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衬垫衰减器及其应用
    衬垫衰减器,即VSWR较小频响较好的固定衰减器,有同轴型和波导型两种。市场上以同轴型见多,而波导型尚不多见。本文介绍机电部二O六所微波技术开发部研制的波导型衬垫衰减器的优异性能及其在微波系统中和测量系统中的应有。

一、衬垫衰减器
    衬垫(Pad)衰减器,是输入、输出VSWR比较小,频率响应比较好的固定衰减器。有同轴型和波导型两种。从衰减原理上分:有电阻型、吸收型、功分型和耦合型。
    衬垫衰减器常用于对信号电平的控制,保护器件或设备不会被大的信号功率破坏,或保证其正常的工作电平;降低设备之间的互耦和相互牵引;消除或降低微波系统中某一部分的输入VSWR;还可以在增益、衰减、回波损耗等微波测量中作“部分高频替代法”的替代标准。因此,衬垫衰减器是微波工程和微波测量中必不可少的器件之一。
    市场上常见的同轴型衬垫衰减器,衰减量一般为3、6、10、15和20dB数种,而波导型衬垫衰减器则不多见。我所研制的AC-型波导衬垫衰减器填补了市场的这个空白。而且由于采用了特殊的体吸收材料,使得全波导带宽内衰减——频率响应从±1.6dB提高到±0.8dB。实测典型值为±0.5dB。

二、AC-型波导衬垫衰减器
    通常的波导衰减器是以片状吸收材料平行于波导中电场方向放置在波导中。这种方法制作的衰减器,全波导带宽内频率相应约±1.6dB,见图1(a)。我们采用了全填充波导的体吸收材料,全波导带宽频响做到<0.8dB,典型测量值为±0.5dB,见图1(b)。其它参数为:
    衰减量:3、6、8、10、15、20dB,或用户指定值。
    频率范围:2.6~40GHz全波导带宽。
    衰减量频响:≤±0.8dB;典型值≤±0.5dB。
    输入、输出VSWR≤1.15;典型值≤1.10。
    以上是吸收型波导衬垫衰减器。对于耦合型,其性能为:
    衰减量频响:≤±0.6dB。
    输入、输出VSWR≤1.07,还可小至1.04。
    可见耦合型频响和驻波都很好,但体积较大。

三、衬垫衰减器的应用

   1、用于对信号电平的控制
   在放大器的实验或测试中,对输入信号电平有一定的要求和限制。当输入信号电平接近或进入增益压缩区时,放大器饱和。参见图2,设放大器的1dB增益压缩点为PIon=adBm;提供的实际输入信号电平为:Pon=bdBm,则选用衰减量At1>(b-a+1)dB的衬垫衰减器,即可保证放大器不会工作到饱和区。
    对高功率电平进行检测或监测时,常采用功率探头(功率座)、检流器或检波器等。这些设备或器件本身都有一个功率容量问题。为了保证检测和监测工作的正常进行,衬垫衰减器可用来控制输入到这些器件的信号功率电平。如图2中A t2。
    诸如此类对信号电平的限制的系统中,衬垫衰减器是您最好的助手。

    2、降低设备之间的互耦和相互牵引
    在微波系统中,某些设备之间由于信号的互耦、泄露、串扰、谐波或其它杂散耦合,会使系统不能正常工作或降低系统性能,或使测量精度急剧下降。对这种情况,在系统的适当位置插入衬垫衰减器就可以提高通道之间的隔离度,或降低设备之间的互耦和相互牵引,使系统工作正常或测量精度提高。
    如图3(a)双通道系统中的At1 和A t2,即起到了提高两通道隔离和减小通道串扰的作用。图3(b)是常见的开槽测量线系统,其中At1是在源和DUT之间降低二者的互耦,消除大反射DUT的反射信号对源的频率和功率的牵引,改善源匹配程度。

    3、改善匹配
    在一个系统的某个参考面上,看向负载方向的VSWR不能令你满意,或因此影响了系统的正常工作,衬垫衰减器可以用来降低它的输入VSWR。
    参见图4,设从参考面T'看向负载的VSWR为S',则在其前面接入At1后,其输入VSWR为S。于是,当已知S'和你所期望的S值后,At1的衰减量可由图4的列线图求得。反之,若已知S'和衬垫衰减器的衰减量X(dB),也可由列线图求出S。

    当然,当计算出的S<衬垫衰减器的输入VSWR时,参考面T看向负载方向的输入VSWR,即为衰减器本身的输入VSWR。
    在图2中,At1一方面保护检测器件不被大的功率电平烧毁,另一面也起着改善检测器件匹配的作用。
    在小损耗器件的测量中,常常得到一些令人不可思议的结果。如一根实际损耗不足0.2dB的直波导有时会测出近1 dB的增益。这就是典型的失配误差。
    图5的讯号流图说明了这种失配误差的定量关系。
    根据讯流图的基本法则,可以直接得出检波器输入端的信号Vd:
    Vd=T[1±(ГГg+ГГd+Г2ГgГd)]=T(1±△)……………………………………(1)
    式中各量均为向量。
    △=ГГg+ГГd+Г2ГgГd…………………………………………………………(2)
    T和Г分别为被测件的传输系数和反射系数;Гg和Гd分别是从被测件看向源和看向负载方向的反射系数。T为待测量。

    当T≈1,Г<0.03时,即被测小损耗器件的输入、输出端VSWR<1.06时,我们来考察Гg、Гd,对小损耗测量可能产生的量大测量误差。为便于分析,设|Гg|=|Гd|,代入式(3)计算。
     Amax= 20lg[1±|△|]
         = 20lg[1±(|ГГg|+|ГГd |+|ГgГd |)]
    表1给出了Гg、Гd为不同值时△Amax的值,从中可以看出小损耗测量时,一定要特别注意Гg、Гd的影响,而不是测量设备的先进性。此外,接头连接不好也可能引入约0.2dB的测量误差。△Amax只是最大可能的测量误差。实际上△中三项以及T都取同相或反相迭加的机率很小。故实际的误差可用△Amax/3来估计。

|Гg|=|Гd|

△Amax(dB)

反射系数

对应的VSWR

+

-

0.3333

2

1.068

1.218

0.286

1.8

0.820

0.905

0.20

1.5

0.440

0.436

0.13

1.3

0.212

0.217

0.091

1.2

0.119

0.120

0.07

1.15

0.079

0.079

0.047

1.10

0.044

0.044

0.03

1.06

0.023

0.023


    4、用于“部分高频替代法”测量中作替代标准
    衬垫衰减器的这一应用,很少见到介绍。众所周知,高频替代测量,可以消除检波律误差,放大指示设备的换档和非线性误差,因此在衰减量、回波损耗、噪声系数等测量中经常采用。
    高频衰减替代标准在波导频段常采用旋转极化式精密衰减器。但在有些场合,由于极化衰减器体积大、重量重,当测试条件和空间受到限制而无法架设和使用时,或者手头没有极化衰减器时,部分高频替代法就由于其替代标准轻便,连接方便而大显身手。
    部分高频替代法,是指替代值不够全面,或者说只能在部分特殊值上进行替代的简便方法。它与直接测量方法一起完成全部测量读数。例如,图6所示为部分高频替代法的扫频反射计。校准时,测量端口接短路器。用衰减量分别为15、20、25、30dB的衬垫衰减器插入检波器与耦合器之间,并分别在记录议上记录下四条校准线。这四条校准线就分别代表VSWR=1.43、1.22、1.12和1.07。然后,撤去衰减器和短路器,换接被测件并记录,则被测VSWR曲线可以对照校准线进行内插读数。如果只是检验和高度被测试是否满足某一指标要求,则只需一只衰减量等于或接近于该指标回波损耗值的衬垫衰减器即可。
    衰减或增益的部分高频替代测量,在原理和方法上与上述相同。标准失配负载定标法也属部分高频替代法。

 

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