4-微波标量网络分析仪原理

图 4.1-2
实际反射计等效电路
以入射组合为例，见信流图 4.1-3。
M4 T4 Γd4 T1 s41 M4 Di T2＇ Ci
M4
k4 b4
s44 s2＇ 1 s12＇
a4
(a)
s2＇ 4
k4
b4
CiDi
a1
s11 s14 s42＇
b2＇
s2＇ 2＇
a1
Γ1 Ti
b2＇
Γ2＇
b1
a2＇
b1
Ti
a2＇
根据图 4.1-3(c)和图 4.1-4(c)，并设信号源反射系数为 Γ g ，待测负载反射系数为 Γ L ，给出 全部反射计电路的信流图示于图 4.1-5。
M4 M3
k4
bg Γg Ci
b4
CiDi
k3 b2＇ a1＇
CrDr
b3
Cr Tr Γ2
a1
Γ1 Ti
b2
ΓL
Γ2＇
Γ1＇
b1 图 4.1-5
K b3 b4
校
T4 微波 信号源
D4 b4 Di
D3 b3 Dr
T3 b2 待测 负载 a2 T2
T (a)
T1 b4 s41 a1 s21 b3 s32
b2 ΓL
b1
s12 (b)
a2
(a) 反射计基本测量线路;
(b)理想反射计信流图
图 4.1-1 理想反射计
当反射计的输出端接待测负载时，读出 b3 b4
C r Dr S 31' Cr S 32
b1' Γ1' a1' Tr a2 b T a Γ a 2 r 1' 2 2 b C a C r 2 r Dr a1' 3 M 3 k3b3 k3Cr (a2 Dr a1' )
2.双定向耦合器反射计电路的信流图及其解
b4
校
b4
测
,于是式 (4.1-3)成为
I ΓL 测 I校 3
(4.1-4)
它说明当信号源幅度不变时，入射耦合器可以拿掉，变成单定向耦合器反射计，亦称单通 道反射计(前者称双通道反射计)。相当于终端短路时，其入射波被全部反射，由 b3 示线路中的入射波大小，而待测负载的反射波则由 b3 测 来表示。 在实际中，对定向耦合器的方向性应该要求尽量高，对耦合度要求较强，特别是反射 耦合器应更强些，一般不弱于 20dB，通常取 10dB 或 6dB、3dB，以减少检测的困难。对
(b)
(c)
(a) 入射定向耦合器 Di 和检波器组合单元; (b) 图(a)的信号流通图; (c) 图(b)的简化信号流通图 (M4 为检波器指示度，k 为检波效率)
图 4.1-3
入射组合单元
散射方程为
b1 S11 b S 2' 2 '1 b4 S 41 S12' S 2'2' S 42 ' S14 a1 S 2'4 a2 ' S 44 a4
( 4 .1 7 a ) ( 4 .1 7 b ) ( 4 .1 7 c ) ( 4 .1 7 d )
式中，k4 为检波器传输系数，M 为与出射波 b 成比例的电压幅度值。 同理，对于反射组合单元，只要注意到与图 4.1-3(a)的耦合器连接方向是相反的，就不 难得到图 4.1-4(c)的简化流图。
M3 M3 T3 Γd3 s33 M3 T1＇ s23 Dr T2 CrDr
k3
s31＇
b3
k3
a3
(a) b2 a1＇
b3
Cr
a1＇
s1＇ 1＇ s1＇ 3 s21＇ s32
b2
Γ1＇ Tr Γ2
s22
b1＇
s1＇2
a2
b1＇
Tr
a2
(b)
(a) 反射定向耦合器 Dr 和检波器组合单元； (b) 图(a)的信流图；
RL 20 lg(1 Γ L ) 。
2. 校准与测量：利用反射计测量
Γ 之前，需先进行校准(求 K)。通常采用短路器(质
量好的短路板，或在精密测量中采用 λ/4 的标准短路器)作为标准，来确定常数 K。其方法
是：将短路器( Γ =l)接到反射计的输出端，读得比值为 b3 b4
校
，由式 (4.1-1b)求出常数
(4.1-11) (4.1-12a) (4.1-12b) (4.1-12c) (4.1-12d)
C Ci Γ 2 Γ1' Γ 2 ' Γ 2 TiTr2 Di Tr2 Γ 2 ' Ti Γ1' Di Γ 2
D Ci 1 Γ1' Γ 2 ' Ti Γ1' Di
式中
1 Γ g Γ1 Γ1' Γ 2' Γ 2 Γ L Tr2 Γ 2' Γ L Tr2Ti 2 Γ L Γ g Ti 2 Γ1' Γ g Γ g Γ1 Γ1' Γ 2' Γ1' Γ 2' Γ 2 Γ L Γ g Γ1 Γ 2 Γ L Γ g Γ1Tr2 Γ 2 ' Γ L
(4.1-8a) (4.1-8b) (4.1-8c)
Cr
S 32 1 S 33 Γ d 3
(4.1-8d) (4.1-8e) (4.1-8f) ( 4.1 9a ) ( 4.1 9b) ( 4.1 9c) ( 4.1 9d )
C r Dr
Dr
S 31' 1 S 33 Γ d 3
S11
S 41 S14 Γ d 4 1 S 44 Γ d 4
(4.1-6a)
C i Di Di
S 42 ' 1 S 44 Γ d 4
Γ 2' S 2'2'
Ti S 2 '1
S 42 ' S 2 '4 Γ d 4 1 S 44 Γ d 4
(4.1-6b) (4.1-6c)
1．定向耦合器与检波指示装置组合的信流图
把图 4.1-1a 改画成四端口网络，如图 4.1-2 所示。虚线方框内为实际反射计测量装置，有 两个耦合器，令其连接面 T 左为 2'，右为 1'，划分为两个“定向耦合器-检波指示装置”组 合单元，即入射组合和反射组合。
检波器 D4 a4 4 a1 1 2＇ 1＇ 双定向耦合器 b1 入射组合 T 反射组合 b2 b4 b3 3 2 a2 检波器 D3 a3
4.1 反射计工作原理
反射计是构成微波网络分析仪的核心。微波反射参数的点频和扫频测量装置，常用的 有定向耦合器和电桥反射计两种， 本节讨论它们的工作原理， 以定向耦合器反射计为重点。
4.1-1 定向耦合器反射计工作原理
一、理想反射计与测量标量反射参数的原理 1. 理想反射计：反射计的基本测量线路如图 4.1-1(a)所示。它由微波信号源、反射计 和待测负载三部分组成。 基本反射计由两只反接定向耦合器组成。 设图 4.1-1(a)为理想电路， 即源驻波比 g =1，且输出幅度不变；定向耦合器的方向性为无穷大且无反射，并与晶体 检波器 D4 和 D3 为理想匹配连接。主线上的入射波经入射耦合器(Di)取样，从端口 T4 送入 检波器，设 T4 的出射波为 b4；反射波经反射耦合器(Dr)取样，从 T3 送入检波器，设 T3 的 出射波为 b3。绘出信流图如图 4.1-1(b)所示。设待测负载反射系数模值为 Γ L ，由信流图求 出
测
，按公式 (4.1-1b)求出待测负载的反射系数
测 校
ΓL
1 b3 K b4

测
b3 b4 b3 b4

b3 b3
测 校
Байду номын сангаас

b4 b4
校 测
(4.1-2)
如果晶体检波器是平方律，则有
I I ΓL 侧 校 I校 3 I侧 4
(4.1-3)
式中 I 为检波指示装置(如测量放大器等)的读数。 由图 4.1-1(b) 还可以看出，理想反射计的入射指示值 b4 与所接负载 Γ L 之值无关，
校
来表
带宽要求，视具体情况而定。 二、实际双定向耦合器反射计分析 实际反射计是：(1)定向耦合器方向性有限，其主线反射不为零，因而有一小部分入射波耦 合到检测装置 D3 中(串话)，一小部分反射波耦合到检测装置 D4 中；(2)信号源和检波器非 理想匹配。因此，在这些实际因素影响下，将使 b3 b4 不再满足式(4.1-1b)的线性关系，而 引入测量误差。经过下面分析表明，若想减小其测量误差，需加入调配器，以提高反射计 的测量精度。分析方法是给出信流图，再求其解。
Ti
a2＇
b1＇
Tr
a2
双定向耦合器反射计电路的信流图 ( a1 bg b1 Γ g，L a 2 / b2 )
由不接触环法则可求出
b4 1 Ci Γ 2 Γ1' Γ 2' Γ 2 TiTr2 Di Tr2 Γ 2 ' Ti Γ1' Di Γ 2 Γ L bg Δ
2 ( S 2 '1 S 21 ' S 42 ' S 2 '1 S1'1' S 22 ) S 42 '
第四章
微波标量网络分析仪原理
对单口网络反射系数 Γ 和双口网络 S 参数的幅值进行测量，称为标量网络参数测量。 这种测量方式使用广泛，其原因是，(1) 在许多情况下，某些微波元、器件的性能指标只 用幅值参数表征，已满足工程设计要求；(2) 幅值参数测量所需的仪器设备成本低，如标 量网络分析仪的成本约是矢量网络分析仪的四分之一。本章将标量参数分为两部分讨论， 即标量反射参数( Γ 、 S11 、 S 22 )和标量传输参数 ( S12 、 S 21 )。
若两个检波器都匹配( Γ d 3 Γ d 4 0 )， 把式(4.1-6)和(4.1-8)代入式(4.1-12)， 则参数 A、
B、C、D 只决定于两个定向耦合器的散射参数，有 A S 32 S 2'1 S 21' S 22 S 31' B S 2'1 S 31'
C S 41 S 22 S 41 S1'1' S 2 '2 ' S 22
(c)
(c)图(b)的简化信流图
图 4.1-4 反射组合单元
其中
Γ 1' S1'1' Γ 2 S 22 Tr S 21' S 31' S1'3 Γ d 3 1 S 33 Γ d 3 S 32 S 23 Γ d 3 1 S 33 Γ d 3 S 31' S 23 Γ d 3 1 S 33 Γ d 3
(4.1-5)
式中 a 4 d 4 b4 。 根据不接触环法则，把图 4.1-3(b)简化为图 4.1-3(c)，有
Γ1 S11 (1 S 44 Γ d 4 ) S 41 S14 Γ d 4 (1 S 44 Γ d 4 )
Ci S 41 1 S 44 Γ d 4
(4.1-6d) (4.1-6e) (4.1-6f)
b3 S 32 a 2 S 32 a 2 S S 21 32 Γ L b4 S 41 a1 S 41 S 21 b2 S 41
由两只检波器测出的信号幅度之比为
(4.1-1a)
b3 K ΓL b4
式中 K= S 21 S 32 S 41 为比例常数。 由
(4.1-1b)
Γ L 可转换为驻波比 L (1 Γ L ) (1 Γ L ) 或回波损失
Γ 2 Γ LTi 2 Γ1' Γ g Γ g Γ1 Γ1' Γ 2' Γ 2 Γ L
(1 Γ g Γ1 )(1 Γ1' Γ 2 ' )(1 Γ 2 Γ L )
Tr2 Γ 2' Γ L Tr2Ti 2 Γ L Γ g Ti 2 Γ1' Γ g
A TiTr Cr Ti Γ 2 Cr Dr Ti Cr (Tr Γ 2 Dr ) B Ti Cr Dr
Ci 1 Γ1' Γ 2 ' Ti Γ1' Di 1 CΓ L D Δ


(4.1-10a) (4.1-10b)
b3 1 1 Ti Tr C r Ti Γ 2 C r Dr Γ L Ti C r Dr AΓ L B bg Δ Δ
C i Di S 42 ' Ci S 41
S 41 S 2 '4 Γ d 4 1 S 44 Γ d 4
式中，C 为有效耦合系数，CD 为有效方向系数，T 为有效传输系数， Γ d 为检波器反射系 数。化简为图 4.1-3(c)，并可写成
b1 Γ1a1 Ti a2' b T a Γ a 2' i 1 2 2' b4 Ci a1 Ci Di a2' M 4 k 4b4 k 4 Ci (a1 Di a2' )