GB 4958.14-1992 地面无线电接力系统所用设备的测量方法 分系统和仿真无线电接力系统通用的测量 射频范围的测量.pdf

中华人民共和国国家标准地面无线电接力系统所用设备的测量方法第一部分 分系统和仿真无线电接力系统通用的测量第二节 射频范围的测量发布实施国 家 技 术 监 督 局发 布中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准地面无线电接力系统所用设备的测量方法第一部分 分系统和仿真无线电接力系统通用的测量第二节 射频范围的测量国家技术监督局批准实施本标准为 地面无线电接力系统所用设备的测量方法 系列标准之一本标准等效采用国际标准地面无线电接力系统所用设备的测量方法第一部分 分系统和仿真无线电接力系统通用的测量第二节 射频范围的测量主题内容与适用范围本标准规定了有关地面无线电接力系统中分系统和仿真无线电接力系统射频范围的基本测量方法本标准适用于测量下列各参量载波频率阻抗电平振幅 频率特性群时延 频率特性微分增益和微分相位特性寄生信号 包括谐波引用标准地面无线电接力系统所用设备的测量方法第一部分 分系统和仿真系统通用的测量第三节 中频范围的测量地面无线电接力系统所用设备的测量方法第一部分 分系统和仿真无线电接力系统通用的测量第四节基带范围的测量地面无线电接力系统所用设备的测量方法第二部分 分系统的测量第四节频率调制机地面无线电接力系统所用设备的测量方法第二部分 分系统的测量第五节频 率解调机通论对于下述各种测量 不可能要求事先充分叙述在所有情况下 要获得容许精度的定量测量结果应注意些什么 为此下面仅论及一些通常所关心的问题在使用测量信号的端口处 不应忽略寄生信号 包括谐波 的存在 这些寄生信号可能干扰测量设备本身的使用或者干扰仿真系统及被测分系统 应该去掉在测量端口处的不希望有的信号 虽然他们的幅值可能还不足以影响测量设备 但可能改变被测的射频特性 例如由于热的产生不应改变包括铁氧体隔离器以及环行器在内的部件的机械固定或射频屏蔽的位置 除非有理由肯定改变后的总性能能充分代表被测仿真系统或分系统的性能在下面各章中 将不提及如何防护测量装置以免可能受到射频干扰所需要的一些方法 当进行扫频测量时 测试接收机 选频放大器 幅度检波器以及示波器 的通带大约是扫描重复频率的倍与扫频信号的波形有关指导测量的任务是按照需要来安排测量设备 从而使测量误差保持在容许限度内当提供下面各章所述的测量结果时 宜用一张实际使用的测量框图 表明负载 隔离器 低通滤波器以及其它部件并列出所用各种仪器的型号及衰减器的额定功率 还应说明测量精度及误差来源 如有不明确的地方亦应加以说明载波频率 载频定义和一般考虑载波频率是射频信号频谱中的频率 这种频率可以用信息信号来调制 通常载频是在没有调制情况下测量的 假如使用能量扩散 则该载频测量结果无效注 载波频率在关于射频信道配置的建议中用或表示在仿真系统中 载频可以在端站发信机输出处测量或者经过多个外差式接力站传输后在接力站发信机输出处测量 后者由于频率改变的次数以及本地振荡器的频率误差而会有不同的数值测量方法测量未调制载波频率的一般框图表示在图中 假如存在寄生信号 就需要加带通滤波器 假如频率计的电平范围小于测量所需的电平范围 就需要加衰减器在作任何测量之前 被测设备和测量设备本身都应达到热稳定图测量未调制射频载波频率的框图被测设备带通滤波器 需要时衰减器数字频率计记录仪 任选数字频率计的读数和它的累积时间有关 是在某一时间间隔例如内读出的记录仪可以用来记录数字频率计的一系列读数 实用上近一百个读数就足够了 这个数量和噪声是否存在以及噪声是否调制了这个信号还是叠加在它上面有关 通常在几个测量间隙上平均起来的统计系列分析 证明其测量结果有重复性注只要数字频率计不引入与调制信号频率及频偏有关的误差 上面的方法在射频载波被基带信号调制时也可以应用数字频率计的平均间隔应该超过调制频率个周期测量结果的表示数字频率计的读数应该作为时间的函数人工地或自动地记录下来 数字频率计的累积时间应给以说明要规定的细节在详细设备规范中 如果需要 应规定下列项目载波频率容许偏差阻抗的测量定义和一般考虑用于无线电接力系统中的设备 其输入或输出阻抗通常用相对于被测设备标称阻抗值的回波损耗或电压驻波比来表示阻抗相对于其标称阻抗值的回波损耗由下式给出或表示为式中为阻抗相对于的电压反射系数 即回波损耗与电压驻波比的关系如下测量方法下面的测量方法只适用于测量线性器件的回波损耗或电压驻波比 测量非线性器件或存在外加信号时 则需要一些专门的方法 此处不再给出测量可以用逐点法或扫频法进行 逐点法需要大量测量因而时间浪费较大 不论哪一种方法都可应用测量线或反射计技术用最好的技术设备测量电压驻波比 其精确度可以达到以下测量线逐点法测量线逐点法的典型测量框图表示在图上 被测设备对需要使用在电压驻波比指示器上的射频信号电平是线性的 信号发生器通常是调幅的 可移动探头包括一个可调的或者一个宽带的二极管检波器 电压驻波比指示器通常是一个调谐在调制频率 例如上的选频放大器 测量应该在所需的全部射频段上进行图用测量线逐点法测量电压驻波比的典型框图已调制的射频信号发生器低通滤波器射频衰减器带有移动探头和检波器的测量线被测设备电压驻波比指示器测量线扫频法测量线扫频法的典型测量框图表示在图上 扫频信号发生器是调幅的 可移动探头有一个宽带二极管检波器 选频放大器输出端有一个检波器并且调谐在调制频率上 电压驻波比指示器可以是示波器存贮式的更好 或者是一台记录仪 测量设备可以用已知失配值的负载来校验 示波器的水平扫描相应于扫频信号发生器的频率扫描 在射频的最低端测量时 检波器至少得移动半个波长 频率扫描应包括所需的全部射频频段在任何一个已给射频频率上 相应于在横坐标上的一个已给点所显示的用标定线标出的包络线其最大和最小幅值的比值 就是在该频率上的电压驻波比图用测量线扫频法测量电压驻波比的典型框图已调制的扫频信号发生器低通滤波器和定向耦合器射频衰减器带有移动探头和检波器的测量线被测设备已校正的存贮示波器选频放大器和检波器自动电平控制检波器反射计扫频法反射计扫频法的典型测量框图表示在图上 入射功率和反射功率的取样可以用一个四端方向网络来得到 从这些入射功率和反射功率的取样中 就可以测出每一个频率上的反射系数的模为了校正该测量设备 被测设备可用短路线来代替 用衰减器模拟已知的回波损耗 例如衰减量就相应于回波损耗 这种校正方法比需要知道检波器规律的方法更好些假如入射波电平不是常数 校正线就不是水平的 把校正曲线记录下来并写入 测量结果的表示中 用调节示波器增益的方法 可使整个扫频频段中回波损耗的变化很容易地测量出来注方向网络的方向性超过被测回波损耗的范围确定了可获得的精确度 例如具有的方向性 当测量回波损耗时 可获得的精度限于能够作振幅和相位测量的反射计可用来在司密斯图上显示测量结果图用反射计测量回波损耗的典型框图扫频仪射频隔离器低通滤波器端定向耦合器 反射计被测设备示波器检波器可变射频衰减器检波器和滤波器测量结果的表示该测量结果应该用示波器显示的曲线或照片并带有标定线来表示 或复制成曲线来表示当测量结果不用图形表示时 应该按下面的例子给出在频率范围内的回波损耗大于换句话说 电压驻波比应在所需的整个频率范围内给出应给出测量结果的最大误差要规定的细节在详细设备规范中 如果需要 应规定下列项目标称阻抗允许的最小回波损耗或最大电压驻波比频率范围电平测量定义和一般考虑在地面无线电接力系统所使用的射频范围内电平 一词通常是指功率而言本条的目的是对电平 功率增益 插入增益 或损耗 以及隔离给以定义输入电平输入电平定义为信号发生器输送到被测设备的功率 该信号发生器具有一个和被测设备标称输入阻抗相匹配的输出阻抗注 假如被测设备和信号发生器不匹配 则输送的功率不是最大值输出电平输出电平定义为被测设备送到负载的功率 该负载和设备输出端口的标称传输线特性阻抗相匹配功率增益设备或分系统的功率增益定义为输出电平对输入电平的比值 用分贝表示假如被测设备是非线性的 则功率增益应给以说明 例如是 饱和功率增益 还是 小信号功率增益假如用分贝表示的功率增益是一个负值 通常改变符号而取数值作为损耗插入增益设备或分系统的插入增益定义为在下面二种情况下 实际负载吸收功率的比值当负载直接连接到功率源所吸收的功率当同样的负载通过被测设备连接到同样的功率源所吸收的功率则用分贝表示的插入增益为假如用分贝表示的插入增益是一个负值 通常改变符号而取数值作为损耗隔离 一个器件的两个端口之间设备两端口之间的隔离定义为当所有端口都接有标称阻抗时 一端口上的入射波电平与该波在另一端口上的电平的比值 用分贝来表示测量方法功率电平可以用功率计来测量 射频功率计探头的阻抗接近于他们的标称阻抗 射频功率计非常适合于测量被测端口的资用功率功率计可以用来测量从小于到几瓦的功率 假如测量较大功率则可以使用精密衰减器或者校正了的具有合适功率比的定向耦合器往上扩展量程当需要较高灵敏度或者在测量端有寄生信号时 可以使用其他方法 例如选频电平表或者适当校正了的频谱分析仪注当被测信号经过波导而产生模式变换时 亦即部分功率转变成基模以外的其他模式时 就需要用模式变换器来保证能测量到射频信号的全部功率 然而通常接收到的基模功率已是足够的了输入电平输入测量信号电平应该在信号发生器的输出端并联一个标称阻抗为的终端负载来测量 然后信号发生器的输出端转接到被测设备的输入端时电平不再进一步调整 相应于标称阻抗的终端负载其回波损耗应大于注前面的一些程序对现代仪器来说也许不需要了 因为这些仪器通常用并联在匹配负载上的电动势或电位差来校正输出电平低电平测试一台灵敏的和有选择性的接收机 并带有载频电平表 通过一个匹配的可变衰减器连接到被测端口 为了保证接收机不饱和 应该注意到当衰减器减小时 表的读数要正比于信号的输入电平而改变然后把衰减器调到一个合适的读数 并把该读数记录下来被测设备用一个已知输出功率的信号发生器来代替 该信号发生器和接收机调在同一频率上 并用一只校正了的精密可变衰减器 可以放在信号发生器内部也可以放在外部 调到和前面记录下来的表头读数一样 则信号发生器的输出功率考虑到衰减器的衰减量 将等于被测设备端口的输出功率也可用频谱分析仪来代替接收机高电平测量将定向耦合器经过校正连接到被测端口和匹配负载之间 将功率计连到方向耦合器的测量臂来测量功率 如果需要 可把经过校正的衰减器和合适的滤波器 去掉寄生 谐波或其他不需要的载波 连接在功率计和方向耦合器测量臂之间读数应考虑到定向耦合器和衰减器的全部插入损耗增益 损耗及隔离测量增益 损耗和隔离均可用合适的电平表来测量测量隔离的方法是把一个信号加到适当的端口 然后测量另一端口的信号电平 测量时所有其他端口都应端接标称阻抗 任何不需要的信号电平都应小到可以忽略不计测量插入增益或损耗与频率的函数关系的典型框图表示在图上显示装置可以是记录仪或者双踪示波器扫描电压送至显示装置的放大器上 当用记录仪时 扫描速率应该和它的转换速率一致扫频信号发生器输出端的射频信号用低频信号 例如调幅 并且在整个给定的频率范围上同时扫描图测量射频插入增益及损耗的典型框图已调制的扫频信号发生器射频隔离器输入定向耦合器被测设备输出定向耦合器射频负载记录仪监测器检波器低通滤波器示波器 任选精密射频可变衰减器射频检波器低频对数放大器和检波器射频检波器的输出是一个低频信号 该信号用低频对数放大器 检波器加以放大和检波 采用对数放大器是为了方便地显示大的插入损耗变化低频信号的幅值和在射频检波器上的射频信号有关 因而和插入增益 或损耗 有关 已检波的低频输入信号则送至记录仪的放大器或示波器的输入 并可用另一个检波器来监测送至被测设备的射频输入电平 该检波器也可用来自动控制扫频信号发生器的输出电平 并应用示波器的另一输入来检验输入至被测设备的信号是否保持不变注也可用记录仪来检验输入至被测设备的电平是否保持不变 只要把低频对数放大器 检波器的输入接到监测器 检波器的输出在测量之前 把输出定向耦合器直接连接到输入定向耦合器 如图中把点和点连接起来 将扫频信号发生器放置在需要的固定频率上 用精密可变衰减器在这些频率上对所需的各种数值 例如或等等 进行电平校正然后把被测设备接入两点之间 把衰减器放置在校正过程中的最低值 把被测设备的插入增益 或损耗 对应于频率表示出来在图的测量框图中 应用了一个定向耦合器来测量输出功率 对于低输出功率插入增益的测量或插入损耗的测量 该定向耦合器和匹配负载可以用一个单向器来代替 该单向器把被测设备和射频可变衰减器连接起来用扫频法测量插入增益 或损耗 或回波损耗 模数和角度 可用组合式仪器比较合适 这种设备应用一个宽动态范围 例如的线性混频器 把二个信号 对插入增益或损耗而言是输入信号和输出信号 对回波损耗而言是入射信号和反射信号 外差成低中频 例如这种混频器在大约频率范围内有着均匀的频率响应使用这样的测量设备 在测量增益或损耗时有可能在宽范围内 例如获得的精确度 在测量宽带频率响应时有可能在任何范围内获得的精确度该测量结果可以用记录仪或示波器显示出来测量结果的表示在给定频率上的增益 损耗或电平 应该用分贝来表示或按照需要用相对于一定功率的分贝来表示 假如测量所使用的射频传输线能激励起多模型式 则指定的模式或测量结果使用的一些模式应给以说明要规定的细节在详细设备规范中 如果需要 应规定下列项目电平增益或损耗频率范围振幅 频率特性定义和一般考虑振幅 频率特性是在输入电平不变的情况下 输出电平相对于参考电平的比值 以分贝表示 与频率的关系曲线 通常这个参考电平是给定频率上的输出电平该定义仅用于线性或几乎线性的网络中 不适用于非线性网络测量方法测量最好用扫频法 在扫频法中 把扫频信号发生器的输出接到被测设备的输入端 被测设备的输出端则送到一个具有平坦振幅 频率特性的宽带检波器或跟踪选频表也可以用逐点法测量测量结果的表示对于扫频测量 应提供显示照片或复制的曲线 当测量不用图形表示时 应该按下面的例子给出在频率范围内的振幅 频率特性 相应于处的振幅 为逐点测量可以用表格或上面规定的那样表示当纹波分量容易在被测特性中识别时 则它们的振幅以及他们的周期应给以说明要规定的细节在详细设备规范中 如果需要 应规定下列项目允许的振幅变化量允许的振幅变化率频率范围参考频率群时延 频率特性定义和一般考虑线性网络的变换函数可以写成式中振幅 频率特性相位 频率特性如输出信号滞后于输入信号 则认为是正线性网络的群时延定义为相位对的一阶导数 即用秒表示 该定义对于中频和射频是一样的通常测量群时延变化量 即上述的群时延和在参考频率上的群时延之差测量方法使用在给定频率范围内扫描的调频射频信号进行测量 这种信号通常用相似于中频信号的频率变换来得到事实上 这种测量是在中频下进行的 见第条为了使被测射频设备适应于中频信号发生器和接收机的频率范围 需要应用线性宽带上变频器和下变频器需要进行两种测量 一种是为了确定测量设备的剩余群时延而把测量设备自环起来的测量 另一种是为了获得全部群时延而把被测设备接入的测量 被测设备的群时延等于全部群时延减去剩余群时延当变频器用一根传输线互相连接起来时 为了将群时延纹波减到最小 上变频器和下变频器射频接口的阻抗和它们的标称值要非常接近 不注意这一点 误差就会增加 因为在最初的校准中没有包括被测设备的等效传输线长度变频器的中频和射频端口之间应该是线性的 另外 在上变频器射频输出端口的射频带通滤波器应保证只有上边带或下边带通过被测设备射频带通滤波器本身应具有平坦的群时延 频率特性 或者借助于合适的均衡器使群时延特性具有平坦的频率响应 在某些情况下 均衡器可以合并在被测设备的中频或高频部分假如被测设备是一只射频带通滤波器 则上面提到的滤波器和均衡器可以省掉注 可以应用矢量 电压表或网络分析仪的方法测量结果的表示群时延 频率特性最好表示为示波器显示的图形 并以频率作为横坐标 相似于图所示图群时延频率特性示波器显示图例当测量结果不用图形表示时 应该按下面的例子给出在频率范围内的总时延变化量为当纹波分量容易在被测特性中识别时 他们的数值和他们的周期应给以说明要规定的细节在详细设备规范中 如果需要 应规定下列项目所需的射频带宽调制 测量 频率在所需的射频带宽内允许的群时延变化量在所需的射频带宽内允许的群时延斜率微分增益和微分相位特性定义和一般考虑在小容量无线电接力系统中 测量射频分系统两端口之间的振幅 频率特性 见第章 和群时延频率特性 见第章 一般足以评价由设备所引入的基带失真 而非线性效应 即调幅 调相转换 通常是可以忽略的 然而在容量接近或大于路的无线电接力系统中 调频信号的非线性失真就变得很重要 因此 除了要测量群时延特性外 还需要测量微分增益和相位注 当使用的载波间隔比建议的载波间隔还小时 小于上述容量的系统也可能要求测量微分增益和相位微 分增益和微分相位最初是为有基带输入端与基带输出端的设备规定的定义 见第及条借助于在中频测量调制机中增加一个上变频器以及在中频测量解调机中增加一个下变频器 可以把高频小幅度测试信号和低频大幅度扫描信号通过被测设备同时传输的这个基本定义扩展到射频设备中去可以用直接射频测量调制器来代替上变频器和中频调制机这些附加的东西应具有比被测设备小得多的和失真 中频测量调制机和解调机的定义给出在及中为了测量目的的上 下变频器将在下面的条文中讨论和响应的意义 测量频率的选择以及测量设备的校准将在第章中讨论 这些考虑也适用于射频分系统的测量测量通常包括非线性网络的调幅调相转换和前级线性网络的群时延斜率两部分的综合影响为此 应当记住整个响应不能从个别的测量来确定 所以 当进行射频分系统的和测量时 必须要测量具有线性和非线性失真的级联分系统 例如一个通道滤波器和一个输出放大器 的全部微分增益和相位注对于级联的线性和非线性网络 被测的和与网络参数之间的数学关系在附录中给出 这些关系式通常也适用于射频串接网络 然而 当串接有特殊的放大器 如锁相环放大器 分频一倍频放大器 时 被测的和特性不能直接应用来估价由被测设备引入的基带失真测量方法在射频频段测量和的一种简易框图表示在图上 该框图有一个适合于在中频频段测量和的线路分析仪 见第条为了产生射频测量信号并把被测射频设备的输出变换到中频以适合线路分析仪的中频接收机 增加了射频扩展部分 两种产生射频测量信号的方法表示于图和图中在图中 一个带有可调谐的本地振荡器的宽带上变频器用来把中频测量信号外差至射频 这种方法只适用于测量用带通滤波器 例如无线电接收机的通道滤波器 来抑制出现在变频器输出端某一边带的射频网络 为了测量宽带射频网络 可用另一种装置 表示在图中 一台微波扫频信号发生器直接用来产生射频测量信号 外接的调频输入端口用线路分析仪的基带扫描和测量信号激励 该发生器还使用一个射频测量调制器把被测设备的射频输出转换至中频是用下变频器来完成的 该下变频器包括一个宽带低电平混频器和一个可调的本地振荡器 还使用自动频率控制线路以保证准确的中频输出至线路分析仪的接收部分注 为了保证测量的准确性 需要考虑扫频信号发生器外接调频输入端口的特性测量结果的表示微分增益和相位最好用示波器显示的相片或两个轴作相应校正了的值来表示 假如有可能可在一张相片上表示出两种特性另外 特性极限值的差值也可连同适当的扫频范围一并说明使用图还是图的测量方法 应该给以说明要规定的细节在详细设备规范中 如果需要 应规定下列项目测量信号的频度扫描宽度允许的最大微分增益失真或等效曲率失真允许的最大微分相位失真 度或弧度 或等效群时延失真图应用中频信号 上变频器获得射频测量信号的简化框图发射机部分上变频器被测设备下变频器接收机部分图应用扫频信号发生器获得射频测量信号的测量框图发射机部分射频信号发生器被测设备下变频器接收机部分寄生信号 包括谐波定义和一般考虑寄生信号是不需要的信号 无论有无输入信号 寄生信号都可以在被测设备的输出端