不發生影響），因此是很實用的一種方法。

五．討論

1．幾種方法的比較

·臨界耦合法由于不易調到臨界耦合，很難說有什么使用價值，而且機理尚未搞清；

·直接測反射系數法必須要矢網，頻率分辨力受相位分辨力限制，對裝夾要求很嚴；

·陷波器法對動態要求不高，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。

·弱耦合法測諧振曲線此法雖不嚴格，但對夾具要求低，測Q準確。諧振頻率與夾具有關，但重復性很好，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腔的系數比λ/4腔高一倍，是否Q會高一倍呢？其實不然，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, 則回損為0.05dB, |Г|=0.999442, Q=2728。

λ/2腔損耗為0.05dB,回損為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 標準負載與反射電橋

一．標準負載

經常會用到標準負載作為零反射，用來校正電橋的定向性，但標準負載是否合乎標準呢？

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

二．反射電橋

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

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

2．拉動滑動負載，駐波應不變，在阻抗圓圖上看應為一個圓；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載的反射，當然在此例中此值并不起作用。

3．仍然采用λ/4法，橋與負載皆可得到校正。

3.5 轉接器

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

1．在轉接頭后接上相應的負載后，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準負載。但對于某一具體單位，對于某種常用的尺寸型號，作些負載也是必要的。

2．將兩個轉接器對接起來后仍接儀器標準負載，進行測試，由于可能偶然會碰上兩個反射會抵消的情況，因此測試頻帶應盡量寬，償若寬帶內并無起伏，才能證明轉接器無問題。

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

4．轉接器的本身反射（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。

對于尺寸較大的轉換，可用時域法檢測，找出關鍵反射點，以便改進。

3.6 其它

1．隔離器與環流器

PNA只能測單向的參數，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，測試時其它端口要接上匹配負載。

3．濾波器

PNA能測濾波器的頻響與駐波比，適于開發與研制，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, 由于本機輸入端口靈敏度較高, 而內部又無程控衰減器，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，只是要注意幾個實際問題。

1．天線是有輻射的天線應置于空曠場所（有條件的話，在暗室或暗箱內測試），儀器應置于無強輻射處。當手摸電纜或儀器時，讀數會變即屬不正常。注意電纜外導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

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

作為測試電纜必須經過檢驗，其回損優于30dB為宜，隨便找一根電纜可能只有十幾個dB那是不行的。

·電纜不好能否進行三項校正來提高精度呢？原則上是可以的，用雙陰加陽負載只適于1000MHz以下，而且PNA還要求電纜回損優于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象造成儀器不能正常工作，通常以為是儀器故障，其實多半是電纜出了問題。

3．帶有長饋線的天饋系統

在機房內測饋線端口駐波即天饋系統駐波，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，常稱遠端反射；另一種是饋線到儀器的轉接頭的反射，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，現在多用駐波電橋來測試，它是一種差模器件，對共模50Hz有強的抑制，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，當然zui高點若也合格那是沒有矛盾的。但經常有多點超出，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網而不愿用PNA。

一般說來天線輸入口的反射都是合格的，但由于另兩項的參與就出了問題，對于近端轉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。

·關于主饋管的反射問題，好的主饋管會幫你忙，因為它本身反射小，所以不怎么增加反射，而又引入了損耗，每1dB插損可增加2dB回損。但差的饋管就會造成某些頻點疊加而超限，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載（1.01）也會出現某個頻率突跳的諧振現象，說明此饋管不宜在此頻段使用，只好在其他頻段試試。

其實用時域來觀測這些反射，那是分得很清的，一般遠端反射并不大。而饋管的分布反射并不很小，但這種檢查由于沒有條文規定，不能作為驗收的依據，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不富余而后與饋線在某些頻點反射疊加造成的，因為長達百米的多個分布反射在某一頻點疊加起來的概率確實是存在的，大型饋管本身作到1.1就不錯了，迫不得已饋管也得進口。

4.2 阻抗測量與匹配

僅僅為了驗收，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，以便看看有無改進余地。

阻抗測量采用矢網進行，那是很方便的，儀器自動點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，若有現成的軟件進行設計匹配的話，請盡量利用這些軟件，這兒只是談談一般的簡單的匹配原則與措施。阻抗匹配應在矢網上進行，其它儀器不知道改進方向，事倍功半甚至選錯了對象。

1．選擇好參考面

設計一個器件，應當在力所能及的范圍內盡量設計正確，僅僅只留下一個不好交待的地方，讓調試去解決。因此我們只去對付一個反射點，假如一個器件或一個天線只有一個主要反射點的話，儀器的參考面就應當設在這里或盡量靠近，當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．調節器件能調的部位使各頻點的阻抗點跡能盡量集中在圓圖上成一小團（先不急于匹配，先要將點子調集中），這樣匹配后帶寬能寬些，能調到又集中又匹配當然。

3．調匹配

·假如點子集中，并且實數靠近50Ω，虛數呈感性，那末串入適當容抗即可匹配。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）；

·假如實數對但虛數偏容性，這時就要減窄或改細一些的引線試試看；

·假如在實軸上，但阻值不對，這時就要用到單節或兩節λ/4變阻器。四節短階λ/16的網絡進行匹配效果也很好，但須有機助軟件，手算困難。

4．幾點體會

·設計器件時應留有調節的結構與余地，譬如λ/4的支撐就可以調調，對于振子其粗細，長度皆應可換可調，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子集中的參數。

·在圓圖上某些散開的點子可以通過λ/4線的補償特性進行收攏，有時甚至用到5倍λ/4，當然這得碰得巧，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，越是遠將越散開。此時可選中點在實軸上，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，在阻抗圓圖實軸上是個平移過程，平移過了原點后，自然高低端的前后關系反了過來。這樣再經過一段線就可以收攏了，應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果。

·假如用并聯元件來匹配時，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, 而閃點參數所顯相位數值需改正負號（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，即得到歸一后的相對導納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的要求的。天線作好后一般是測其遠場性能，這就要有大的設施，大的場地，費錢又費時。其實只要在近場測出其口面的幅相分布，即可算出其遠場特性。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，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，用不了那么多的設備，只要作個拾取天線，即可用矢網測出各振子間的幅相關系。

二．拾取天線

任何形狀的線天線、環皆可作拾取天線，但我們經驗以對稱振子與平衡環兩種為好。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，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（圖4.2），環可以是圓的，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，適宜于測線上電流分布，當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, 實際上不管多少元都是一樣的。

·將天線輸入頭接到矢網輸出端口上；

·將拾取天線掛在zui強的一個振子上, 以此作為參考振子；

·設置測試頻率（1點或多點），校直通；

·按菜單鍵, 選相損畫面, 此時幅值應在0dB左右, 相位應在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；

作此試驗時，應採用精測，地方要適當空曠一些, 人距天線適當遠些, 若懷疑儀器不穩則可再掛回參考振子處重校后再測, 甚至測一點回一次參考振子處, 也可能另外的振子更強也不怕, 因為相損的范圍為+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．結束語

在V頻段以上S頻段以下, 全向縫陣用得較多, 我們經驗證明，在調匹配過程中必須監視各縫的相位基本相同, 否則即使匹配調好了, 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, 因為只有同相加起來才是zui大。有了矢網, 就要利用矢網能測相位這個重要功能, 使得我們能開發與生產出性能優良的天線產品。

注：標網只能測幅值分布，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，難在它須要一套設施。首先是空曠的場地或暗室，其次是轉臺與安裝設備，當然還要有一套收發裝置能自動記錄測試數據。

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臺的旋轉中心要落在照射器的相位中心上，除要求轉臺上有平移微調用的拖板，以便來回調整位置，找到合適的相位中心，當然指示設備要用有相位信息的矢網之類的幅相接收機，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，你的天線設計就又高了一層。

Ⅱ. 測遠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，適于一般常規要求。

二．架高問題

一般習慣收發天線適當架高一些，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，因為在

低頻段，低增益下脫離地面達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。但測波瓣并不太在乎高度，也不宜放在盲區，有時得適當選擇一個高度才行。當然有條件的話盡量在暗室中測試。

三．系統信號強度（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，估算強度時要留有40dB以上的余量。

四．具體實現方案

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（用等比結構天線更高一些），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

與交流調制的二極管靈敏度相當，但是還要加40dB動態，所以發射功率要40dBm即10W，這種作法的優點是抗干擾能力強，因為發射功率大，但這樣作會干擾其它設備，大功率信號源也不太好找。

2．PNA自發自收

這種作法增加了電纜損耗，要用放大器，30米SYV—50—5損耗30dB，則動態只有30dB，用SYKY—50—9動態可達50dB，一般情況下加放大器后再用精測，發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，混頻中放接收機收

動態可達到55dB，混頻中放接收機與本振可以自制，也可以在購置天線方向圖測試儀時成套購置。

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

五．不穩定的問題

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．天線與轉臺不牢固，受風的影響或人的影響。

3．注意漏信問題。

·放大器必須放在發射天線處，遠離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．檢查儀器是否穩定

將整個環路連在一起，但發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（假如有步進衰減器，搬動衰減器信號能依次下降達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．改進方向

1．測方向圖有正規的轉臺與固定裝置。

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）。暗室大到能作遠場測試當然更好。

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行測試。

當然在實際使用狀態下進行測試，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

·傳導電流正規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構，只有扼流套才有效，其他平衡措施一律無效。

·感應電流由于電纜外皮處于非零場中必然有感應電流，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。

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；

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

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

·被測天線附近應開曠，盡量減少場地的不對稱。

三．幾個試驗

·兩次記錄同一狀態下的波瓣，應基本一致，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）發射或接收天線電纜，讀數應基本不變，以此判斷皮上電流的有無與大小。此試驗只能在測插損狀態下進行。

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

四．結束語

喜連川天線由于是全向性，而且是不對稱結構，對測試帶來困難。再加上節數多，結構也不易作得很對稱，波瓣測試能在某個頻點上比較對稱就不錯了，所有頻點全部對稱是很難的，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，因為沒有標準增益天線作比較，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是，兩點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境，在暗室中用吸波材料或在普通房間內采用小的測試距離以接近自由空間環境。

因此G≤10，頻率高時好辦些。其次是被測天線應有明確的輻射中心，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：兩點源在自由空間的插損是（λ/4πR）²，而不是擴散因子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：此法以點源為準，測出的增益倍數為G₀，dB數為dBi；

此法可與比較法結合起來作，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準化資料，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。譬如微波天線強調的是垂直口徑上的起伏（包括收發雙方），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（也可稱標準增益天線），用比較法測增益可能是zui簡單實用的方法。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。而在雷達行業中卻習慣用點源作參考（寫作G₀），可惜點源只是理論上的東西，實際測試中，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總希望把天線盡量架高一些來擺脫地面的。事實上，米波段天線垂直方向圖都比較寬，想擺脫地面是辦不到的。因此只要適當架高即可，所謂適當就是從便于操作與架設出發，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，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。

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、而且米波段地面反射嚴重的情況下，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大點為止，設在此時測出的增益為G₁。

B、信號天線與被測天線等高，設此時測出的增益為G₂。

C、只要信號足夠強，信號天線盡量降低，設此時測出的增益為G₃。

信號天線處于zui大點位置zui易為人接受，信號天線與被測天線等高也是習慣作法，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（推導從略）與實踐皆證明第三法是*正確的。當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）。否則應采用發射法以便對兩個天線的發射功率進行監測，并代入增益公式進行修正。

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，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。

嚴格地講，應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，宜適當大一些。可在不同的d上測空間駐波，起伏在一分貝內即可，只要大部分頻率點好就行，有時個別頻率上起伏達三分貝，再拉遠也不行時則只好作罷。一般說來90⁰方向場強很弱只要適當拉開些即可。

4．步驟（以接收法為例）

·將半波振子調到測試頻率的相應長度上（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），則應調好或采用發射法修正入射功率。

·信號天線開始發射，大致看看半波振子收到的信號強度，只要檢測設備有足夠大的讀數，而且讀數穩定的話，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。

·將檢測設備接到被測天線，使天線方位對準信號天線，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：這里假定讀數全用分貝表示，若用倍數表示則應用。

六．結束語

天線參數測試中，測增益是個需要認真對待的問題，否則難以得到可信的結果。關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，并寫入產品技術總結。考慮到有人不熟悉此法，特寫出供參考。

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