微波衰減與相移聯測

陳建偉

（諸暨中學 浙江諸暨 311800）

微波技術是近代發展起來的一門尖端科學技術，它不僅在國防、工業、農業、通信方面有廣泛應用，也成為發展尖端科學不可缺少的技術手段．在應用微波進行輔助檢測時，主要對微波的傳輸參量——衰減和相移進行測量．

當微波通過傳輸元件或某些物質后，除了振幅發生變化外，同時還會發生相位的變化．而物質的某些非電參量，如煤粉的揮發份，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，為了用微波測量法測這種物質的非電參量，就必須同時測出它們對微波的衰減和相移影響．衰減和相移的單獨測量法很多，也比較簡單．但是一般情況下，當微波通過被測樣品時往往伴隨著衰減和相移同時發生，如果分步測量，總會因為更換元件和重組裝置而使實驗條件和實驗環境發生變化，造成兩個測量值的不對應．為了能全面反映被測樣品的實時信息，我們往往要求對衰減和相移進行同時、獨立的測量，且又要求測量過程不影響被測值．經過研究和反復驗證，選擇用調制副載波和微波鑒相器相結合的方法是比較合適的．測量電路框圖如圖1所示．

圖1 測量電路框圖

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

圖2 微波鑒相器

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

載波EC是一個恒定的矢量，副載波ESC是經過調制，并且通過被測樣品，采集到樣品信息，最后加入混頻檢波器的被測信號．根據文獻［2］的推導，混頻后得到的信號是含有調制頻率ωm的低頻信號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，m為調制系數，ESC為通過副載波通道到達檢波器的信號．

圖3

由此可見，檢波輸出低頻信號幅度與ESC成正比．又因為ESC隨被測樣品而異，所以em中已經包含被測元件的微波傳輸參量信息，從而實現了在低頻上的替代測量．對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小旋轉矢量．載頻直流成分（EC±ESC）不但不必要，而且保留下來還有某些不利之處．故在調制副載波系統中采用平衡調制器．將副載波調制器輸出中的載頻成分盡可能抑制掉，稱為抑制副載波的雙邊帶調制法．將通過被測樣品的已抑制的調幅波信號與來自載波通道的本振信號混頻后恢復出調制低頻信號．抑制或壓低調制副載波信號中的載頻成分有一個重大好處，即可以更加有效地利用檢波器線性段，從而擴大衰減測量的范圍，減小非線性誤差．

同理，因為加于右邊混頻器d2的副載波信號與加于d1的副載波信號相位相差90°，所以d2輸出是幅度為mESCsinωφ的低頻信號

因此，兩個低頻信號Ud1，Ud2不僅含有被測信號的幅度信息

同時也含有被測信號的相位信息

即只要把兩個混頻器的檢波輸出經過簡單計算就可以對被測信號的幅度和相位進行同時、獨立的測量．

測量前要進行最佳測量條件即最佳匹配狀態的調節，先調節低頻調制信號，使檢波輸出指示在適當數值（主要是考慮儀表的顯示范圍）．之后反復調節被測件兩端的調配器，使輸出最大；再調節載波通道移相器，使鑒相器中不含精密移相器的輸出最大．然后調節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信號相位差為90°．此后不再改動精密移相器，調節載波通道的移相器使兩路輸出都有一定數值．

下面驗證該實驗的可行性和穩定性．

（1）用已知校準器作為被測元件，定量改變系統的相移量，驗證相移測量的可行性和穩定性，測量數據如表1所示．

表1 相移測量數據

續表

（2）用精密衰減器作為被測元件，逐步改變系統的幅度值，驗證衰減測量的可行性和穩定性．測量數據如表2所示．

表2 衰減測量的測量數據

由表可見，測量相對于已知被測值有一定的誤差，但誤差基本上在微波測量誤差允許范圍內．同時也可以看到，相移測量值相對于已知值偏小，這是一種系統誤差，是由于精密移相器在相移作用過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．在實驗過程中精密移相器的值在變小，所以衰減量也在變小，最后導致相移的測量值偏小．而衰減測量值基本上相對于已知被測值偏大，分析認為，這是一種系統誤差．當幅度值減小時，原來被調整的匹配狀態被逐步破壞，從而導致系統不匹配，實際衰減量增加，即測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．這一點可以在計算中進行修正．

可見在微波測量的誤差范圍內，實驗基本符合實際，說明實驗基本可行．經過多次測量發現實驗的穩定性和重復性都較好，用來定性檢測或實時控制已經可以滿足要求．

綜上，這套采用調制副載波和微波鑒相器相結合的微波傳輸參量測量系統可以同時、獨立的進行衰減和相移的測量．由于這套微波測量系統可以基本完成微波傳輸參量的全面測量，實際上它已構成一個完整的微波矢量網絡分析儀．

1 張仲禮，周輝，鐘海明．近代物理實驗．長春：東北師范大學出版社，1992

2 湯世賢．微波測量．北京：北京理工大學出版社，1990

3 羅秉鐸，劉重光．微波測濕實用技術．北京：電子工業出版社，1990

4 董樹義．微波測量技術．北京：北京理工大學出版社，1990

5 朱明，等．微波電路．長沙：國防科技大學出版社，1994

6 鄧紹范．微波電子線路．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1988