高頻相移器測試方法研究

孟令剛，趙曉嫣

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

高頻相移器測試方法研究

孟令剛，趙曉嫣

（中國測試技術研究院，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上，分析高頻相移器的相移準確度、絕對相位測量準確度、插入損耗和電壓駐波比等性能指標。利用網絡分析儀、校準件、低失真信號發生器和高準確度相位計搭建相移器的測試平臺，闡述相移器的基本校準方法和校準步驟。通過建立不確定度傳播率的數學模型，分析相移器的相移參數測量的不確定度分量來源，從而對被測相移器核心參數的準確度進行不確定度分析和評估。實現高準確度相移器的溯源方法，提高信號相移控制的準確度。

相移；相位測量；插入損耗；不確定度

0 引 言

相位是無線電計量領域的重要參數之一。與衰減測量相比，相位測量的準確度更難以控制。相移器是測量相位的重要儀器和基本器件，其中高頻相移器廣泛應用于各種通信、微波和雷達系統[1]。隨著電子技術的發展，相位測量方法和測量技術也逐漸完善，就技術手段而言，主要有FPGA/CPLD，DSP以及PLD/PLL技術。在相位測量領域，美國一直處于領先水平，主要有Agilent、Tektronix及DRANETZ實驗室，德國、英國也有較高的水平。由于我國相位測量起步較晚，國內主要有天津中環電子、中國計量院和國防科工委等研究機構，主要針對低頻相位計的測量。因此，為了保證高頻相移器的測量準確性，本文在對高頻相移器原理分析的基礎上，對此類儀器校準方法進行研究，并進一步探討其核心參數的不確定度分析和評估，為同類儀器的校準和測試提供必要的技術依據[2]。

1 測試原理及方法

高頻相移器是用來改變傳輸信號相位的器件，一般分為模擬式和數字式兩大類。模擬式相移器相移量連續可調，數字式相移器的相位控制只能階躍變化。相移器位數越多，對相位的控制越精細，相移器本身的控制電路與結構也越復雜[3]。

相移器的作用是為了改變信號的相位。當信號通過長度為l的均勻傳輸線時，就會產生相應的相位移量，其相移為

當機械長度改變Δl時，產生的相移差值為

可見，要改變Δφ，只能有兩個途徑[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ε。因此為了滿足特定的需求，通常會要求微波信號的相位在特定范圍內改變，這就需要設計專門的相移器[5]。實際上，相移器正是通過改變電介質對微波信號傳導的影響或改變波長來實現對信號相位的調節。對相移器的基本要求是信號通過時產生相位移量可以調節，盡量少的產生插入損耗[6]。

2 校準方法

2.1 主要性能指標

相移器主要的性能指標有：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方法。校準所用到的設備主要有網絡分析儀、校準件、低失真信號發生器、相位計。

2.2.1 相移準確度

相移量是相移器的核心技術參數，是評價相移器質量優劣的主要指標。目前網絡分析儀已經能夠實現準確度0.2°的相位測量，基本能夠滿足大部分相移器的測量要求。

首先，使用網絡分析儀前必須用校準件進行校準，這一點對相位測量來說非常重要。在高頻段，測量系統和測量線、轉接頭能夠引入不可忽略的相位測量誤差。其次，選擇需要檢的頻率點，將相移器調制0位，從網絡分析儀讀取相位初始值φ0，調節相移器至規定的相位值（比如30°)，記錄此時相位值φ1，相移值Δφ=φ1-φ0。調節相移器至不同相位值，分別記錄各點相位值，從而得出各點的相移值[7]。然后，針對不同的頻段，重復上述步驟，得到不同頻段的相移量測量值。

由于目前生產的相位計均為低頻相位計，在高頻段相位測量領域，只能應用網絡分析儀進行相位測量。網絡分析儀是集相位發生器和相位計為一體的微波測量儀器，目前能夠滿足高頻段相位測量的需求。

2.2.2 絕對相位測量準確度

絕對相位測量與相移量測量類似，不同的是，絕對相位的測量僅僅需要記錄不同相位的實測值，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相位移的同時，盡可能少的產生插入損耗。相移器的插入損耗，是此類儀器校準的重點部分。采用直接測量的方式，用網絡分析儀對相移器的插入損耗進行測試。網絡分析儀使用前必須使用校準件進行校準[8]。

校準插入損耗實際上就是對儀器傳輸系數的校準。當對傳輸參數S12，S21測量時，通過內部的射頻開關將測試系統配置為傳輸測試系統，如圖1所示。

圖1 傳輸參數測量系統

當測量傳輸參數時，被測件（DUT)插接在端口1（PORT1)和端口2（PORT2)之間，通過射頻開關切換可以測量S12或S21。

以S21為例，得到：

通過在端口1和端口2之間的短接，校準后可以消除系數，由此得到測量結果T/R的復數比值，從而得到被測件的傳輸參數S21。

經上述校準后，插入損耗的測量不確定度主要來源于網絡分析儀準確度、被測件的測量重復性和測量端口失配等。

2.2.4 電壓駐波比

電壓駐波比產生主要源于接口阻抗不匹配，是與回波損耗相關聯的技術指標。網絡分析儀是校準此項參數的常用設備。電壓駐波比測量過程與插入損耗相似，在此不做詳細論述。

3 不確定度分析

相移器主要是用來改變傳輸信號相位的儀器，所以這里僅就核心參數相移準確度校準不確定度進行分析。

3.1 數學模型及不確定度傳播率

3.1.1 數學模型

式中：S1——網絡分析儀的顯示值；

S2——相移器的標稱值；

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c1=?S/?S1=1，c2=?S/?S2=1。

3.2 標準不確定度的來源及評定

相移器相移參數測量的不確定度分量來源主要有測量重復性引入的標準不確定度、標準器測量準確度和相移的分辨率引入的不確定度。

3.2.1 測量重復性引入的標準不確定度u（S1)

測量重復性不確定度采用A類方法評定。用網絡分析儀對相移器在2GHz頻率點重復測量10次，每次測量前均進行校準，得到測量列，如表1所示。

表1測量數據

根據貝塞爾公式

3.2.2 標準器引入的標準不確定度u（S2)

采用B類方法評定。當頻率2GHz時，網絡分析儀的相位測量不確定度u=0.2°，u（S2)=0.2°。

3.2.3 相移器失配引入的不確定度u（S3)

微波測量系統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重要因素[9]。采用B類方法評定。當頻率2GHz時，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類方法評定。相移器最小讀數刻度為1°，在±0.5°的區間內電平值以等概率任取一值。該測量值落在該區間為均勻分布，取包含因子為則

3.3 合成標準不確定度與擴展不確定度

合成標準不確定度為

擴展標準不確定度為

4 結束語

本文介紹了高頻相移器的工作原理和技術指標，搭建了相移器的測試平臺，并以narda 3 752高頻相移器為例，詳細說明主要技術參數的測量方法，通過分析測量不確定度的來源，進而詳細論述了具體的評定過程。文中的關于高頻相移器的校準方法和不確定度評定方法的研究，可為國家制訂統一的校準規范提供技術方法和實驗數據參考。

[1]湯世賢.微波測量[M].北京：北京理工大學出版社，1990：50-74.

[2]張光義，王德純.空間探測相控陣雷達[M].科學出版社，2001：15-90.

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[7]Joines W T.A continuously variable dielectric phase shifter（correspondenc)[J].Microwave Theory an Techniques，1971，8（19)：729-732.

[8]Liu Y，Borgioli A.K-bnad 3-bit low-loss distributed MEMS phase shifter[J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters，2000，10（10)：116-127.

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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的計量校準工作。