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微波阻抗标准是指对应于这些物理量的实物标准,其中包括特性阻抗标准和反射系数标准。波导和同轴系统中的特性阻抗标准分别是一段精密加工并具有标准截面尺寸、法兰定位符合标准的标准波导和无介质支撑的刚性空气介质标准同轴线,其特性阻抗可由几何尺寸计算得到,并由精密机械加工所保证。反射系数标准即为标准负载,它能在给定波导或同轴线中产生确定的反射系数。各种形式的波导或同轴标准负载在微波阻抗计量中被用作传递标准或工作标准。标准负载按反射系数或电压驻波比的大小分为无反射标准负载、失配标准负载和大反射标准负载;按结构可分为固定和滑动两种形式,其中后者多制成小反射型。在这些标准中,通常由一级特性阻抗标准和电铸成形的复反射系数为1的一级反射系数标准(即1/4波长短路器)构成微波阻抗的高标准,后者的反射系数的模值可根据几何尺寸和材料的电导率计算,也可用苏州仪器校准量热计法或测Q值的方法经实验测定。
微波阻抗测量中两个可直接测量的参量是驻波参量和反射参量。(2)开槽线。为了实现微波阻抗的量值传递和精密测试,普遍采用各种波导和同轴精密开槽线。精密开槽线技术首先要尽可能提高机械加工精度,以提高探针移动的平稳度,减小开槽线的剩余驻波比;其次需要提高信号源的幅度、频率稳定度和指示器的分辨力;此外还需要采用一些提高计量准确度的措施,如针对不同的电压驻波比选择适当的开槽线,并采用1/4波长校准技术等。调配反射计。调配反射计技术是目前可以获得测量反射系数的小不确定度的方法。它主要用于波导系统中,适用频率范围较高,缺点是测量费时费力,且只能点频应用。调配反射计的原理如图11.42所示,它是由耦合于反射波的一个高方向性定向耦合器以及两个调配器Tx和Ty组成。
仔细调配Tx和Ty可获得理想响应,使定向耦合器旁臂的输出幅度与接在标准波导段上的待测负载的反射系数模值成正比,从而能够计算出反射系数模值。仪器校准矢量网络分析仪。矢量网络分析仪包括四端口网络分析仪、多态反射计、六端口网络分析仪等,可以测量散射参量的模值和相位角。四端口网络分析仪获取相位信息的方法是采用两个检波器,来将参考信号和被测信号从高频或微波频率变换为低频信号,在低频进行模值和相角测量;六端口反射计和六端口网络分析仪则采用四个幅度检波器在直流上进行测量。经典微波测量技术要求设计制造诸如精密开槽线、高方向性定向耦合器、无反射负载等理想微波器件,并采取调配措施或其他补偿措施来器件的不完善特性,以获得理想测量系统,从而给出小的测量不确定度。
但经典测量技术早已无法满足近代微波测量的需求。例如,20世纪60年代中期研制的脉冲压缩和相控阵雷达,要求测量表征微波器件的网络参量。当时一台全固态相控阵雷达的发射接收单元采用了1684个微波集成电路组件,要求对每个组件,在3个不同电平上,测量3个频率的性能指标,而要获得全部指标,需要进行数万次测量,经典测量方法对此显然无能为力。因此,在20世纪60年代,出现了采用幅相检测技术的微波自动网络分析仪(ANA)。ANA基本上采用某种频率转移方法,将测量转换在低频上进行。这些频率转移方法包括单边带系统、超外差系统、调制副载波系统、矢量抵消(平衡)系统和零差系统等。化学计量是研究化学计量领域内计量单位量值统一和测量结果准确可靠的计量学分支,是研究化学测量溯源性的一个学科。
化学计量可分为物理化学计量和分析化学计量。物理化学计量主要研究与物质的物理性质和物理化学性质有关的特性量的计量问题;分析化学计量着重研究与物质组成有关的化学成分计量问题。相比于物理计量,化学计量具有如下特点:(1)从测量过程来看,化学测量多为破坏性测量,需要由样本推断总体,抽取的样本必须具有代表性;样品往往要经过溶解、消化、分离、富集等处理,容易发生沾污、损失并引入明显的系统误差;在多数情况下,化学测量是相对测量,通过测量光学、电学、温度等物理量间接确定化学量,容易引入基体效应造成的系统误差。测量仪器多为大中型仪器,结构复杂,昆山仪器校准可进行多参数的同时测量;(2)从测量标准看,化学测量的标准具有多样性,因物质的形态、结构、成分、含量、存在条件而异。
其标准校准面为相同接头形式并且极性相反的接口,被测件如果可以直接和这样接口进行连接,被测件的端口也一定是相同接头形式并极性相反接口,此时被测件称为可插入器件。工程中,被测往往不能满足该要求,例如被测件端口1为SMA形式,端口2为N形接头。这样的被测件称为非插入器件。非插入器件要想和仪表校准面连接必须通过适配器(转接头),而这些适配器并没有通过校准过程,会导致测试误差,既终测试结果是被测件和转接头性能的叠加结果。对非插入器件,要想通过校准测到其真实值,可使用几种方校准法,每种方法的复杂程度和校准精度不同。网络分析仪校准可测试中的系统误差。分析一下反射测试过程中网络分析仪存在的系统误差。网络分析仪在扫频状态下工作。
无论是仪表内部设备还是外接的测试电缆等在工作频带范围内其特性都会存在变化,这些与频率变化相关的测试误差称为“频响误差”,也被称为“跟踪误差”。由于定向耦合器有限方向性造成的误差为方向性误差,方向性误差信号会叠加在真实的反射信号上,造成测试误差。当被测件端口匹配性能好时,方向性误差对测试影响较大。反射指标测试过程中,反射信号通过传输路径返回仪端口,仪表端口阻抗与传输线间会存在失配,该失配会造成信号二次入射,终在传输路径中的信号的多次入射,相应又形成多次反射,这项误差称为源失配误差。被测件匹配性能越差,该项误差对测试的影响越明显。同样,被测件输出的传输信号也会由于接收端阻抗失配造成反射,该信号会通过被测件的反向传输而叠加在真实反射信号上。
从而形成负载失配误差。如果被测件反向传输隔离性能较差,负载失配误差的影响较大。在网络分析仪内部R;A;B因分别反映测试的输入,反射及传输信号,但这些之间会存在信号串扰,对于高隔离被测件(开关;隔离器;大范围衰减器),该项误差影响明显。上例中,正向测试存在共6项误差,反向测试存在对称的6项测试误差,所以二端口器件测试存在12项误差。匹配负载校准主要是得到仪表方向性误差。对于PNA系列网络分析仪,当测试频率很高时,微波频段匹配负载阻抗值会发生变化,这会造成校准的误差。当测试精度要求高时,需要使用滑动负载进行校准,滑动负载校准件相当于相位变化的固定负载,通过多个测试位置(至少3个)的测试可非理想负载对校准的影响。
标准件真实值数据被定义在calkit数据文件中,该文件储存在仪表内部,为进行正确校准过程,校准件选择必须与实际使用校准件相符。校准过程中仪表会提示连接相应校准件,当将校准件连接接到相应端口后,按下仪表菜单中对应按键,注意测试极性(Male/Female)的选择应依据测试端面来定义,而不是依据校准来定义。仪表然后进行测量和计算。校准结束后,需将计算得到的误差数据进行存储,以便下次测试调用。仪表在变化的工作条件下(改变工作温度,外围连接电缆等),测试误差会发生改变,需要重新进行校准。仪表进行校准的接口端面在校准完成后称为校准面,端口阻抗特性阻抗;增益=0dB;Phase=0degree。当被测件可以和校准面直接连接时。
测试精度为高。网络分析仪在校准时设置测试状态应该和被测件实际测试状态相同。这些测试状态包含:频率范围;功率;测试点数;带宽;扫描时间等。在校准后改变测试参数设置,将会使测试精度降低或校准关闭。双端口校准的数学模型双端口校准是网络分析仪的误差校准方法,因为双端口校准可仪表全部的系系统误差。下图所示为二端口器件测试中误差的模型。可以看到由于二端口器件存在正反传输特性,所以器件某端口的匹配情况会对另外端口的测试造成影响。所以当双端口校准后,仪表只测试某项指标(S11)时也要进行正反两个方向扫描,得到所有S参数。双端口校准是网络分析仪的误差校准方法,校准过程中需要至少7次连接校准件,通常测试中。
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