非插入式器件如何測量？
一般測量中都忽略了轉(zhuǎn)接器的影響，認(rèn)為所測結(jié)果就是被測件實(shí)際值，無形中將轉(zhuǎn)接器的損耗和時(shí)延加在被測件上，從而無法得到被測件的準(zhǔn)確值?；蛘邷y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(shè)條件，使級聯(lián)后理論計(jì)算值接近實(shí)際測量值，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)接器的值，最終得到被測件的準(zhǔn)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(jié)合散射參數(shù)是分析微波網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)之間的傳輸值。
圖1 信號流
梅森公式：
由梅森公式可知 ：
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（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?。?，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)行測試。方法1中，雙陰和雙陽值是接50Ω匹配負(fù)載計(jì)算得到；方法2中，雙陰和雙陽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。
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(fù)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(fù)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(fù)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）。
圖3 雙陰接開路器、短路器、匹配負(fù)載
圖4 端口5接開路器、短路器、匹配負(fù)載
圖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、雙陰的方程組 ［SA］、［SB］分別為：
式中：m11、m12、m21 、m22為待測雙陽接頭參數(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(jì)算出S并和方法1中的對比。
3 驗(yàn)證
為了上述方法的可行性，用2種方法驗(yàn)證雙陽雙陰接頭的計(jì)算值。
3．1 級聯(lián)雙陽雙陰
首先計(jì)算出雙陰雙陽級聯(lián)后的S參數(shù) 。級聯(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）。
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(jì)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(luò)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(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)器件，雙陽雙陰級聯(lián)時(shí)有反射存在。
圖7 雙陽雙陰接20 dB衰減器計(jì)算的和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的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，直通測試時(shí)雙陽雙陰的連接端口受到影響。因此理論計(jì)算值比測量值更精確。
試驗(yàn)中對標(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)后測試得到，沒有采用更高一級的定標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(jié)果上必然存在一定的誤差。對這些誤差進(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：沒接雙陽雙陰接頭計(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。
4 結(jié)束語
本文是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)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(jìn)一步對端口延伸和去嵌入技術(shù)的研究有了理論上的突破口。
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