测量接收机与矢网测量衰减方法研究

栾 鹏 刘 晨 李彦丽 吴爱华 乔宏志

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555）

1 引 言

衰减量是表征微波元件传输特性的一个主要参量［1］，在大功率、微电压、噪声等信号参量测量时都需要经过校准的衰减器。 因此衰减参量是微波测量领域非常重要的参数，对其准确测量具有重要意义。

目前，准确度较高且使用方便的衰减测量仪器有测量接收机和矢量网络分仪。 常用的测量接收机有FSMR50 等，其通过调谐电平测量及相应的量程修正实现衰减参量测量。 比较先进的矢量网络分析仪为PNA －X 系列，其通过测量两端口器件散射参数的方法实现衰减参量测量。 两种测量方法测量原理不同、各有优缺点。

本文对衰减的定义及测量不确定度来源及对两种测量标准测量不同衰减量的低反射系数被测件不确定度进行对比分析介绍。 先后采用两种测量标准对较大反射系数下不同相位的被测件进行测量，后对接收机和网络分析仪测量衰减的优缺点进行总结。

2 衰减测量原理及不确定度分析

接收机测量衰减的原理为：在相同的信号激励下，系统不接被测件与连接被测件，测量接收机测量调谐电平的比值即为插入损耗，其与衰减量之间有确定的关系，如图1所示。

图1 不接被测件时接收机测量示意图Fig.1 Schematic diagram of receiver measurement when the DUT is not connected

源输出功率为［2，3］

源传输给反射系数为ΓL的任意负载的净功率为：

当把被测件接入到系统中进行测量，如图2所示。

图2 连接被测件时接收机测量示意图Fig.2 Schematic diagram of receiver measurement when connecting the DUT

源经被测件（二端口网络）传输给反射系数为ΓL的任意负载的净功率为

由式（3）和式（5）可得，接收机测量被测件的插入损耗为

在图2所示测量系统中，当信号源与负载均与传输线匹配时（ΓL＝ΓG＝0） ，根据衰减的定义，被测件的衰减为

由式（7）和式（8）可得，采用接收机测量衰减的失配误差为

由于失配误差与源、接收机以及被测件输入、输出反射系数幅度和相位均有关系，测量难度大，一般作为不确定度处理。 失配误差在相位反相时达到最大值［4，5］，不确定度一般取极限为

从接收机测量原理可知，其测量的是插入损耗，当接收机用于测量衰减时，其测量不确定度主要来源于接收机线性度、失配以及测量重复性。

由矢量网络分析仪的测量原理可知［6］，测量参数S21的测量不确定度既是衰减的测量不确定度，不存在失配的问题。 其测量S21的不确定度来源主要包括：校准件不理想导致的系统误差项修正不完善、网络分析仪线性误差以及测量重复性。

3 接收机和网络分析仪测量不同衰减量的不确定比较

评定分析以18GHz 频率为例，接收机和矢量网络分析测量低反射系数不同固定衰减器为测量对象。

信号源的源反射系数模值｜ΓG｜、测量接收机的输入反射系数模值｜ΓL｜以及被测件的输入输出反射系数模值均为0.1，即｜ΓG｜＝｜ΓL｜＝｜S11｜＝｜S22｜＝0.1），被测件分别1dB，3dB，10dB，20dB，40dB，60dB，80dB，100dB 衰减器。

由测量接收机说明书，其线性极限误差为±0.01dB ＋0.005dB／10dB（10dB、50dB 量程转换误差为0.005dB），其失配误差、接收机线性误差及最终测量不确定度（含重复性），如图3 至图5所示。

图3 接收机测量失配误差曲线图Fig.3 Receiver measures the error curve of mismatch error

图4 接收机测量线性误差曲线图Fig.4 Receiver measurement the error curve of linear

图5 接收机测量衰减不确定度曲线图Fig.5 Uncertainty curve of receiver measurement attenuation

由图3 和图5 可知，（1 ～10）dB 由于隔离较差，导致失配影响较大；80dB 以上不确定度主要来源于测量重复性。

矢量网络分析仪测量衰减［7，8］的不确定度由不确定度评定软件得到如图6所示的不确定度（含重复性）曲线。 在60dB 以下，不确定度（0.1 ～0.3）dB，与接收机测量不确定相当。

图6 网络分析仪测量衰减不确定度曲线图Fig.6 Network analyzer measures the uncertainty curve of attenuation

对于接收机测量衰减，由于评定失配引入的不确定度是在最保守情况下得到的，因此，对于被测衰减器驻波较小（一般小于1.2）的情况下，在（10 ～60）dB 网络分析仪与接收机测量的不确定度相当；在80dB 以上，由于网络分析仪的线性及重复性等原因，导致测量S21的不确定度远大于测量接收机的测量不确定度，一般不能用于测量衰减。

失配在接收机测量不确定度中占据主导因素，对于功率衰减器而言，其驻波通常较大，一般可达1.6∶1。 仍以18GHz 为例，测量20dB 衰减器，测量接收机测量该失配衰减器的不确定度为0.59dB，网络分析仪测量不确定度为0.18dB。 就是说在测量较大失配的衰减器时，网络分析仪具有天然优势。

4 实验验证

以接收机和网络分析仪作为测量标准，以阻抗调配器级联20dB 固定衰减器作为被测件，在18GHz 频率下，分别测量被测件输入反射系数幅度0.23，不同相位下，测量结果的对比（被测件输出反射系数幅度为0.15）如图7所示。

图7 在不同输入反射系数相位下的测量结果对比图Fig.7 Comparison of measurement results at different input reflection coefficient phases

从实际测量结果对比来看，两种测量标准在不同相位下测量结果偏差较大（0.10 ～0.31）dB，且接收机比矢网测量结果偏小。 测量以网络分析仪测量结果为参考值（不确定度为0.18dB），接收机测量结果偏离参考值较大。 对于一个200W 的功率衰减器，如果测量结果偏离参考值0.3dB，相当于功率偏差14W，这对于功率器件设计或测量的影响是非常大的。

5 结束语

失配在接收机测量衰减中占据主导因素，应尽可能减小源及接收机的反射系数。 网络分析仪由于不用考虑失配，因此在60dB 以内衰减量程测量不确定度较小，超过80dB 由于受网络分析仪线性及重复性的影响，其测量不确定度急剧恶化，一般不用于衰减测量。 对于反射系数模值较小（小于0.1）的被测件，衰减量在80dB 以内，接收机与网络分析仪测量不确定度相当；当反射系数模值较大时（大于0.2），接收机测量衰减的不确定度明显偏大，建议采用网络分析仪作为测量标准。