高頻相移器測(cè)試方法研究

孟令剛，趙曉嫣

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

高頻相移器測(cè)試方法研究

孟令剛，趙曉嫣

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

為解決高頻相移器的溯源問題，在介紹相移器工作原理基礎(chǔ)上，分析高頻相移器的相移準(zhǔn)確度、絕對(duì)相位測(cè)量準(zhǔn)確度、插入損耗和電壓駐波比等性能指標(biāo)。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀、校準(zhǔn)件、低失真信號(hào)發(fā)生器和高準(zhǔn)確度相位計(jì)搭建相移器的測(cè)試平臺(tái)，闡述相移器的基本校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)步驟。通過建立不確定度傳播率的數(shù)學(xué)模型，分析相移器的相移參數(shù)測(cè)量的不確定度分量來源，從而對(duì)被測(cè)相移器核心參數(shù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行不確定度分析和評(píng)估。實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度相移器的溯源方法，提高信號(hào)相移控制的準(zhǔn)確度。

相移；相位測(cè)量；插入損耗；不確定度

0 引 言

相位是無線電計(jì)量領(lǐng)域的重要參數(shù)之一。與衰減測(cè)量相比，相位測(cè)量的準(zhǔn)確度更難以控制。相移器是測(cè)量相位的重要儀器和基本器件，其中高頻相移器廣泛應(yīng)用于各種通信、微波和雷達(dá)系統(tǒng)[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，相位測(cè)量方法和測(cè)量技術(shù)也逐漸完善，就技術(shù)手段而言，主要有FPGA/CPLD，DSP以及PLD/PLL技術(shù)。在相位測(cè)量領(lǐng)域，美國一直處于領(lǐng)先水平，主要有Agilent、Tektronix及DRANETZ實(shí)驗(yàn)室，德國、英國也有較高的水平。由于我國相位測(cè)量起步較晚，國內(nèi)主要有天津中環(huán)電子、中國計(jì)量院和國防科工委等研究機(jī)構(gòu)，主要針對(duì)低頻相位計(jì)的測(cè)量。因此，為了保證高頻相移器的測(cè)量準(zhǔn)確性，本文在對(duì)高頻相移器原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)此類儀器校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，并進(jìn)一步探討其核心參數(shù)的不確定度分析和評(píng)估，為同類儀器的校準(zhǔn)和測(cè)試提供必要的技術(shù)依據(jù)[2]。

1 測(cè)試原理及方法

高頻相移器是用來改變傳輸信號(hào)相位的器件，一般分為模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式相移器相移量連續(xù)可調(diào)，數(shù)字式相移器的相位控制只能階躍變化。相移器位數(shù)越多，對(duì)相位的控制越精細(xì)，相移器本身的控制電路與結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜[3]。

相移器的作用是為了改變信號(hào)的相位。當(dāng)信號(hào)通過長度為l的均勻傳輸線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的相位移量，其相移為

當(dāng)機(jī)械長度改變?chǔ)時(shí)，產(chǎn)生的相移差值為

可見，要改變?chǔ)う眨荒苡袃蓚€(gè)途徑[4]：改變傳輸線長度l或改變波長λg，而λg主要取決于介電常數(shù)ε。因此為了滿足特定的需求，通常會(huì)要求微波信號(hào)的相位在特定范圍內(nèi)改變，這就需要設(shè)計(jì)專門的相移器[5]。實(shí)際上，相移器正是通過改變電介質(zhì)對(duì)微波信號(hào)傳導(dǎo)的影響或改變波長來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相位的調(diào)節(jié)。對(duì)相移器的基本要求是信號(hào)通過時(shí)產(chǎn)生相位移量可以調(diào)節(jié)，盡量少的產(chǎn)生插入損耗[6]。

2 校準(zhǔn)方法

2.1 主要性能指標(biāo)

相移器主要的性能指標(biāo)有：工作帶寬、功率范圍、相移范圍、相位誤差、插入損耗、電壓駐波比等。

2.2 校準(zhǔn)方法研究

以narda的高頻相移器3752為例，探討高頻相移器的校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)所用到的設(shè)備主要有網(wǎng)絡(luò)分析儀、校準(zhǔn)件、低失真信號(hào)發(fā)生器、相位計(jì)。

2.2.1 相移準(zhǔn)確度

相移量是相移器的核心技術(shù)參數(shù)，是評(píng)價(jià)相移器質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。目前網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確度0.2°的相位測(cè)量，基本能夠滿足大部分相移器的測(cè)量要求。

首先，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀前必須用校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，這一點(diǎn)對(duì)相位測(cè)量來說非常重要。在高頻段，測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量線、轉(zhuǎn)接頭能夠引入不可忽略的相位測(cè)量誤差。其次，選擇需要檢的頻率點(diǎn)，將相移器調(diào)制0位，從網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取相位初始值φ0，調(diào)節(jié)相移器至規(guī)定的相位值（比如30°)，記錄此時(shí)相位值φ1，相移值Δφ=φ1-φ0。調(diào)節(jié)相移器至不同相位值，分別記錄各點(diǎn)相位值，從而得出各點(diǎn)的相移值[7]。然后，針對(duì)不同的頻段，重復(fù)上述步驟，得到不同頻段的相移量測(cè)量值。

由于目前生產(chǎn)的相位計(jì)均為低頻相位計(jì)，在高頻段相位測(cè)量領(lǐng)域，只能應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行相位測(cè)量。網(wǎng)絡(luò)分析儀是集相位發(fā)生器和相位計(jì)為一體的微波測(cè)量?jī)x器，目前能夠滿足高頻段相位測(cè)量的需求。

2.2.2 絕對(duì)相位測(cè)量準(zhǔn)確度

絕對(duì)相位測(cè)量與相移量測(cè)量類似，不同的是，絕對(duì)相位的測(cè)量?jī)H僅需要記錄不同相位的實(shí)測(cè)值，并不需要減去零位相位值。

2.2.3 插入損耗

理想的相移器是在改變信號(hào)相位移的同時(shí)，盡可能少的產(chǎn)生插入損耗。相移器的插入損耗，是此類儀器校準(zhǔn)的重點(diǎn)部分。采用直接測(cè)量的方式，用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)相移器的插入損耗進(jìn)行測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)分析儀使用前必須使用校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)[8]。

校準(zhǔn)插入損耗實(shí)際上就是對(duì)儀器傳輸系數(shù)的校準(zhǔn)。當(dāng)對(duì)傳輸參數(shù)S12，S21測(cè)量時(shí)，通過內(nèi)部的射頻開關(guān)將測(cè)試系統(tǒng)配置為傳輸測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 傳輸參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

當(dāng)測(cè)量傳輸參數(shù)時(shí)，被測(cè)件（DUT)插接在端口1（PORT1)和端口2（PORT2)之間，通過射頻開關(guān)切換可以測(cè)量S12或S21。

以S21為例，得到：

通過在端口1和端口2之間的短接，校準(zhǔn)后可以消除系數(shù)，由此得到測(cè)量結(jié)果T/R的復(fù)數(shù)比值，從而得到被測(cè)件的傳輸參數(shù)S21。

經(jīng)上述校準(zhǔn)后，插入損耗的測(cè)量不確定度主要來源于網(wǎng)絡(luò)分析儀準(zhǔn)確度、被測(cè)件的測(cè)量重復(fù)性和測(cè)量端口失配等。

2.2.4 電壓駐波比

電壓駐波比產(chǎn)生主要源于接口阻抗不匹配，是與回波損耗相關(guān)聯(lián)的技術(shù)指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)分析儀是校準(zhǔn)此項(xiàng)參數(shù)的常用設(shè)備。電壓駐波比測(cè)量過程與插入損耗相似，在此不做詳細(xì)論述。

3 不確定度分析

相移器主要是用來改變傳輸信號(hào)相位的儀器，所以這里僅就核心參數(shù)相移準(zhǔn)確度校準(zhǔn)不確定度進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)學(xué)模型及不確定度傳播率

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

式中：S1——網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯示值；

S2——相移器的標(biāo)稱值；

δS——相移器的示值誤差。

3.1.2 不確定度傳播率

式中，靈敏系數(shù)c1=?S/?S1=1，c2=?S/?S2=1。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來源及評(píng)定

相移器相移參數(shù)測(cè)量的不確定度分量來源主要有測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量準(zhǔn)確度和相移的分辨率引入的不確定度。

3.2.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（S1)

測(cè)量重復(fù)性不確定度采用A類方法評(píng)定。用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)相移器在2GHz頻率點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次，每次測(cè)量前均進(jìn)行校準(zhǔn)，得到測(cè)量列，如表1所示。

表1測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)貝塞爾公式

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（S2)

采用B類方法評(píng)定。當(dāng)頻率2GHz時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀的相位測(cè)量不確定度u=0.2°，u（S2)=0.2°。

3.2.3 相移器失配引入的不確定度u（S3)

微波測(cè)量系統(tǒng)通常都存在失配問題。引起失配的因素很多，阻抗失配引起電壓駐波是其中的一個(gè)重要因素[9]。采用B類方法評(píng)定。當(dāng)頻率2GHz時(shí)，由于失配引入的最大誤差為0.4°，服從反正弦分布，所以此項(xiàng)不確定度分量u（S3)=0.3°。

3.2.4 相移器分辨率引入的不確定度u（S4)

采用B類方法評(píng)定。相移器最小讀數(shù)刻度為1°，在±0.5°的區(qū)間內(nèi)電平值以等概率任取一值。該測(cè)量值落在該區(qū)間為均勻分布，取包含因子為則

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

4 結(jié)束語

本文介紹了高頻相移器的工作原理和技術(shù)指標(biāo)，搭建了相移器的測(cè)試平臺(tái)，并以narda 3 752高頻相移器為例，詳細(xì)說明主要技術(shù)參數(shù)的測(cè)量方法，通過分析測(cè)量不確定度的來源，進(jìn)而詳細(xì)論述了具體的評(píng)定過程。文中的關(guān)于高頻相移器的校準(zhǔn)方法和不確定度評(píng)定方法的研究，可為國家制訂統(tǒng)一的校準(zhǔn)規(guī)范提供技術(shù)方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

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The calibration method and uncertainty analysis for HF phase shifter

MENG Linggang，ZHAO Xiaoyan
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

Phase shifters are important instruments to measure the phase.To solve the traceability of high-frequency phase shifters，the working principle of phase shifters was introduced in this article and the main technical index analyzed，including phase shifting accuracy，phase measuring accuracy，insertion loss and voltage standing-wave ratio.A network analyzer，along with a calibration kit，a low distortion signal generator and a high precision signal generator，was used to build a phase measuring platform.And the basic calibration method and calibration steps were expounded.The uncertainty analysis and evaluation were carried out for the accuracy in core parameters of the measured phase shifter by establishing a mathematical model for uncertainty propagation rate and by analyzing the source of uncertainty components measured with the phase shift parameters of the phase shifter.Hence，the source of the high-frequency phase shifter has been traced and the accuracy in signal phase-shift control has been improved.

phase shifter；phase measuring；insertion loss；uncertainty

A

：1674-5124（2015）10-0027-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.006

2015-02-17；

：2015-04-02

孟令剛（1980-)，男，河北唐山市人，工程師，碩士，主要從事無線電專業(yè)的計(jì)量校準(zhǔn)工作。