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驻波与反射测量

时间 : 2022年10月11日分类 :工程百科

[拼音]：zhubo yu fanshe celiang

[外文]：standing-wave and reflection measurements

在微波范围内，信号波长与电路尺寸可相比拟。信号传输是以波的方式沿传输线（包括波导）传播。当均匀传输线终端负载阻抗Z不等于特性阻抗Z₀时，入射波便在负载上产生反射。入射电压与反射电压之比称为反射系数Γ，在无耗线上各点反射系数Γ的模值都相等，但相角不同。因此各点的输入阻抗Z (即等效负载阻抗)也不相等。Γ与Z有如下关系

Z/Z₀称为归一化阻抗，其值可以通过反射系数的测量来确定。从另一方面看，当有反射时，入射波与反射波在线上各点以不同相位叠加而形成驻波。电压驻波比，它与反射系数模值有下列关系

单由驻波比S(或|Γ|)的大小还不能确定Z，通常还要找出某点到驻波电压最小点的距离l_min与λ_g之比，才能确定这一点的复数Γ和Z/Z₀。微波阻抗的绝对标准是所用传输线的特性阻抗Z₀，其值决定于传输线的截面形状和尺寸。S、Γ及归一化阻抗的工作标准，是采用精密尺寸传输线段制成的各种固定式和可移式匹配负载、失配负载及短路器等。

在微波电路中阻抗、反射和驻波是紧密联系的。驻波测量线和反射计是测量这些参量最常用的两种测量仪器，此外，电桥法也日趋重要。

测量线法

开槽测量线是测量驻波和阻抗等参量的最古老而常用的仪器。沿同轴线外导体（或波导宽壁中央）开一纵向狭槽，插入一个可以沿槽移动的探针，检测出沿线电压(电场)最大值和最小值的相对大小，便可得出驻波比（图1）。测量阻抗时，除测S 外还要由槽旁直尺读出l_min(图1所示为测负载Z_L的情况)和相邻两最小点之间距离λ_g/2，据此即可算出或由阻抗圆图查出Z_L/Z₀之值，以及复数Γ之值。

反射计法

图2的反射计电路中，用两只定向耦合器分别将反射波和入射波耦合出一部分，各经过一个幅度检波器，分别读数后（或一同加到一个比值计上）求取比值，经过校准（以短路器或已知失配负载为标准）便可由此比值计直接表示负载的|Γ|。这种简单反射计有以下缺点：

（1）由于将耦合出来的信号直接检波，失去了相位信息，结果只能测出|Γ|而得不到Γ的幅角�辏�

（2）当反射波耦合器方向性不够理想时，会有少量入射波漏入它的输出端，使测量小值的|Γ|时发生颇大误差；信号源端匹配不理想也会造成随 |Γ|值迅速增大的失配误差。

调配反射计

为了减小反射计的误差，50年代末开始出现调配反射计技术。在图2的x、y、z三处各接入一个调配器，经过特定的调配手续，便可将反射计的方向性误差和失配误差基本抵消而大大提高其测量精确度。由于调配手续极为繁琐费时并对频率变化极为敏感，调配反射计主要是用作固定频率的驻波和反射的计量标准装置。

扫频反射计

反射计的更大用途是扫频测量。把扫频信号加到由宽带高方向性的耦合器和宽带匹配检波器组成的反射计上，便可由示波器或记录仪显示出整个扫频范围内负载的|Γ|或S值随频率变化的曲线。如果两只耦合器具有相同的频率响应，并采取比值计作为输出指示，扫频信号幅度随频率的变化就不会影响测量结果。在不用比值计时，则可以将入射波耦合信号经检波放大后对扫频源进行自动稳幅。这不仅可以消除扫频信号幅度的变化，只由反射波检波输出的大小就可得到|Γ|，而且还可改善信号源端的匹配，减小失配误差。另有一种方法可以更好地修正扫频信号幅度变化所致的误差，同时还可以省掉入射波耦合器。其法是在测试前先用反射计测量一个全反射负载，将扫频源的幅度变化连同定向耦合器的频响误差一并存储在数字存储器中；测量未知负载时，再将存储的误差数据从测量结果中扣除。所用的存储和运算装置称为存储归一化器。

复数反射计

用反射计测量复数Γ 的一种途径，是将两路耦合出的高频信号进行比幅和比相。这可以用幅相平衡电桥或双通道外差变频式幅相接收机来完成（后者如网络反析仪）。另一途径是除原有两个检波端口处，适当增加检波端口(例如增加一个或两个探针检波器)便可取得相位信息。这种办法类似于六端口反射计。

时域反射计

将陡峭阶跃或窄脉冲作为信号，通过采样头和传输线加到被测负载上，采出入射和反射波的波形并使其显示在示波器上便构成时域反射计。从入射波形与反射波形前沿之间的时间间隔（延时），可得出反射点离开采样点的距离。当被测器件中存在多个反射点时，在示波器上即可看到多个位置不同的回波脉冲。观察入射波形与反射波形之间的距离差异，就可求得每个反射点的位置和性质。若将有关的时域波形数据通过傅里叶变换，还可以得出被测器件的频域反射或传输特性，这就称为时域网络分析仪。时域反射计的缺点是精确度不高。

电桥法

波导魔T 等微波电路具有电桥性质。由于很难得到可变的标准阻抗器，因而用这种电桥难以按照平衡电桥法进行阻抗比较。但它也像反射计一样，当在电桥的标准臂上接以匹配负载Z₀时，电桥的失衡信号将与未知臂阻抗的反射系数Γ成比例。此外，利用薄膜微电路技术制成尺寸极小的纯电阻比臂电桥，使这种不平衡电桥法得到广泛应用。这种电桥可从数十兆赫直到18吉赫的极宽频带内测量S和|Γ|，称为驻波比桥或反射计桥。由于这种桥路体积小、频带宽和等效方向性高，在扫频反射计中已出现用电桥取代双定向耦合器的趋势。电桥输出信号中本来也包含Γ 的相位信息，因此，把电桥输出信号与来自信号源的参考信号一齐加到幅相测量装置，也可测量复数Γ 和Z。

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