微波射頻組件常見參數和測量方法

董文

（山西銀河電子設備廠，太原 030013）

1 引言

微波射頻組件以廣泛應用于無線通信領域，其中有一些常見的參數需要掌握其特性和正確的測試方法，才能得到更準確的測試結果。

2 常見參數

2.1 S參數

S參數的理論模型見圖1。理想情況下，射頻信號a1進入射頻器件后完全從b1出來，但在實際應用中，傳輸線與射頻器件之間會存在一定程度的失配，導致少量信號從a2反射回來。

圖1 S參數的理論模型

S11=a2/a1，表示輸入端駐波比，描述該器件輸入端的匹配情況。S22=b2/b1，表示輸出端駐波比，描述該器件輸出端的匹配情況。S21=b1/a1，表示正向增益或插損，描述信號經過該器件后被放大的倍數或衰減量。S12=a2/b2，表示反向隔離度，描述該器件輸出端的信號對輸入端的影響。

常用的S參數有兩個：S11和S21，S11表示回波損耗，理想值為1，代表信號完全通過。S21表示插入損耗，理想值是0，代表信號完全通過。

2.2 插入損耗（Insertion loss）

插入損耗簡稱插損，指組件置入系統后，對工作頻段信號引入的衰減。插入損耗以接收信號電平的對應分貝（db）來表示。插損常見于射頻電纜、濾波器、耦合器等組件的參數中，是被測組件的重要特性，插損越小越好，表示信號盡可能多的通過組件。影響濾波器插損的因素除了腔數和帶寬外，還受單腔尺寸的影響。一般濾波器的單腔尺寸越大，工作中每個腔能夠儲存的能量越多，損耗越小[1]。

在工程應用中，一般要求插入損耗在2dB以內為比較理想的范圍。

測量插損的常用方法有：①利用頻譜分析儀和信號源測量。用信號源在系統的一端產生一個工作頻點的單頻信號，在系統另一端用頻譜分析儀分別記錄組件接入前后該頻點的信號電平峰值，兩次峰值的差值即為該組件的插損。②利用矢量網絡分析儀測量，只需連接被測組件，校準相應的接頭和頻率范圍，即可直接讀出S21，即該組件的插損。

2.3 駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）

駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數、駐波比。駐波比常見于多種微波射頻組件某一單端口的重要參數中，理想狀態下，駐波比等于1時，表示阻抗完全匹配，此時高頻能量全部通過，沒有能量的反射損耗；當駐波比為無窮大時，表示全反射，能量完全沒有沒有通過。在S參數中，S11和S22分別表示輸入端和輸出端的駐波比。

在工程應用中，一般要求駐波比在1.5以內為比較理想的范圍。

測量駐波比的常用方法：利用矢量網絡分析儀，可以直接測量駐波比，測量時可以只進行單端口連接。

2.4 3dB帶寬

3dB帶寬一般指在信號頻譜圖中指代功率譜密度的最高點下降到1/2時界定的頻率范圍，f0為中心頻率，波峰左右下降3dB所形成的矩形系數所占的矩形空間就是3dB帶寬。3dB帶寬常見于濾波器、上下混頻器等組件的參數中，反應系統中寬帶信號可通過該組件的工作頻段范圍。

測量3dB帶寬的常用方法有：①利用信號源和頻譜分依稀測量。信號源產生掃頻信號，利用頻譜分析儀的跡線保持功能，記錄信號經過被測組件后的軌跡，再用標記點計算頻率差值。②利用矢量網絡分析儀測量，可直接測量讀取。

2.5 帶外抑制（out-of-band rejection）

帶外抑制是濾波器的重要參數，通常是指濾波器在工作頻段以外的頻點處對信號的衰減。濾波器的帶外抑制主要由腔數決定，腔數越多帶外抑制越好，同時插損也越大。帶外抑制常見于濾波器、上下混頻器等組件的參數中。

在工程應用中，一般要求帶外抑制不大于-60dB為比較理想的范圍。

帶外抑制的測量方法：①利用信號源和頻譜分析儀測量。信號源產生掃頻信號，利用頻譜分析儀的跡線保持功能，記錄信號經過被測組件后的軌跡，再用標記點計算帶內和帶外信號電平差值。②利用矢量網絡分析儀測量，可直接測量S21，設置標記點讀取差值即可。

2.6 相位噪聲（Phase noise）

相位噪聲是指系統（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化。它是衡量頻率標準源（高穩晶振、原子頻標等）頻穩質量的重要指標，隨著頻標源性能的不斷改善，相應噪聲量值越來越小，因而對相位噪聲譜的測量要求也越來越高。

相位噪聲好壞對通信系統有很大影響，尤其現代通信系統中狀態很多，頻道又很密集，并且不斷變換，所以對相噪的要求也愈來愈高。如果本振信號的相噪較差，會增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。相噪不好不僅增加誤碼率和影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機信道內、外性能測量，相噪影響鄰近頻道選擇性。要求接收機選擇性越高，則相噪就必須更好，要求接收機靈敏度越高，相噪也必須更好。

在工程應用中，一般要求相位噪聲為：偏移中心頻率±100Hz處不大于-70dBc/Hz，偏移中心頻率±1KHz處不大于-85dBc/Hz，偏移中心頻率±10KHz處不大于-90dBc/Hz，偏移中心頻率±100KHz處不大于-95dBc/Hz，上述幾點為比較理想的范圍。

相位噪聲的測量：利用頻譜分析儀，有專門的相位噪聲測試項，設置好相應的頻率范圍和偏移區間后，可直接讀出相位噪聲的數值。

2.7 三階互調（third-order inter modulation signal）

不同頻率的電磁波在不均勻傳輸面上，會發生非線性混頻。若輸入信號的頻率為f1和f2，則發生混頻后，輸出信號除f1、f2外，還有 2f1-f2、2f2-f1、3f1-f2、3f2-f1等混頻信號。f1、f2的系數相加為3的稱為三階互調，系數相加為5的稱為五階互調，依次類推。其中，三階互調信號最強，最容易落在接收端頻段內。三階互調也稱為三階交調，其示意圖見圖2。

圖2 三階交調示意圖

在工程應用中，接收端天線接收到的信號很微弱，需要經過放大器放大進入接收機。這樣，互調信號也被放大進入接收機。接收機非常敏感，即使是很小的電平都會對接收信號產生影響，因此需要嚴格控制互調信號特別是三階互調信號。三階互調常見于功率放大器的參數中，且與頻率間隔密切相關。

測量方法：利用信號源和頻譜分析儀，信號源產生工作頻段內、一定頻率間隔的雙音信號，用頻譜分析儀標記相應測量點計算。有些型號的頻譜分析儀設置有三階互調測試項，其原理也是計算標記點差值。

3 注意要點

在微波射頻組件的工程應用和實際測試中，應當注意以下幾點：①每次使用矢量網絡分析儀之前，必須先根據被測組件的接頭和工作頻率范圍，并選用相應的校準件進行校準，將測量誤差減小到最低。②在校準時，盡可能多地把被測組件需要的連接電纜、轉接頭等帶入。③在測量功率放大器等大信號時，務必注意儀表的輸入功率范圍，必要時需增加衰減器以調整信號大小，避免大功率信號損壞儀表接收機。④設置信號源和矢量網絡分析儀的脈沖信號功率大小在被測組件的合理工作范圍內，避免損壞被測組件。⑤確保被測組件連接可靠，如SMA接頭，需使用磅數合適的力矩扳手固定。⑥出于安全性考慮，測試儀表、被測組件應在加電測試前應進行檢查，確保可靠接地。