微波衰減與相移聯(lián)測(cè)

陳建偉

（諸暨中學(xué) 浙江諸暨 311800）

微波技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信方面有廣泛應(yīng)用，也成為發(fā)展尖端科學(xué)不可缺少的技術(shù)手段．在應(yīng)用微波進(jìn)行輔助檢測(cè)時(shí)，主要對(duì)微波的傳輸參量——衰減和相移進(jìn)行測(cè)量．

當(dāng)微波通過(guò)傳輸元件或某些物質(zhì)后，除了振幅發(fā)生變化外，同時(shí)還會(huì)發(fā)生相位的變化．而物質(zhì)的某些非電參量，如煤粉的揮發(fā)份，茶葉、棉花的含水量等，不但影響微波的幅度，也影響微波的相位．因此，為了用微波測(cè)量法測(cè)這種物質(zhì)的非電參量，就必須同時(shí)測(cè)出它們對(duì)微波的衰減和相移影響．衰減和相移的單獨(dú)測(cè)量法很多，也比較簡(jiǎn)單．但是一般情況下，當(dāng)微波通過(guò)被測(cè)樣品時(shí)往往伴隨著衰減和相移同時(shí)發(fā)生，如果分步測(cè)量，總會(huì)因?yàn)楦鼡Q元件和重組裝置而使實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境發(fā)生變化，造成兩個(gè)測(cè)量值的不對(duì)應(yīng)．為了能全面反映被測(cè)樣品的實(shí)時(shí)信息，我們往往要求對(duì)衰減和相移進(jìn)行同時(shí)、獨(dú)立的測(cè)量，且又要求測(cè)量過(guò)程不影響被測(cè)值．經(jīng)過(guò)研究和反復(fù)驗(yàn)證，選擇用調(diào)制副載波和微波鑒相器相結(jié)合的方法是比較合適的．測(cè)量電路框圖如圖1所示．

圖1 測(cè)量電路框圖

首先把同一個(gè)微波信號(hào)源的輸出用功率分配器（3 dB的定向耦合器）分成兩個(gè)相互隔離的支路．上面較強(qiáng)的一路不加調(diào)制，稱(chēng)為載波通道，連接一個(gè)可變移相器（用來(lái)改變載波通道微波的相位）；下面較弱的一路稱(chēng)為副載波通道，其中安放一個(gè)幅度調(diào)制器，由一個(gè)穩(wěn)定的音頻信號(hào)源（1 k Hz）供給調(diào)制信號(hào)；將副載波加以調(diào)幅，然后通過(guò)被測(cè)樣品．再把上下兩路分別加入微波鑒相器的兩端進(jìn)行混頻檢波．（幅度調(diào)制是把微波信號(hào)采用頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，將它們線性轉(zhuǎn)換到低頻，然后進(jìn)行替代測(cè)量．這樣做的好處是低頻信號(hào)容易處理，測(cè)量的精度、分辨率高，而且轉(zhuǎn)換后的調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)在混頻器上檢波后恢復(fù)出來(lái)的頻率為調(diào)制頻率的低頻信號(hào)，其幅度與加到檢波器的副載波信號(hào)幅度成正比）

圖2 微波鑒相器

微波鑒相器如圖2所示，載波信號(hào)由魔T的H臂加入，同相等份的加到左右兩個(gè)正交混頻器的本振端，已被調(diào)制且通過(guò)樣品的副載波信號(hào)由另一個(gè)魔T的E臂加入被反相等份的加入到左右兩個(gè)混頻器的信號(hào)端．由兩個(gè)混頻器分別進(jìn)行混頻式線性檢波．（其中一路的精密移相器使加到兩個(gè)混頻器信號(hào)端的兩路被測(cè)信號(hào)具有90°的相位差）

載波EC是一個(gè)恒定的矢量，副載波ESC是經(jīng)過(guò)調(diào)制，并且通過(guò)被測(cè)樣品，采集到樣品信息，最后加入混頻檢波器的被測(cè)信號(hào)．根據(jù)文獻(xiàn)［2］的推導(dǎo)，混頻后得到的信號(hào)是含有調(diào)制頻率ωm的低頻信號(hào)m ESCcosωmt和直流成分（EC±ESC）．即

矢量圖如圖3所示．

則檢波輸出的最大低頻電壓em為

式中k為檢波系數(shù)，m為調(diào)制系數(shù)，ESC為通過(guò)副載波通道到達(dá)檢波器的信號(hào)．

圖3

由此可見(jiàn)，檢波輸出低頻信號(hào)幅度與ESC成正比．又因?yàn)镋SC隨被測(cè)樣品而異，所以em中已經(jīng)包含被測(cè)元件的微波傳輸參量信息，從而實(shí)現(xiàn)了在低頻上的替代測(cè)量．對(duì)于混頻器的檢波而言，檢波輸出只靠圖3中代表上下邊頻的兩個(gè)小旋轉(zhuǎn)矢量．載頻直流成分（EC±ESC）不但不必要，而且保留下來(lái)還有某些不利之處．故在調(diào)制副載波系統(tǒng)中采用平衡調(diào)制器．將副載波調(diào)制器輸出中的載頻成分盡可能抑制掉，稱(chēng)為抑制副載波的雙邊帶調(diào)制法．將通過(guò)被測(cè)樣品的已抑制的調(diào)幅波信號(hào)與來(lái)自載波通道的本振信號(hào)混頻后恢復(fù)出調(diào)制低頻信號(hào)．抑制或壓低調(diào)制副載波信號(hào)中的載頻成分有一個(gè)重大好處，即可以更加有效地利用檢波器線性段，從而擴(kuò)大衰減測(cè)量的范圍，減小非線性誤差．

同理，因?yàn)榧佑谟疫吇祛l器d2的副載波信號(hào)與加于d1的副載波信號(hào)相位相差90°，所以d2輸出是幅度為mESCsinωφ的低頻信號(hào)

因此，兩個(gè)低頻信號(hào)Ud1，Ud2不僅含有被測(cè)信號(hào)的幅度信息

同時(shí)也含有被測(cè)信號(hào)的相位信息

即只要把兩個(gè)混頻器的檢波輸出經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算就可以對(duì)被測(cè)信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行同時(shí)、獨(dú)立的測(cè)量．

測(cè)量前要進(jìn)行最佳測(cè)量條件即最佳匹配狀態(tài)的調(diào)節(jié)，先調(diào)節(jié)低頻調(diào)制信號(hào)，使檢波輸出指示在適當(dāng)數(shù)值（主要是考慮儀表的顯示范圍）．之后反復(fù)調(diào)節(jié)被測(cè)件兩端的調(diào)配器，使輸出最大；再調(diào)節(jié)載波通道移相器，使鑒相器中不含精密移相器的輸出最大．然后調(diào)節(jié)鑒相器中的精密移相器，使該路輸出為零．這樣就保證了鑒相器中兩路被測(cè)信號(hào)相位差為90°．此后不再改動(dòng)精密移相器，調(diào)節(jié)載波通道的移相器使兩路輸出都有一定數(shù)值．

下面驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可行性和穩(wěn)定性．

（1）用已知校準(zhǔn)器作為被測(cè)元件，定量改變系統(tǒng)的相移量，驗(yàn)證相移測(cè)量的可行性和穩(wěn)定性，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 相移測(cè)量數(shù)據(jù)

續(xù)表

（2）用精密衰減器作為被測(cè)元件，逐步改變系統(tǒng)的幅度值，驗(yàn)證衰減測(cè)量的可行性和穩(wěn)定性．測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示．

表2 衰減測(cè)量的測(cè)量數(shù)據(jù)

由表可見(jiàn)，測(cè)量相對(duì)于已知被測(cè)值有一定的誤差，但誤差基本上在微波測(cè)量誤差允許范圍內(nèi)．同時(shí)也可以看到，相移測(cè)量值相對(duì)于已知值偏小，這是一種系統(tǒng)誤差，是由于精密移相器在相移作用過(guò)程中也有一定的衰減作用，并且是相移量越大，衰減量也越大．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中精密移相器的值在變小，所以衰減量也在變小，最后導(dǎo)致相移的測(cè)量值偏?。p測(cè)量值基本上相對(duì)于已知被測(cè)值偏大，分析認(rèn)為，這是一種系統(tǒng)誤差．當(dāng)幅度值減小時(shí)，原來(lái)被調(diào)整的匹配狀態(tài)被逐步破壞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不匹配，實(shí)際衰減量增加，即測(cè)量值比精密衰減器衰減量要大．并且隨著精密衰減器衰減量的增大，偏大量增大．這一點(diǎn)可以在計(jì)算中進(jìn)行修正．

可見(jiàn)在微波測(cè)量的誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)基本符合實(shí)際，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)基本可行．經(jīng)過(guò)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和重復(fù)性都較好，用來(lái)定性檢測(cè)或?qū)崟r(shí)控制已經(jīng)可以滿(mǎn)足要求．

綜上，這套采用調(diào)制副載波和微波鑒相器相結(jié)合的微波傳輸參量測(cè)量系統(tǒng)可以同時(shí)、獨(dú)立的進(jìn)行衰減和相移的測(cè)量．由于這套微波測(cè)量系統(tǒng)可以基本完成微波傳輸參量的全面測(cè)量，實(shí)際上它已構(gòu)成一個(gè)完整的微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀．

1 張仲禮，周輝，鐘海明．近代物理實(shí)驗(yàn)．長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)出版社，1992

2 湯世賢．微波測(cè)量．北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

3 羅秉鐸，劉重光．微波測(cè)濕實(shí)用技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社，1990

4 董樹(shù)義．微波測(cè)量技術(shù)．北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

5 朱明，等．微波電路．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1994

6 鄧紹范．微波電子線路．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988