陳建偉

（諸暨中學(xué) 浙江諸暨 311800）

微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，它不僅在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信方面有廣泛應(yīng)用，也成為發(fā)展尖端科學(xué)不可缺少的技術(shù)手段．在應(yīng)用微波進(jìn)行輔助檢測時，主要對微波的傳輸參量——衰減和相移進(jìn)行測量．

當(dāng)微波通過傳輸元件或某些物質(zhì)后，除了振幅發(fā)生變化外，同時還會發(fā)生相位的變化．而物質(zhì)的某些非電參量，如煤粉的揮發(fā)份，茶葉、棉花的含水量等，不但影響微波的幅度，也影響微波的相位．因此，為了用微波測量法測這種物質(zhì)的非電參量，就必須同時測出它們對微波的衰減和相移影響．衰減和相移的單獨(dú)測量法很多，也比較簡單．但是一般情況下，當(dāng)微波通過被測樣品時往往伴隨著衰減和相移同時發(fā)生，如果分步測量，總會因?yàn)楦鼡Q元件和重組裝置而使實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境發(fā)生變化，造成兩個測量值的不對應(yīng)．為了能全面反映被測樣品的實(shí)時信息，我們往往要求對衰減和相移進(jìn)行同時、獨(dú)立的測量，且又要求測量過程不影響被測值．經(jīng)過研究和反復(fù)驗(yàn)證，選擇用調(diào)制副載波和微波鑒相器相結(jié)合的方法是比較合適的．測量電路框圖如圖1所示．

圖1 測量電路框圖

首先把同一個微波信號源的輸出用功率分配器（3 dB的定向耦合器）分成兩個相互隔離的支路．上面較強(qiáng)的一路不加調(diào)制，稱為載波通道，連接一個可變移相器（用來改變載波通道微波的相位）；下面較弱的一路稱為副載波通道，其中安放一個幅度調(diào)制器，由一個穩(wěn)定的音頻信號源（1 k Hz）供給調(diào)制信號；將副載波加以調(diào)幅，然后通過被測樣品．再把上下兩路分別加入微波鑒相器的兩端進(jìn)行混頻檢波．（幅度調(diào)制是把微波信號采用頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，將它們線性轉(zhuǎn)換到低頻，然后進(jìn)行替代測量．這樣做的好處是低頻信號容易處理，測量的精度、分辨率高，而且轉(zhuǎn)換后的調(diào)制信號和載波信號在混頻器上檢波后恢復(fù)出來的頻率為調(diào)制頻率的低頻信號，其幅度與加到檢波器的副載波信號幅度成正比）

圖2 微波鑒相器

微波鑒相器如圖2所示，載波信號由魔T的H臂加入，同相等份的加到左右兩個正交混頻器的本振端，已被調(diào)制且通過樣品的副載波信號由另一個魔T的E臂加入被反相等份的加入到左右兩個混頻器的信號端．由兩個混頻器分別進(jìn)行混頻式線性檢波．（其中一路的精密移相器使加到兩個混頻器信號端的兩路被測信號具有90°的相位差）

載波EC是一個恒定的矢量，副載波ESC是經(jīng)過調(diào)制，并且通過被測樣品，采集到樣品信息，最后加入混頻檢波器的被測信號．根據(jù)文獻(xiàn)［2］的推導(dǎo)，混頻后得到的信號是含有調(diào)制頻率ωm的低頻信號m ESCcosωmt和直流成分（EC±ESC）．即

矢量圖如圖3所示．

則檢波輸出的最大低頻電壓em為

式中k為檢波系數(shù)，m為調(diào)制系數(shù)，ESC為通過副載波通道到達(dá)檢波器的信號．

圖3

由此可見，檢波輸出低頻信號幅度與ESC成正比．又因?yàn)镋SC隨被測樣品而異，所以em中已經(jīng)包含被測元件的微波傳輸參量信息，從而實(shí)現(xiàn)了在低頻上的替代測量．對于混頻器的檢波而言，檢波輸出只靠圖3中代表上下邊頻的兩個小旋轉(zhuǎn)矢量．載頻直流成分（EC±ESC）不但不必要，而且保留下來還有某些不利之處．故在調(diào)制副載波系統(tǒng)中采用平衡調(diào)制器．將副載波調(diào)制器輸出中的載頻成分盡可能抑制掉，稱為抑制副載波的雙邊帶調(diào)制法．將通過被測樣品的已抑制的調(diào)幅波信號與來自載波通道的本振信號混頻后恢復(fù)出調(diào)制低頻信號．抑制或壓低調(diào)制副載波信號中的載頻成分有一個重大好處，即可以更加有效地利用檢波器線性段，從而擴(kuò)大衰減測量的范圍，減小非線性誤差．

同理，因?yàn)榧佑谟疫吇祛l器d2的副載波信號與加于d1的副載波信號相位相差90°，所以d2輸出是幅度為mESCsinωφ的低頻信號

因此，兩個低頻信號Ud1，Ud2不僅含有被測信號的幅度信息

同時也含有被測信號的相位信息

即只要把兩個混頻器的檢波輸出經(jīng)過簡單計(jì)算就可以對被測信號的幅度和相位進(jìn)行同時、獨(dú)立的測量．

測量前要進(jìn)行最佳測量條件即最佳匹配狀態(tài)的調(diào)節(jié)，先調(diào)節(jié)低頻調(diào)制信號，使檢波輸出指示在適當(dāng)數(shù)值（主要是考慮儀表的顯示范圍）．之后反復(fù)調(diào)節(jié)被測件兩端的調(diào)配器，使輸出最大；再調(diào)節(jié)載波通道移相器，使鑒相器中不含精密移相器的輸出最大．然后調(diào)節(jié)鑒相器中的精密移相器，使該路輸出為零．這樣就保證了鑒相器中兩路被測信號相位差為90°．此后不再改動精密移相器，調(diào)節(jié)載波通道的移相器使兩路輸出都有一定數(shù)值．

下面驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可行性和穩(wěn)定性．

（1）用已知校準(zhǔn)器作為被測元件，定量改變系統(tǒng)的相移量，驗(yàn)證相移測量的可行性和穩(wěn)定性，測量數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 相移測量數(shù)據(jù)

續(xù)表

（2）用精密衰減器作為被測元件，逐步改變系統(tǒng)的幅度值，驗(yàn)證衰減測量的可行性和穩(wěn)定性．測量數(shù)據(jù)如表2所示．

表2 衰減測量的測量數(shù)據(jù)

由表可見，測量相對于已知被測值有一定的誤差，但誤差基本上在微波測量誤差允許范圍內(nèi)．同時也可以看到，相移測量值相對于已知值偏小，這是一種系統(tǒng)誤差，是由于精密移相器在相移作用過程中也有一定的衰減作用，并且是相移量越大，衰減量也越大．在實(shí)驗(yàn)過程中精密移相器的值在變小，所以衰減量也在變小，最后導(dǎo)致相移的測量值偏?。p測量值基本上相對于已知被測值偏大，分析認(rèn)為，這是一種系統(tǒng)誤差．當(dāng)幅度值減小時，原來被調(diào)整的匹配狀態(tài)被逐步破壞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不匹配，實(shí)際衰減量增加，即測量值比精密衰減器衰減量要大．并且隨著精密衰減器衰減量的增大，偏大量增大．這一點(diǎn)可以在計(jì)算中進(jìn)行修正．

可見在微波測量的誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)基本符合實(shí)際，說明實(shí)驗(yàn)基本可行．經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和重復(fù)性都較好，用來定性檢測或?qū)崟r控制已經(jīng)可以滿足要求．

綜上，這套采用調(diào)制副載波和微波鑒相器相結(jié)合的微波傳輸參量測量系統(tǒng)可以同時、獨(dú)立的進(jìn)行衰減和相移的測量．由于這套微波測量系統(tǒng)可以基本完成微波傳輸參量的全面測量，實(shí)際上它已構(gòu)成一個完整的微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀．

1 張仲禮，周輝，鐘海明．近代物理實(shí)驗(yàn)．長春：東北師范大學(xué)出版社，1992

2 湯世賢．微波測量．北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

3 羅秉鐸，劉重光．微波測濕實(shí)用技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社，1990

4 董樹義．微波測量技術(shù)．北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

5 朱明，等．微波電路．長沙：國防科技大學(xué)出版社，1994

6 鄧紹范．微波電子線路．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988