无源器件在大功率条件下S参数的变化量

  三、无源器件的大功率实时测量方法 无源器件的大功率性能可以通过其在大功率条件下S参数的变化量来表征，因此无源器件的大功率实时测量可以采用标量网络分析仪的原理。图2是一个标量网络分析仪的基本工作原理，它利用功率检波器来测量被测器件的反射参数和传输参数的幅度。  

图2  用于测量反射和传输参数幅度的标量网络分析仪的基本工作原理

假设被测器件（DUT）是无源器件，那么通过测量入射信号a1和反射信号b1，可以计算DUT的S11参数；而通过测量传输信号b2和入射信号a1，则可以计算出S21参数。如果要测量DUT的S22和S12参数，则需要把DUT反转方向，重复上述测试。

我们将图2的测试电路做一些变动，在输入耦合器前加一个功率放大器，就形成了无源器件的大功率实时测量系统（图3），这个系统可以测量无源器件在大功率作用下的S参数及其变化特性。

图3  无源器件大功率实时测量 系统由激励信号源，功率放大器，输入/输出耦合器，功率检波器，以及接收、放大、采样和处理电路，匹配负载等组成。通过输入耦合器采集到的输入信号a'1加上其正向耦合度CF1、再减去输入耦合器的插入损耗LC1和测试电缆的插入损耗L1后获得输入到DUT的信号a1，而通过输入耦合器采集到的输入反射信号b'1加上其反向耦合度CR1和测试电缆的损耗L1后获得DUT的反射信号b1；通过输出耦合器采集到DUT的输出信号b'2加上其耦合度CF2和测试电缆的损耗L2后获得DUT的输出传输信号b2。功率检波器用于检波采集到的3个射频信号，经过滤波、放大、数字采样等处理后由显示器或者电脑显示测试结果；后台软件可以自动记录功率读数，计算出DUT的VSWR和插入损耗。 四、无源器件大功率实时测量的精度

比较图3和图2可见，无源器件大功率实时测量系统采用了标量网络分析仪的工作原理，两者都是用于测量反射参数S11和传输参数S21，主要差别是测试功率不同。以下从工程应用的角度来讨论一下大功率实时测量系统的精度。

4.1 S11测量

标量网络分析仪在S11测量前要采用开路器和短路器进行频响归一化校准。在实际测试中（图2），如果DUT是单端口器件，直接接到耦合器1的输出端即可测出S11；而如果DUT是两端口或多端口器件，需要将耦合器2换成标准匹配负载。标量网络分析仪的S11测量精度取决于定向耦合器的方向性以及匹配负载的精度，如果在DUT和定向耦合器之间要接入射频电缆和转接器，也会影响测量精度。

大功率实时测量系统无法通过开路和短路器进行归一化校准，其S11测量精度受限于输入定向耦合器的方向性以及测试通路上大功率器件（包括测试电缆、转接器和负载等）自身的VSWR性能。

定向耦合器方向性的影响

在大功率实时测量系统中（图3），输入定向耦合器的方向性是决定S11测量精度的重要因素。这项测量的精度分析遵循10dB原则，也就是说，如果定向耦合器的方向性比DUT的S11好10dB时，其回损测量误差为+2.4/-3.3dB。

大功率定向耦合器要实现高方向性并不容易，笔者在大功率实时测量系统中采用了一些方向性超过30dB的1kW大功率同轴定向耦合器，图4显示了两种定向耦合器方向性的实测结果。

图4a） 40-1000MHz定向耦合器

图4b） 698-2700MHz定向耦合器 图4 两种大功率同轴定向耦合器的方向性实测值 分别用图4b)的定向耦合器组成的大功率实时测量系统和矢量网络分析仪测量一个通带频率为935-960MHz滤波器的驻波，其结果如图5所示。

图5  采用大功率实时测量系统和矢量网络分析仪测量同一个滤波器的驻波

图5中所示的两种测量结果较为接近，说明采用了高方向性定向耦合器的大功率实时测量系统的测量结果接近矢量网络分析仪，但如果作为这个滤波器的交付验收标准，无疑会以矢量网络分析仪的结果为准；大功率实时测量系统获得的结果可作为这个滤波器的大功率性能评估依据，也就是本文中所强调的无源器件在大功率条件下S参数的变化量。

测试通路中器件性能的影响

除了输入定向耦合器要有足够好的方向性以外，测试通路中射频器件自身的VSWR性能会影响DUT的S11测量精度。在测量时如果能将DUT直接接到图3中输入定向耦合器的输出端②，可以获得更好的精度；但实际测量中，更多情况是DUT通过电缆连接到系统，在图3所示的系统中，输入定向耦合器的输出端口②后面接了以下器件：

输入测试电缆L1

DUT

输出测试电缆L2

输出定向耦合器

连接输出定向耦合器和匹配负载的电缆L3

匹配负载

这时候系统测得的VSWR实际上是从②点向右看去的总VSWR，系统无法识别出DUT的S11，要获得足够的测量精度，除DUT以外所有器件的自身VSWR都要做的很好，另外还有一项需要考虑的因素是无源器件在多级级联后VSWR会有一定程度的恶化。这些因素都会影响到VSWR的测量精度。

        审核编辑：彭菁