CN103701538B - 一种用于波导***的衰减测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于波导***的衰减测量方法，该衰减测量方法包括将被测衰减器与混频器和已知衰减装置串联连接；将射频信号经过被测衰减器产生衰减的射频信号；将被衰减的信号和与所述射频信号共时基的本振信号混频；以串联中频替代的方法步骤，将经分频的时基信号作为参考信号，采用正交相关检测法测量被测衰减器的衰减量。根据本发明所述方法可实现对3mm、5mm频段毫米波衰减的测量，且方法简单、成本低廉，同时解决了锁相放大器的微弱信号检测问题，提高***检测的灵敏度及准确度。因此本发明不仅适用于50GHz～110GHz毫米波衰减测量***，也适用于其它频段衰减测量***。

Description

一种用于波导***的衰减测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是一种用于波导***的衰减测量方法。

背景技术

衰减在无线电领域中是一个非常重要和普及的参数，其表征了无线电信号的幅度在传输过程中减弱的程度。衰减计量在无线电计量中具有重要的地位，可为功率、电压、频谱、S参数等提供溯源途径，所以国内外都非常重视衰减参数标准的建立。衰减测量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。通常采用的建标方法有射频替代法、中频及低中频替代法等。射频替代法，就是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。其优点在于量程可以非常大，但其缺点在于必须具有与被测件同频率的标准衰减器，而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，所以射频替代法不是衰减测量中最准确的方法。中频及低中频替代法，就是用变频方法将微波或高频信号线性地变换成固定的中频及低中频信号，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。目前世界范围内多数国家建立的衰减标准均为以工作于音频的感应分压器作为低中频标准衰减器的串联低中频替代法的衰减标准装置。但随着频率的升高，信号源输出的功率减小，为了满足衰减测量的动态范围和测量准确度，获得稳定的例如为音频信号的低中频信号的难度越来越大。同时为满足测量的动态范围及准确度要求，中频接收机例如通常使用锁相放大器需要采取相关检测接收的方法。而要采用相关检测接收的方法，必须为锁相放大器提供一个参考信号。这个参考信号和被测信号即混频器的音频输出应具有相同的频率抖动，这对微弱信号的相干检测非常重要。因此，锁相放大器需要根据参考信号提供的频率信息，才能够检测并准确测量一个同频的微弱信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于波导***的衰减测量方法，以解决5mm、3mm频段衰减的准确测量问题，同时解决了测量过程中由于测量装置参考信号与被测信号频率抖动不同而造成检测信号干扰，***检测能力降低的问题。

为解决上述问题本发明提供一种用于波导***的衰减测量方法，该衰减测量方法包括

将被测衰减器依次与已知衰减装置和混频器串联连接；

将射频信号经过被测衰减器信号产生衰减的射频信号；

将该衰减信号和与所述射频信号共时基的本振信号混频；

以串联中频替代测试的方法步骤，将经分频的时基信号作为参考信号，采用正交相关检测法测量被测衰减器的衰减量。

优选的，该方法进一步包括将混频后的信号进行放大和滤波。

优选的，所述串联中频替代测试的方法进一步包括以下步骤

将被测衰减器的设置为初始衰减量；

将所述已知可调衰减器置于初始值；

调节锁相检测装置的增益和射频信号源的信号电平，记录对衰减信号的正交检测达到平衡的电平值；

将被测衰减器设置为被测状态；

通过调节已知可变衰减器，记录对衰减信号的检测得到所述电平值时对应的已知可变衰减器的衰减量。

优选的，所述参考信号是将时基信号分频至与所述混频器的输出信号具有相同频率抖动的信号频率。

优选的，所述参考信号是将时基信号分频至2¹²倍得到的信号。

优选的，所述本振信号源的输出电平设置为+10dBm。

优选的，所述差频过程中将线性地保持射频信号的幅度特性不变。

优选的，所述本振信号源产生的时基信号为10MHz。

优选的，所述正交相关检测法包括检测所述衰减信号的相位和对所述衰减信号进行低通滤波得到衰减信号的幅度值。

优选的，根据权利要求1所述的衰减测量方法，：所述已知可调衰减器是感应分压器，所述串联中频替代的方法进一步包括以下步骤

将被测衰减器设置为初始衰减量A₀；

将感应分压装置的分压比设置为初始值D₀；

调节锁相检测装置的增益和射频信号源的信号电平，记录对衰减信号的正交检测达到平衡的电平值；

将被测衰减器设置为被测状态,衰减量A₁；

通过调节感应分压器的分压比，记录对衰减信号的正交检测得到所述电平值时感应分压器的分压比D₁；

利用公式A_x=A₁-A₀=20log(D₁/D₀)(dB),获得被测衰减器的被测衰减增量Ax。

根据本发明所述方法可实现对3mm、5mm频段毫米波衰减的测量，且方法简单、成本低廉，同时解决了锁相放大器的微弱信号检测问题，提高***检测的灵敏度及准确度。因此本发明不仅适用于50GHz～110GHz毫米波衰减测量***，也适用于其它频段衰减测量***。

附图说明

图1示为一种用于毫米波衰减测量装置的示意图。

射频信号的输出端A1；衰减信号的输入端A2；

1、本振信号源，2、第一倍频模块，3、射频信号源，4、第二倍频器，5、第一隔离衰减器，6、被测衰减器，7、第二隔离衰减器，8、混频器，9、分频器，10、放大滤波模块，11、半自动感应分压器，12锁相放大器。

具体实施方式

图1示出一种用于波导***的衰减测量装置，该衰减测量装置包括射频信号的输出端A1、衰减信号的输入端A2、本振信号源、第一毫米波倍频模块、射频信号源、第二毫米波倍频器、第一隔离衰减器、被测衰减器、第二隔离衰减器、混频器、分频器、放大滤波模块、已知衰减装置例如半自动感应分压器、和锁相放大器。射频信号源3的第一输出端即时基信号输出端与本振信号源1的参考输入端连接，以使本振信号源输出的本振信号与射频信号源输出的射频信号共时基。本振信号源1的输出端通过第一倍频器与混频器的第一输入端连接。射频信号源3输出的时基信号输出至分频器9，分频器9的输出端与锁相放大器12的第一输入端连接，为锁相放大器提供参考信号。射频信号源3的射频信号输出端与射频信号输出端A1之间依次连有第二倍频器4和第一隔离衰减器5。衰减信号输入端A2通过第二隔离衰减器7与混频器8的第二输入端连接，混频器8的输出端与锁相放大器12的第二输入端之间依次连接有放大滤波模块10和半自动感应分压器11。

射频信号源产生的射频信号被耦合至射频信号输入端A2用于为待测衰减器提供射频信号。优选地，测量装置包括耦合在本振信号源1和混频器8之间的第一倍频器2和耦合在射频信号源3与所述射频信号输出端A1之间的第二倍频模块4，分别对本振信号和射频信号的频率倍频。优选地，测量装置进一步包括耦合在第二倍频模块4与射频信号输出端A1之间的第一隔离衰减器5和耦合在衰减信号输入端A2与混频器8之间的第二隔离衰减器7。隔离衰减器一方面用于隔离衰减信号中的各种噪声，另一方面用于改善信号的失配比，以提高信号的质量和测试的准确度。优选地，测量装置中的半自动感应分频器的工作频率为2.44kHz，以使测量装置精准测量工作频率为50GHz～110GHz范围内衰减器的衰减量。优选地，测量装置包括连接在混频器和半自动感应分压器之间的放大滤波模块10，放大滤波模块10中优选采用AD743型运算放大器。

根据本发明的衰减测量装置采用了串联低中频替代法的测量被测衰减器的衰减量。射频信号源3和本振信号源1采用了合成信号源以实现射频信号与本振信号的共时基，该合成信号源具有很高的频率稳定度和准确度以及高达0.001Hz的频率分辨力，这就保证了混频后的2.44kHz中频信号的频率稳定度和准确度。具有较好驻波比特性(一般驻波比小于1.1)的隔离衰减器被用作第一和第二隔离衰减器，可以解决***测量过程中失配的问题。采用基波混频方式混频，使测量***具有较大的动态范围和较好的信噪比。测量***通过频率变换方式将射频信号及微波信号线性地变换为2.44kHz中频信号，在***中作为主标准器的感应分压器与被测衰减器6采用串联方式连接，通过***的锁相放大器的两次平衡即两次调零完成了替代的过程。该方法的主要优点是避免了使用很难实现的高指标宽带射频及微波标准衰减器。采用工作频率为2.44kHz的精密半自动感应分压器11作为基准，利用准确的分压比下感应分压器的改变量替代待检的射频及微波衰减器的衰减量从而达到准确有效地测量衰减量的目的。由于采用了上述结构使得该衰减测量装置与其它原理构成的衰减校准装置相比能达到较高的测量准确度。

优选地，放大滤波模块10在***中的作用是将混频后的中频信号进行低噪声预先放大和滤波，在测量最大动态80dB衰减量时，放大滤波模块10输入端的最小信号电平将达到μV级。这个信号电平很弱，对作为后面接收中频信号部分的第一级的放大滤波模块10提出较高的技术指标要求，要有较高灵敏度和极低的噪声系数。对于N级放大器的级联，优选地，N为选自1-10的自然数，整个噪声系数可以由以下公式确定：

$F=F_1+\frac{F_2-1}{G_{A1}}+\frac{F_3-1}{G_{A1}{G}_{A2}}+...+\frac{\mathrm{Fn}-1}{G_{A1}{G}_{A2}...G_{\mathrm{An}}}$

式中：F_i-第i级放大器的噪声系数，i选自1-N；

G_Ai-第i级放大器的增益。

由上述公式可以看出整个***的噪声系数主要由第一级接收中频信号部分的放大滤波模块10中的放大器确定，所以该模块所选用的放大器的噪声系数是最关键的。本发明所述放大器采用ANALOGDEVICES公司的AD743超低噪声双极场效应管运算放大器，其噪声系数可达到2.9nV/√Hz在10kHz，并具有良好的交流特性如4.5MHz的增益带宽积和0.0003%的总谐波失真(在1kHz频率),在1kHz左右时，共模抑制比大约有95dB，电源抑制比有75dB。低噪声放大器对混频后的低中频信号进行放大，改善信噪比，以提高测量动态范围和测量准确度。

测量装置的锁相放大器12应用正交相关检测方法，可以最大限度的抑制噪声影响，提高***分辨力，从而提高检测信号的灵敏度。从锁相放大器12的工作原理可以看出，要使其采用正交相关检测接收的方法，实现对微弱信号的检测能力，必须为锁相放大器12提供一个参考信号。这个参考信号和混频器输出的被测信号具有相同的频率抖动，这对微弱信号的相干检测非常重要。因为锁相放大器12根据参考信号提供的频率信息，才能够检测并准确测量同频的微弱信号，所以本发明测量装置中将本振信号源的频率为例如10MHz的时基信号输出至分频器9的输入端以对该时基信号频率进行分频，分频器9将时基信号分频为2¹²倍，由于时基信号与被测信号具有相同频率准确度，所以实际分频后的信号就和被测信号保持的相同的频率抖动，因此，将分频器输出的信号作为锁相放大器12的参考信号使用，提供锁相放大器的微弱信号相干检测能力。

结合上述测量装置的优选实施例，对本发明方法做进一步描述：该方法包括将被测衰减器与混频器和已知衰减装置串联连接；

将射频信号作为射频信号，激励被测衰减器产生衰减信号；

将衰减信号和与所述射频信号共时基的本振信号混频；

以串联中频替代的方法步骤，将经分频的时基信号作为参考信号，采用正交相关检测法测量被测衰减器的衰减量。

该衰减测量置的工作频率范围为50GHz～110GHz，采用了基波混频的工作方式。射频信号源3和本振信号源1均采用合成扫描信号源，两个信号源采用共时基的方式连接。按被测衰减器6的要求设置该衰减测量装置中的信号源和倍频模块的工作频率（CW），经内稳幅后将射频信号输出至被测衰减器6，然后将被测衰减器6输出的衰减信号送达到混频器8。射频信号和本振信号差频后的2.44kHz中频信号经过混频器8的中频输出端送到放大滤波模块，混频器8在频率变换过程中将线性地保持射频信号的幅度特性不变。利用作为中频标准衰减器的感应分压器的分压比的改变量替代被测衰减器6的衰减量。由于被测衰减器6和半自动感应分压器11是串连连接在***中，所以该***的工作方式被称为串联替代法。

该测量装置基于串联中频替的方法对被测衰减器6进行测量的过程包括如下步骤。根据被测衰减器6的参数要求将射频信号源3和本振信号源1的频率以及第一倍频模块2和第二倍频模块4设置到所需的频率。将本振信号源1的输出的电平设置为例如+10dBm，射频信号源3的电平设置为例如0dBm。把被测衰减器6置于初始衰减量A₀(例如零刻度)位置，感应分压器分压比置于D₀位置。此时根据被测衰减器的衰减量调节锁相放大器12增益和射频信号源3的信号电平使得锁相放大器12获得平衡指示，例如平衡电平指示为某一电压值，所述某一电压值，即当***达到稳定状态时的电压值；然后将被测衰减器6置于衰减量A₁位置，此时在串联***中由于衰减量的变化，使得测试***失去平衡。通过调节感应分压器分压比使测试***再次平衡即平衡电平指示仍回到之前的某一电压值，并读取此时分压比D₁。则被测衰减器6的衰减增量A_X为：A_x=A₁-A₀=20log(D₁/D₀)(dB)。

对于如步进型或可变型的待测衰减器6，改变衰减刻度后重复上述测量过程就可得到各不同衰减档位的衰减量测量值。以上所述的半自动感应变压器11中的感应分压器的数据读取和数据处理均采用软硬件结合的方式进行，无需再进行人工读数和计算。

本发明基于低中频串联替代法，可实现对3mm、5mm频段毫米波衰减的测量，且方法简单、成本低廉，同时解决了锁相放大器的微弱信号检测问题，提高***检测的灵敏度及准确度。因此本发明不仅适用于50GHz～110GHz毫米波衰减测量***，也适用于其它频段衰减测量***。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细描述说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于波导***的衰减测量方法，其特征在于：该衰减测量方法包括

将被测衰减器依次与已知衰减装置和混频器串联连接；

将射频信号经过被测衰减器信号产生衰减的射频信号；

将该衰减信号和与所述射频信号共时基的本振信号混频；

以串联中频替代测试的方法步骤，将经分频的时基信号作为参考信号，采用正交相关检测法测量被测衰减器的衰减量；其中，所述串联中频替代测试的方法进一步包括以下步骤

将被测衰减器的设置为初始衰减量；

将所述已知可调衰减器置于初始值；

调节锁相检测装置的增益和射频信号源的信号电平，记录对衰减信号的正交检测达到平衡的电平值；

将被测衰减器设置为被测状态；

通过调节已知可变衰减器，记录对衰减信号的检测得到所述电平值时对应的已知可变衰减器的衰减量；

所述已知可调衰减器是感应分压器，所述串联中频替代的方法进一步包括以下步骤

将被测衰减器设置为初始衰减量A₀；

将感应分压装置的分压比设置为初始值D₀；

调节锁相检测装置的增益和射频信号源的信号电平，记录对衰减信号的正交检测达到平衡的电平值；

将被测衰减器设置为被测状态,衰减量A₁；

通过调节感应分压器的分压比，记录对衰减信号的正交检测得到所述电平值时感应分压器的分压比D₁；

利用公式A_x＝A₁-A₀＝20log(D₁/D₀)(dB)，获得被测衰减器的被测衰减增量Ax。

2.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：该方法进一步包括将混频后的信号进行放大和滤波。

3.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：所述参考信号是将时基信号分频至与所述混频器的输出信号具有相同频率抖动的信号频率。

4.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：所述参考信号是将时基信号分频至2¹²倍得到的信号。

5.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：所述本振信号源的输出电平设置为+10dBm。

6.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：所述混频过程中将线性地保持射频信号的幅度特性不变。

7.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：所述本振信号源产生的时基信号为10MHz。

8.根据权利要求1所述的衰减测量方法，其特征在于：所述正交相关检测法包括检测所述衰减信号的相位和对所述衰减信号进行低通滤波得到衰减信号的幅度值。