衰减讲稿幻灯片正式.ppt

1,第一章 衰减计量的基本概念,衰减是无线电计量的基本参量之一，它表征了无线电信号的幅度在传输过程中减弱的程度，是各种传输线、电子元器件、电子设备及系统的传输特性。 衰减测量涉及到许多器件（衰减器、隔离器、耦合器、滤波器、功分器、转接器、混频器、放大器等）的主要特性的表征。 衰减测量涉及到上述器件所面对的诸多参量（耦合度、隔离度、方向性、插损、衰减量、增益、放大倍数、变频损耗、效率等）。 已校准的标准衰减器可用于接收机灵敏度、噪声系数测量，也可用于扩展电压、功率、频谱等参量测量的量程，还可以用于仿真技术中模拟目标距离等。,2,第一节 衰减计量的主要参数,一衰减 衰减是指在理想匹配的系统中插入被测件时被测件的入射功率与出射功率之比，通常用对数形式表示，以分贝为单位，符号为A表示。 A=10 lg（P 1 / P 2 ） （G= 0 ，L= 0） 式中：P 1 被测件输入端的入射功率，单位为瓦(W)或毫瓦(mW)； P 2 被测件输出端的出射功率，单位为瓦(W)或毫瓦(mW)； G 信号源端反射系数； L 负载端反射系数。,负载,被测件,信号源,p1,g,p2,L,3,衰减也可表示为匹配信号源与匹配负载直接连接时负载吸收的功率与被测件插入到它们中间时同一负载吸收的功率之比，如图3-1-2 a)和b)所示，用对数形式表示，以分贝为单位。 A=10 lg （P L1 / P L2） 式中：P L1 匹配信号源与匹配负载直接连接时负载吸收的功率； P L2 为被测件插入到匹配信号源与匹配负载中间时同一负载吸收的功率。 衰减的单位为分贝，单位符号为dB。要提醒注意的是：dB与dBm是不同的。dBm是功率的单位，而不是衰减的单位。0dBm表示功率为1mW，- 10dBm表示0.1mW，+20dBm表示100mW。即 PdBm= 10 lg（PmW/ 1mW）。当信号功率从0dBm减小到- 20 dBm，则称为衰减20 dB。,4,二. 电压衰减 在直流与较低频率时，信号的幅度常用电压表示。在理想匹配系统中，由被测件的入射电压与出射电压之比，用对数形式表示，称电压衰减。用符号A v 表示。 A v = 20 lg （V 1 / V 2 ） 式中：V 1 被测件的入射电压； V 2 被测件的出射电压。 三. 起始衰减 若被测件为可变衰减器，当可变衰减器置于起始零位时的衰减量称起始衰减，用A 0 表示。 A 0 =10 lg （P L1 / P L2 ） 式中：P L1 匹配信号源与匹配负载直接连接时负载吸收的功率； PL2 可变衰减器置于起始零位插入到中间时同一负载吸收的功率。,5,四增量衰减 增量衰减又称衰减增量。若被测件为可变衰减器，可变衰减器调到某刻度位置时相对于起始零位时所增加的衰减量称增量衰减。 A=10 lg（PL2/ P“ L2 ） 式中：PL2 可变衰减器置于起始零位插入到匹配源和匹配负载间时负载吸收的功率； P“ L2 可变衰减器调到某刻度位置时同一负载吸收的功率。,6,五插入损失 由于衰减是在理想匹配系统条件下定义的，实际情况不可能实现理想匹配，因此不可能测得定义的衰减量。插入损失就是针对不匹配系统定义的。 对于任何要求测量传输特性的被测件，可假设为一个二端口网络，网络输入端所接系统设为等效信号源简称信号源，网络输出端所接系统设为等效负载简称负载，如图3-1-3所示。 图3-1-3 二端口网络的插入损耗,7,令P 1表示当反射系数为g 的信号源与反射系数为L 的负载直接相接时负载吸收的功率，设信号源和负载间插入一个二端口网络使负载吸收的功率减小到P 2，则二端口网络的插入损失为： L=10 lg (P 1/P 2 ) (3-1-6) （G，L不为零） 1. 插入损失与网络散射参数的关系 二端口网络的S参数（即散射参数）为S11，S12，S21，S22，网络输入与输出复数波幅有如下关系： b1= S11 a1 + S12 a2 (3-1-7) b2= S21 a1 + S22 a2 (3-1-8),8,a1，a2 分别为二端口网络输入端和输出端的入射波波幅； b1，b2分别为二端口网络输入端和输出端的出射波波幅； S11，S22分别为二端口输入端和输出端的反射系数（当端口1接信号源，端口2接匹配负载，则2= 0，由式(3-1-7)得S11=b1 /a1， 所以S11为端口2全匹配时看向端口1的电压反射系数；同样，S22为端口1全匹配时看向端口2的电压反射系数。）； S21，S12分别为二端口网络的正向和反向传输系数（S21为端口2全匹配时，由端口1到端口2的电压传输系数；同样，S12为端口1全匹配时，由端口2到端口1的电压传输系数。）,9,插入损耗L为： 由式 (3-1-10)可见, 插入损耗不仅与二端口网络的特性（S参数）有关，而且与系统的匹配情况（G，L）有关。同一被测件在不同的系统中插入损耗大小是不一样的。因此，从定义而言，插入损耗不宜用于作为描述元器件特性的术语。,10,2. 衰减与S参数的关系 根据插入损耗的公式，当在理想匹配系统中，即源端和负载端反射系数均为零时（G = L = 0）, 得到衰减的S参数表达式： 由此可见，衰减是表征二端口网络特性的参量，它与所接系统无关。因此，我们用衰减作为描述元器件特性的术语。在实际测量系统中，由于不可能理想匹配，使衰减测量结果与定义的衰减有差别，因此要考虑由失配引入的测量不确定度。,11,六.衰减的反射分量和损耗分量 衰减是二端口网络自身的特性，实质上，它包含两个分量，一部分衰减是由于二端口网络的端口反射引起，称衰减的反射分量；另一部分衰减是网络的吸收耗散引起，称衰减的损耗分量。 1. 衰减的反射分量A R为： 式中：Pi 二端口网络的入射功率； PR 二端口网络输入端的反射功率； Pi 与PR 之差为二端口网络的吸收功率。由网络的入射功率与吸收功率之比得到衰减的反射分量。,12,2. 衰减的损耗分量A d为： 式中：PL匹配负载的吸收功率。 由网络的吸收功率与负载的吸收功率之比得到衰减的损耗分量。,13,3. A R ,Ad 和 A 的S参数表达式： 由于衰减是在匹配条件下定义的，因此： 所以，衰减的反射分量A R为： 衰减的损耗分量Ad 为： 衰减A 由两个分量组成,14,七. 替代损耗 在任意系统中，第一个二端口网络插入时负载吸收的功率与第二个二端口网络代替第一个插入时负载吸收的功率之比用分贝为单位表示，称为替代损耗L s。 在校准可变衰减器时，也就是两次刻度放置时负载分别吸收的功率之比。式中S 与 S” 分别表示第一次和第二次时的网络参数。 当g ，L为零时的替代损耗即增量衰减A：,15,八网络效率 当二端口网络接入任意系统中，负载吸收的功率与二端口网络输入端吸收的功率之比称为网络效率，一般用比值表示，符号为。 当接匹配负载时，网络效率与衰减的损耗分量有如下的关系：,16,第二节 常用衰减器简介,衰减器的种类很多。根据衰减器的不同用途，有： 标准衰减器、 隔离衰减器、 电平调节衰减器、 传递标准衰减器等； 根据输出形式不同，有：波导衰减器、同轴衰减器； 根据衰减量的可变情况，有固定式、步进式、连续可变式； 根据原理不同，有电阻式、感应式、截止式、回转式、吸收式等衰减器。 一般，衰减器的主要指标包括衰减量及其最大允许误差，电压驻波比，频率响应，承受功率，分辨力，重复性等。在第二章中将介绍几种不同原理的常用衰减器。,17,第二章 常用的衰减器,衰减器的种类很多, 对衰减器的分类根据不同的划分规则可分为多种形式，这在第一章中已经作了简要介绍。根据不同的工作原理，衰减器可分为:电阻式、感应式、截止式、回转式、吸收式等几种。 第一节电阻式衰减器 电阻式衰减器通常由电阻分压基本单元组成，基本单元有T型和型两种，电阻式衰减器多为同轴型，一般，3GHz 以下时可用棒状电阻，3GHz 以上时用微带薄膜电阻。通常有固定衰减器和步进衰减器两种。 一.T型电阻式衰减器 T型电阻式衰减器基本单元见图3-2-1。,R1,R1,R2,Z0,V2,V1,Z0,图3-2-1 T型电阻式衰减器基本单元,18,若要求衰减量为A， 则传输系数K 为 ： T型衰减器基本单元中，电阻R 1和R 2可按以下公式计算 ： 式中：R 1 串臂电阻，单位为； R 2 分流电阻。单位为。,19,二型电阻式衰减器 型电阻式衰减器的基本单元电路图见图3-2-2。 型电阻式衰减器基本单元中电阻R 3 和R 4 可按以下公式设计：,20,三平衡式电阻衰减器 在通信等领域，常采用平衡式电阻衰减器，它是由两个相同阻值电阻的T型或型衰减基本单元组合而成。常用的特性阻抗有150，300，600等。T型平衡式电阻衰减器和型平衡式电阻衰减器的基本单元分别示于图3-2-3和图3-2-4。设计平衡式电阻衰减器时，电阻的计算公式与一般电阻衰减器的公式相同，但应注意要用Z 0 / 2代替原来公式中的Z 0。 图3-2-3 T型平衡式电阻衰减器基本单元 图3-2-4 型平衡式电阻衰减器基本单元,21,四薄膜电阻式衰减器 薄膜电阻式衰减器示意图见图3-2-5。 薄膜电阻衰减器是由薄膜电阻片和同轴外导体构成的同轴衰减器。薄膜电阻是由在高频陶瓷基片上溅射一层极薄的钽电阻材料，经光刻，腐蚀等工艺做成。它相当于无限多个T型衰减基本单元组成。薄膜中间的电阻较小，相当于串臂电阻；薄膜两边的电阻较大，相当于分流电阻。薄膜电阻衰减器具有非常宽的频率范围，现已可做到一个衰减器覆盖DC 40 GHz。因此是目前使用最广泛的衰减器。其缺点是：虽然可用理论计算其衰减量和特性阻抗，但实际上衰减量还与薄膜工艺和材料有很大关系，因此准确度较差，需要用校准装置校准后使用。,22,五步进式电阻衰减器 串联开关型步进衰减器，见图3-2-6所示 (以1dB步进的10dB衰减器为例)。 每一个衰减节相当于一个固定衰减器，把衰减节组合成步进衰减器。这种型式的优点是只需4个衰减基本单元就能构成一个十进步进衰减器，一般步进量有0.01 dB，0.1dB， 1 dB，10 dB。最大衰减量可达100 dB。同轴步进式衰减器具有体积小，结构坚固，电性能稳定，频率范围宽，起始衰减小等优点。设计和制造良好的衰减器具有小于0.0001dB /（dB）的温度系数和低于0.0003dB /(dBW)的功率敏感度，频率范围可为018GHz，起始衰减接近零。当使用程控开关时，可用于能自动控制衰减量的自动化系统中。,23,第二节 感应分压器式衰减器 感应分压器又称比率变压器，它是工作于音频的准确度非常高的步进衰减器。一台七位感应分压器包括了七个非常准确抽头的自耦变压器，采用优质开关相互连接，这种连接方法使输出电压对输入电压的分压比按110-7的步进量从0变到1。 这种感应分压器的工作频率为10Hz1MHz，但在1kHz10kHz左右可获得最高准确度。 若感应分压器的输入和输出电压分别为V1 和V 2，则感应分压器的分压比D为： D = V 2 / V1 (3-2-7) 衰减增量A为： A = 20 log（D 1 / D 2） (3-2-8) 式中：D 1第一次平衡指示时感应分压器的分压比； D 2第二次平衡指示时感应分压器的分压比。,24,第三节 截止式衰减器 截止式衰减器因其结构如活塞，故又称活塞式衰减器。其基本工作原理是：电磁波在截止波导内，其电场强度随距离呈指数衰减，如图3-2-7所示。,25,当截面均匀的圆截止波导输入端用激励电极激励起单一振荡模式电磁波时，电磁波波幅E 沿波导呈指数衰减： 式中：E输入端某参考面的场强； 衰减常数； 接收电极到参考面的距离。 当接收电极从1移到2时，衰减增量A为： 当1时， A8.686（dB） 由此可见，衰减量连续可变，并且与成线性正比，由于距离长度的测量准确度很高，因此，截止式衰减器可以达到很高的准确度。例如30MHz截止式衰减器的分辨力可达到0.002dB，衰减量大于100dB，最大允许误差达0.005 dB/10dB。可以作为标准衰减器或衰减传递标准。,26,第四节 回转式衰减器 回转式衰减器为波导衰减器，根据它的原理又称极化式衰减器。它由三段波导串联而成，两端为固定的矩形转圆形过渡波导，中间为可转动的圆波导。每段波导内装有衰减片，两端波导段内的衰减片与矩形波导的宽臂并行，中间波导段内的衰减片沿圆波导截面的直径方向放置，可随圆波导的转动而转动，其结构示意图如图3-2-8所示。当转动圆波导到使三片衰减片在同一平面上时，为零刻度（= 0）。衰减量可以通过回转的角度计算得到，其工作原理如图3-2-9所示。 衰减片 圆波导 矩形圆过渡波导 图3-2-8 回转式衰减器结构示意图 回转式衰减器从0转到时的衰减增量A为：,27,第五节波导吸收式衰减器 波导吸收式衰减器是将衰减片置于波导中垂直于波导宽边，当衰减片并行于波导窄边移动时，衰减量发生变化。其结构原理图见图3-2-10。,28,吸收式衰减器的衰减量A的表达式为： 式中：A 0起始衰减，即当= 0时的衰减量，一般A 00 , 单位为dB ； 波导宽臂的宽度, 单位为毫米； 波导中衰减片离窄边的距离，单位为毫米； A 0 + A V 衰减片位于波导中心（=/2）时的衰减量, 单位为dB。 由于实际上衰减量还受到衰减片与波导壁之间分布电容的影响，因此上述计算公式是近似的，通常要由衰减校准装置校准，给出校准曲线后使用。 A B,图3-2-11 吸收式衰减器校准曲线示意图,29,第六节 PIN电调衰减器 用PIN二极管制成同轴可变衰减器，其结构原理图见图3-2-12。 PIN电调衰减器就是由PIN二极管构成的电容分压器，按图3-2-12的原理构成时，随着偏压加大，衰减减小，实现了衰减量的电调节。 PIN电调衰减器可以实现微波频率下宽频带工作，其功率容量大，结构坚固，体积很小，易实现程控。一般用作电平调节衰减器，也可用于信号稳幅电路，随着智能仪器的发展，应用非常广泛。对于可程控的PIN衰减器，按程控码校准其衰减量后，可在自动化测试系统中使用。,30,第三章 衰减测量与校准方法,衰减测量方法和标准衰减器的校准方法是一样的，仅仅在于后者要求更高的准确度。方法种类很多，最常用的方法是替代法，即通过与标准衰减器比较而测量被测件的衰减。除替代法外，还有功率比法，时间间隔法，信号幅度倍增法，调配反射计法，Q值法，网络分析仪法等。既可以购置衰减校准装置，也可以根据需要，即根据所需的频率，量程，和要求的最大允许误差来选择某种方法，由自己组建系统。现将常用的校准方法及其典型装置简单介绍如下。,31,第一节射频替代法,将被测衰减量与在同频率上的标准衰减器的衰减量进行比较，实现衰减测量的方法称为射频替代法。有时又称高频替代法或同频率替代法。通常可分为串联射频替代法和并联射频替代法两种。 一串联射频替代法 串联射频替代法的原理框图见图3-3-1，它是将被测衰减器与标准衰减器串联起来。,32,二并联射频替代法 并联射频替代法原理框图见图3-3-2。 由于被测衰减器与标准衰减器是并联的，只要每次调到指示不变，则被测衰减增量可由标准衰减器衰减增量替代。,33,三射频替代法的优缺点 射频替代法的优点是：由于被测衰减量用同频率标准衰减量替代得到，衰减测量不受检测器的非线性影响。因此只要信号源输出功率大和接收指示系统灵敏度高，量程可以非常大，例如量程可达130140dB。 缺点是：必须具有与被测件同频率的标准衰减器，目前，尚难制造准确度能与中频标准衰减器同样高的射频标准衰减器。因此，射频替代法不是衰减测量方法中最准确的方法，但是是衰减测量量程最大的方法。射频替代法没有现成的校准装置可买到，选用这种方法时需要自己组建校准系统,34,第二节中频替代法和低频替代法,中频替代法的基本工作原理是用外差变频方法将微波或高频信号线性地变换成固定的中频信号，用准确度很高的中频标准衰减器的衰减量来替代被测衰减量。 一串联中频替代法 以我国生产的RS-12及美国生产的AIL-136型测量接收机为代表产品的串联中频 替代法原理框图见图3-3-4。 串联中频替代法是将稳定的射频信号经被测衰减器后加到线性混频器上，混频器输出的中频信号经前置放大器放大，以补偿截止式衰减器的起始衰减。工作在固定中频上的标准衰减器可以有很高的准确度。由标准衰减器输出的信号经中放检波后指示在某一恒定电平。被测衰减增量由标准衰减器减小的衰减量替代。,35,二并联中频替代法 以我国生产的TO-7和美国生产的VM-3型衰减校准装置为典型代表，其原理框图见图3-3-5。 并联中频替代法与串联替代法的比较：1，当采用截止式衰减器作标准衰减器时，并联替代法只要增加30MHz晶振的输出幅度，就可以比较容易地避开截止式衰减器起始衰减量，从而减小衰减器非线性引入的不确定度。串联替代法要用增加前放的放大量来解决，就会增加噪声，减小量程。2，并联替代时，两路信号快速比较，可以大大减小放大器增益不稳定引入的测量不确定度。3，使用方波调制，便于采用相位检波器和零指示器，提高了灵敏度和分辨力。,36,三低中频替代法 串联低中频替代法的原理框图见图3-3-6。 同步锁相,低中频替代法的优点： 采用感应分压器作为中频标准衰减器，使衰减测量的不确定度降低了一个数量级； 中频频率降低后，使中放带宽可以做的非常窄，大大减小了噪声引入的不确定度； 10kHz放大器可以做得增益非常稳定，避免了一般串联替代法由于增益不稳引入不确定度的缺点； 感应分压器价格低廉，系统组建方便，重复性好；采用频率合成信号源，可以覆盖很宽的频率范围。 低中频替代法的缺点： 1. 量程不够大；2. 感应分压器为手动，若程控就会降低准确度；3. 对信号的频率稳定性要求高。,37,四矢量中频替代法 以美国WE公司生产的VM-4B为典型仪器的衰减和信号校准装置，采用了矢量中频替代技术，扩大了衰减测量量程，衰减与相移同时测量，并采用微处理器提高了智能化和自动化程度。其原理框图见图3-3-7。,38,目前为止，VM-4B还是技术较为先进的商品装置。它采用双通道，大大减小了由于信号幅度不稳引入的测量不确定度；每个通道用两个相位检波器（PSD），一个控制移相器，使两路信号准确反相，另一个控制标准衰减器，使两路信号幅度相等，达到平衡后显示出相移及衰减量。标准衰减器采用可程控的10dB（13个步级）和1dB（15个步级）的步进电阻式衰减器，工作频率为中频1.25MHz,总衰减量为145dB。小于1dB衰减量时，则通过A/D变换后由微处理器计算出来。 装置内具有窄频段锁相本振并采用谐波混频方案。由于中放带宽很窄，并采用时间积分技术使该装置具有很高的灵敏度（达-140dBm），频率范围10MHz18GHz，衰减测量范围 大于100dB，分辨力0.001dB，仪器的允许误差极限为0.02dB/10dB。,39,五、常用的衰减校准装置 在一些商品装置中，常采用中频替代法和射频替代法相结合的原理，综合了两种方法的长处，达到量程大和高准确度的特点。 HP8902A或HP8902AT是目前使用最为广泛的衰减和信号校准装置，其基本装置是HP8902A，工作频率范围为100kHz1300MHz。当采用外差混频法扩展到26.5GHz时仪器型号为HP8902AT。 HP8902A也采用串联中频替代法与射频替代法相结合的原理。HP8902A具有很大的量程（量程为大于100dB）和很高的准确度（允许误差极限为0.02dB/10dB）。HP8902A除了在衰减测量技术方面有上述优点外，还有测量功率电平和调制度等功能。 HP8902AT是在HP8902A的基础上，通过外加混频器和本振，将测量频率提高到18GHz，这时衰减量程上限电平要受到外加混频器非线性的限制，下限噪声电平将取决于外加混频器的噪声系数，因此衰减测量范围减小。,40,第四章 衰减测量中应注意的问题,一个复杂的衰减测量系统都可归结为信号源、被测衰减器所在的传输线系统和信号的检测指示器三大部分。各种衰减测量方法测量衰减的误差主要有以下几方面来源：失配误差、混频器非线性引起的误差、噪声引起的误差、信号泄露和串扰引起的误差和连接的重复性引起的误差。 第一节 失配误差 一失配误差极限的估计 衰减是在理想匹配情况下定义的，如果在信号源和负载不完全匹配的情况下进行测量，就将产生失配误差。因为，实际测得的值是插入损耗，而插入损耗与定义的衰减之差就是定义值不可能理想复现而引入的误差，称为失配误差： Am=L-A (3-4-1),41,（一）测量固定衰减器时的失配误差 由第一章的插入损耗及衰减的公式可求得测量固定衰减器时的失配误差表达式为： 或也可表示为： 式中：1 测量系统接被测衰减器后，由衰减器输入端向负载方向看的反射系数。 其值与衰减器的S参数及负载反射系数L有如下关系：,42,上述失配误差公式中所有自变量都是复数量，并可能有各种相位关系。一般情况下，只知道它们的模，不知道它们的相位。因此，我们无法确定失配误差的确切值，只能根据最坏相位情况，估计失配误差的极限范围： 由此得到测量固定衰减器时，估计失配误差极限的近似式为： 式中1的模由下式估计：,43,（二）测量可变衰减器时的失配误差 在衰减计量中，常常使用可变衰减器，包括连续可变的或步进的衰减器，衰减的标准量值往往是衰减增量，这是因为只要可变衰减器在衰减量变化时其两端电压驻波比变化不大，则衰减测量的失配误差就可以比较小。 可变衰减器测量时的失配误差表达式为： 式中S和S”分别表示可变衰减器刻度第一次和第二次放置时的S参数。 同理也可表示为： 可由上式 得到测量可变衰减器时估计失配误差极限值的公式： 或近似式：,44,二. 失配误差的特点 1失配误差是由于不匹配所引起，它不仅与测量系统有关，而且与被测件的匹配性能密切相关。用同一个衰减标准装置测量不同的被测件时，测量结果的失配不确定度是不一样的。 2. 评定衰减标准装置的不确定度时，都不包括失配不确定度。但应给出测量系统的源端和负载端电压驻波比，以便在给出测量结果时可以评定测量不确定度。 3. 由于各反射系数间的相位关系无法确定，我们不能确定失配误差值。但对一个实际测量系统，相位关系在实际不变的情况下，它引入的误差值是不变的。所以它是一个未知的系统误差，我们不可能用多次测量来判断或减小失配误差。 4. 失配是衰减测量和校准中不可忽视的一项不确定度来源，特别在衰减量值传递过程中常因失配使测量不确定度大大增加，准确度遭受严重损失。 5. 在给出衰减测量结果的不确定度时必须包括失配不确定度，因此在检定衰减器时必须同时测量其两端的电压驻波比或反射系数，以便能评定失配不确定度。 6. 已经校准过的衰减器，在使用时，根据所用系统的失配情况还会引入失配不确定度，后者不包括在校准值的不确定度之内。,45,三. 减小失配误差的措施 1 调配： 用调配器把测量系统的G和L调到最小。调配只能在点频上进行。由于对每个频率点必须重新调配，非常麻烦，且在宽带测量时不适用。所以，现在已很少使用这种方法。 2 去耦或隔离： 把驻波性能良好的衰减器或隔离器接入测量系统，以减小失配影响。在一个反射系数为L的负载前接一个衰减器时，从衰减器输入端向负载看的反射系数有多大？衰减器是如何起到去耦和隔离作用的？见图3-4-1，a)为连接图，b)为其信流图。,46,由信流图看出，从节点1到1有两条路径：p1 = S11，p2 =S21L S12，与路径p2不接触的一阶环没有，与p1不接触的一阶环路为L1= S22L；没有二阶环路。因此，衰减器输入端向负载看的反射系数1为： 由此式可见，如果衰减量较大，则S21S12很小，由衰减器输入端向负载看的反射系数1主要取决于隔离衰减器的S11 。,47,第二节 混频器非线性,在衰减测量时最常用的是中频替代法。信号变换到中频要用混频器，要求混频器的输出中频电压必须与输入射频电压成线性关系。对实际使用的二极管混频器，当输入信号电平较高时，将呈现非线性，它使衰减测量结果小于实际值，即存在负误差。因此混频器非线性限制了衰减测量动态范围的上限电平。 对单个二极管混频器，非线性误差AH是和信号电平PS 与本振电平 PL 之比成正比。 一般，本振功率为110mW，为保证混频器非线性误差小于0.001dB，最大输入信号电平应控制在小于 -30dBm。对于常用的中频替代法而言，衰减测量的动态范围，上限取决于混频器的非线性，下限取决于装置的噪声和系统的泄漏对衰减测量的影响.,衰减测量值 (dB),图3-4-5 衰减测量动态范围曲线示意图,起始信号电平（dBm）,-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110,48,第三节 噪声,无论那一种衰减测量系统都是采用高灵敏接收与指示系统，接收系统必然存在噪声，当信号电平低到与噪声电平相当时，就会严重影响衰减测量。由于噪声的存在，会使指示器指示不稳定，测量的重复性变差；在有些测量方法中，还可能引入系统误差。 噪声限制了衰减测量的下限电平。采用不同的信号检测方式，由噪声引入的测量不确定度是不同的。它与检测电路的等效带宽、接收机的噪声系数有关。在实际工作中，我们用实验方法确定衰减测量动态范围时，同时估计了在低电平时噪声引入的系统误差的极限范围。由此可以用B类评定方法评定测量不确定度。同时在低电平时，要由多次测量的实验标准偏差来确定其由重复性引入的A类标准不确定度。,49,第四节 信号泄漏和窜扰,信号泄漏窜扰是指有部分信号未通过被测衰减器，而是通过其他路径进入信号检测指示系统，由此引入了衰减测量误差。 设v i为经过被测衰减器加到信号检测器输入端的信号电压幅度；v n为不经过被测衰减器而通过其他路径进入信号检测器的信号电压幅度。则信号泄漏窜扰误差AD为： AD = 20 lg(v i + v n)/ v i 由于v i 和 v n 的相对相位不确定，误差可正可负。且 v n随各种随机因素而变化。但可以估计该项误差的极限值， AD= 20 lg（1 +| v n / v i|）= 20 lg（1 +|Pn / Pi|1 / 2） (3-4-18),50,第五节 连接的重复性 在测量同轴固定衰减器时，同轴接头的连接重复性往往是最主要的不确定度来源。由以下对精密制造的接头对的重复性测量数据可以看出，不同的接头型式具有不同的重复性。 接头型式 频率 重复性 N 7mm同轴 DC18GHz 0.02dB SMA 3.5mm同轴 DC18GHz 0.02dB APC-7 7mm同轴 DC18GHz 0.01dB WG15 波导方法兰 7.3GHz 0.005dB （不用定位销） WG15 波导方法兰 7.3GHz 0.0005dB （用精密定位销）,51,第五章 衰减计量标准的建立和量值传递,随着通讯、电子军事装备的发展，各种衰减器在发射、接收、测量等系统中广泛应用，比如用于衰减或调节测量系统中的信号功率电平、扩展功率计或电压表的测量范围以及在测量系统中用作隔离或去耦元件,衰减计量在许多无线电计量中也起着越来越重要的作用，因此，需要建立衰减计量标准和进行量值传递，以保证不同衰减测量系统所得结果的精确性，实现量值统一。,52,第一节计量标准的建立,一、计量标准的原理组成 根据不同衰减器的准确度等级可以建立相应的计量标准，计量标准的建立主要是根据衰减测量方法确定其工作原理，下面介绍两种衰减计量标准，可以分别满足不同准确度级别的衰减器计量。 1. 低中频衰减标准装置 低中频衰减标准装置的工作原理是串联中频替代法，图3-5-1为低中频衰减标准装置原理图。用工作在10kHz的感应分压器的衰减量来替代射频被校衰减器的衰减量。低中频衰减标准装置的工作频段为1MHz18GHz, 衰减测量的不确定度为(0.0040.008）dB/10dB.,53,2.并联中频替代法衰减校准装置 并联中频替代法衰减校准装置的工作原理是并联中频替代法，图3-5-2为并联中频替代法衰减标准装置原理图。其优点是频带宽、量程大，在衰减计量测试中应用最广，国内、国外都有成套的装置可供选购，是比较成熟的产品，如美国生产的VM-3、VM-4、VM-7和国产的TO-7等。该衰减校准装置的工作频段为10MHz18GHz, 衰减测量的不确定度为(0.020.05）dB/10dB, 建立此衰减标准装置,可以开展对各种步进和固定衰减器的检定工作，也可以检定信号源内部的衰减器。 图3-5-2 并联中频替代法衰减标准装置原理图.,54,二、计量标准的稳定性考核,选择一个稳定性好的回转式衰减器，做为核查标准，每年用计量标准重复观测，每次都测n次(n6)，n个观测值计算一个算术平均值，共测m次,计算的平均值和标准偏差，为稳定性。 测量时间分别：1996年10月、1997年10月、1998年10月、1999年10月。 测量数据摘录如下： 频率：f=9.7GHz，每年的测量值如下： 测量衰减量为10、30、50dB。 (dB)：10.154，10.154，10.154，10.154 ， (dB)：30.629，30.628，30.628，30.628 (dB)：51.018，51.019，51.020，51.020 结论：测量稳定性满足小于合成标准不确定度uc的要求。,55,三、计量标准的重复性检验,选择一个稳定性好的被检测量器具，用计量标准重复测量n次（推荐n=6），测得n个观测值xi，按贝赛尔公式计算实验标准偏差，用 s(x)表示。 本装置的测量重复性采用回转式衰减器作为被测件，对同一衰减量重复测量六次。频率：f=9.7GHz (1).功率电平：P=30dBm，测量10dB衰减量，测量数据如下： xi (dB) 10.6210，10.6206，10.6205，10.6203，10.6202，10.6209 =10.6206dB，s(x)=0.0003dB (2).功率电平：P=60dBm，测量10dB衰减量，测量数据如下： xi (dB) 10.6268，10.6235，10.6215，10.6202，10.6152，10.6215 =10.6215dB，s(x)=0.0038dB 结论：测量重复性满足小于2 uc3的要求。,56,第六章 衰减计量的测量不确定度分析,当我们建立计量标准时，要对标准装置进行分析，并给出标准装置的不确定度。我们用衰减测量装置测量一个被测件，可以得到衰减量的测量结果,。为了说明该测量结果的可信程度，应该给出该测量结果的不确定度。也就是要分析对测量结果有明显影响的因素，评定其标准不确定度，然后计算合成标准不确定度，最后确定其扩展不确定度。,57,第一节 衰减标准装置的测量不确定度,衰减标准装置的不确定度反映了标准的水平，它不应包括与被测件有关的不确定度分量，如所有的商品衰减测量仪器的技术指标不包括失配及被测件的重复性，但实验验证时又离不开使用被测件。因此，一般是选择一个较为理想的被测件（重复性好，电压驻波比小、分辨力高），用装置对这样的被测衰减器的测量结果来评价装置的最佳测量能力。例如用重复性很好的被测衰减器时，在装置上测得的重复性主要由装置本身（如由信号源幅度不稳定、标准衰减器的重复性、接收机噪声、指示器不稳定等因素）引起的。被测件的电压驻波比很小时，失配引入的不确定度就可以忽略不计了。也就是说，在建标报告中应给出对一个性能较好的被测件的测量结果不确定度分析。,58,应用举例： 例低中频替代法衰减标准装置不确定度分析与评定。 标准装置的测量范围：080dB（118GHz） 测量范围端10dB和80 dB，频率3GHz和18GHz的不确定度分析和评定。 1） 标准衰减器引入的标准不确定度u1 低中频替代法所用的标准衰减器是感应分压器。八位感应分压