實(shí)用射頻測試和測量

前言

　　一直有念頭要寫一本關(guān)于射頻測試和測量方面的書，整理和總結(jié)多年來所積累的經(jīng)驗(yàn)和心得。最終促使筆者動(dòng)筆的主要原因乃是對射頻和微波技術(shù)的濃厚興趣。從射頻和微波技術(shù)的發(fā)展歷史看，在第二次世界大戰(zhàn)期間，出現(xiàn)了許多重大發(fā)明，如雷達(dá)技術(shù)和N型連接器，這些發(fā)明為人類在許多領(lǐng)域引入了現(xiàn)代科技的手段。如今雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于民航管制、地形測量、水利、氣象和航海等眾多領(lǐng)域，而N型連接器的發(fā)明則為射頻和微波的發(fā)展修建了一條“高速公路”。今天，N型連接器已成為18 GHz以下射頻和微波系統(tǒng)中最常用的連接紐帶。在近20年來，移動(dòng)通信的高速發(fā)展同樣為射頻和微波技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展創(chuàng)造了條件，如QN型連接器和無源互調(diào)測量技術(shù)。QN連接器的出現(xiàn)減少了通信基站的安裝時(shí)間和空間，而無源互調(diào)測量技術(shù)則為解決通信系統(tǒng)中的干擾問題提供了依據(jù)?！　∩鲜霭咐嬖V我們，市場需求是推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。筆者從事射頻和微波工作已有20多年，而對市場需求和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系，則是在創(chuàng)辦公司后才有了一些理解和體會(huì)。尤其是近五六年來，接觸到了很多前沿的射頻測量技術(shù)和需求，也就是在這些需求的推動(dòng)下，筆者才有條件進(jìn)行了大量的射頻測試和測量的實(shí)驗(yàn)工作，并得到了市場的一定認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，筆者對各類射頻測試和測量器件、測量系統(tǒng)和測量方法有了新的認(rèn)識，而這些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)在教科書上是無法獲取的。　　要完成一次準(zhǔn)確的射頻測試和測量工作，經(jīng)驗(yàn)十分重要。比如說，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的測試工程師在挑選測試電纜時(shí)，會(huì)抖動(dòng)電纜并觀察其插入損耗的變化；而在使用這條電纜進(jìn)行測試時(shí)，則會(huì)盡量保持測試系統(tǒng)的靜止?fàn)顟B(tài)以保證測試結(jié)果的可信度。為了減少測試系統(tǒng)的失配損耗，可以在測試系統(tǒng)中采用高精度的衰減器。在無源互調(diào)測量中，即使沒有力矩扳手，有經(jīng)驗(yàn)的測試者也能依靠手感來掌握連接器的配接力度，從而得到準(zhǔn)確的測試結(jié)果。這些例子說明，射頻測試工程師必須了解各類器件的特性，并且要從系統(tǒng)角度來看待射頻測試和測量，更為重要的是實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。本書就試圖從這些角度來討論射頻測試和測量問題。　　本書可分上、下兩篇。上篇（第1～6章）為器件篇，介紹測試和測量應(yīng)用的射頻和微波器件，包括測試電纜和連接器、負(fù)載和衰減器、定向耦合器、功率分配/合成器、濾波器和雙工器、環(huán)流器和隔離器、低噪聲放大器和功率放大器等；下篇（第7～12章）為應(yīng)用篇，討論各種射頻測試和測量方法，包括通過式功率測量技術(shù)、射頻大功率測量、天線和饋線測量、無源互調(diào)測量、發(fā)射機(jī)的輸出頻譜和傳導(dǎo)雜散測量等。　　需要說明的是，本書冠以“實(shí)用”二字，就決定了本書具有以下特點(diǎn)：（1）沒有填補(bǔ)哪項(xiàng)“空白”，還是那些老話題，如匹配、功率、連接器等，只是換了一個(gè)角度，即從工程應(yīng)用角度來討論問題?！　。?）從測試和測量角度來討論各種射頻和微波器件及系統(tǒng)。比如，同樣是一條射頻電纜組件，作為設(shè)備互聯(lián)應(yīng)用時(shí)，插入損耗、VSWR、抗腐蝕性和成本是要優(yōu)先考慮的；但作為測試電纜，要考慮連接器的插拔壽命和柔軟性等，而插入損耗并不非常重要，因?yàn)樗梢员恍?zhǔn)掉。本書側(cè)重于后者的討論。　?。?）沒有理論推導(dǎo)，更多的是拿來就可以用的結(jié)論。理論研究是高校要做的事（雖然近年來很多高校取消了微波專業(yè)，筆者所聽到的其中一個(gè)理由是微波專業(yè)的適應(yīng)面很窄，這讓人有些不解）；工程上，只關(guān)心結(jié)論?！　。?）下篇（系統(tǒng)篇）中的很多內(nèi)容，在以往的射頻和微波書籍中是較為少見的，至少筆者還沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性討論射頻和微波測量系統(tǒng)和方法的專著，下篇中的大部分內(nèi)容都是筆者在近5年來的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在本書編寫過程中，崔萍、孫祥華、朱虹宇、王晶、張金興、黃麗平、李小江、吳楚江、張風(fēng)英和張強(qiáng)等參加了部分內(nèi)容的編寫和書稿整理工作。本書適合正在從事射頻測試和測量的工程師們閱讀，也可作為高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的參考書。由于水平有限，書中一定存在錯(cuò)誤和疏漏，敬請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《實(shí)用射頻測試和測量》基于作者多年來從事射頻測試和測量的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從工程應(yīng)用的角度，深入探討了各種射頻器件和射頻系統(tǒng)的測試和測量問題，并列舉了一些典型的測試案例?！秾?shí)用射頻測試和測量》分為12章，其中第1～6章（器件篇）介紹了應(yīng)用于射頻測試和測量的各種無源和有源器件的測試和測量，包括電纜、連接器、衰減器、負(fù)載、功率分配／合成器、定向耦合器、濾波器、環(huán)流器、隔離器、低噪聲放大器和功率放大器；第7～12章（系統(tǒng)篇）介紹了射頻功率、大信號S參數(shù)、天饋系統(tǒng)、互調(diào)、雜散以及功率放大器的測量。　　《實(shí)用射頻測試和測量》適合從事射頻測試和測量的工程師們閱讀，也可作為高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的參考書。

書籍目錄

緒論第1章 射頻同軸電纜和連接器1.1 射頻同軸電纜1.1.1 性能和指標(biāo)1.1.2 同軸電纜的分類和選擇1.1.3 同軸電纜的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)1.1.4 小結(jié)——測試電纜組件的選擇1.2 射頻同軸連接器1.2.1 射頻同軸連接器的基本結(jié)構(gòu)1.2.2 射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)參數(shù)1.2.3 射頻同軸連接器的主要指標(biāo)1.2.4 射頻連接器介紹1.2.5 射頻連接器的無源互調(diào)特性1.2.6 射頻連接器的壽命參考文獻(xiàn)第2章 衰減器和負(fù)載及其在射頻測試和測量中的應(yīng)用2.1 衰減器2.1.1 射頻衰減器的主要指標(biāo)和定義2.1.2 衰減器的分類2.1.3 進(jìn)一步討論射頻衰減器的功率系數(shù)2.1.4 衰減器的應(yīng)用2.2 負(fù)載2.2.1 負(fù)載的主要指標(biāo)和定義2.2.2 負(fù)載的分類2.2.3 負(fù)載的應(yīng)用參考文獻(xiàn)第3章 Wilkinson功率分配／合成器和定向耦合器3.1 Wilkinson功率分配／合成器3.1.1 概述3.1.2 基本指標(biāo)和定義3.1.3 隔離度和插入損耗的失配效應(yīng)3.1.4 功率容量的限制3.1.5 Wilkinson功率分配／合成器的應(yīng)用3.2 定向耦合器3.2.1 概述3.2.2 基本指標(biāo)和定義3.2.3 定向耦合器應(yīng)用3.2.4 進(jìn)一步討論定向耦合器的方向性第4章 濾波器4.1 概述4.2 濾波器的指標(biāo)4.3 雙工器和多工器4.4 可調(diào)濾波器4.5 濾波器在測試和測量應(yīng)用中的基本方法4.5.1 反射式測量法4.5.2 吸收式測量法第5章 環(huán)流器和隔離器5.1 概述5.2 環(huán)流器及隔離器的基本指標(biāo)及定義5.3 環(huán)流器和隔離器的非線性特性5.4 環(huán)流器和隔離器的應(yīng)用第6章 低噪聲放大器和功率放大器及其應(yīng)用6.1 低噪聲放大器6.1.1 低噪聲放大器的基本指標(biāo)6.1.2 低噪聲放大器在射頻測試和測量中的應(yīng)用6.2 功率放大器6.2.1 功率放大器的基本指標(biāo)6.2.2 多載頻環(huán)境下的功率放大器6.2.3 固態(tài)功率放大器的故障弱化6.2.4 功率放大器在射頻測試和測量中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)第7章 射頻功率測量7.1 概述7.2 射頻功率的定義7.3 功率電平的計(jì)量單位——dB（分貝）7.4 射頻功率的測量方法7.4.1 頻譜分析儀法7.4.2 終端式測量法7.4.3 量熱式測量法7.4.4 通過式測量法7.5 通過式功率測量技術(shù)7.5.1 THRULINE——通過式功率測量技術(shù)的先驅(qū)7.5.2 通過式功率測量原理7.5.3 通過式功率測量法的特點(diǎn)7.6 數(shù)字調(diào)制信號——通過式功率計(jì)如何應(yīng)對?7.6.1 無源二極管檢波器的局限7.6.2 數(shù)字調(diào)制信號功率的定義7.7 通過式功率測量技術(shù)的應(yīng)用7.7.1 測量發(fā)射機(jī)的輸出功率以及與天線的匹配7.7.2 測量功率放大器的輸出功率和設(shè)定VSWR保護(hù)門限7.7.3 測量無源器件的插入損耗7.8 射頻大功率測量——終端式還是通過式?7.9 誤差分析7.10 深入討論定向耦合器的方向性誤差7.10.1 定向耦合器的方向性及其測量7.10.2 方向性誤差7.10.3 功率和電壓7.10.4 電壓駐波比和回波損耗7.10.5 方向性誤差的計(jì)算7.10.6 關(guān)于方向性誤差的總結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 大信號S參數(shù)測量8.1 概述8.2 為什么要測量射頻器件的大信號S參數(shù)?8.2.1 無源器件的“功率系數(shù)”——S21的變化8.2.2 功率放大器的“Hot S22”指標(biāo)8.3 大信號S參數(shù)的測量方法8.3.1 大信號S參數(shù)測量——網(wǎng)絡(luò)分析儀能做點(diǎn)什么?8.3.2 定向耦合器法可以測量S22嗎?8.3.3 通過式功率計(jì)可以測量放大器的S22嗎?8.3.4 放大器大信號S22的正確測量方法8.4 功率放大器的大信號S參數(shù)測量8.5 無源器件的大信號S參數(shù)測量8.6 結(jié)束語第9章 天饋系統(tǒng)的測量9.1 概述9.2 天饋系統(tǒng)的描述9.3 天饋系統(tǒng)的輸入匹配測量9.3.1 用網(wǎng)絡(luò)分析儀法測量輸入匹配9.3.2 用通過式法測量輸入匹配9.4 天饋系統(tǒng)的故障定位測量9.5 天饋系統(tǒng)的反射互調(diào)測量9.6 天線的隔離測量第10章 無源互調(diào)測量10.1 概述10.2 無源互調(diào)的定義和表達(dá)方式10.3 無源互調(diào)的類型10.4 無源互調(diào)的產(chǎn)生原因和條件10.5 無源互調(diào)的危害及測量的意義10.6 無源互調(diào)的測量方法（IEC建議）10.6.1 正向（傳輸）互調(diào)的測量10.6.2 反射互調(diào)的測量10.7 新的無源互調(diào)問題10.7.1 反向互調(diào)及其測量10.7.2 跨頻段互調(diào)測量10.7.3 諧波測量10.7.4 其他需要關(guān)注的無源互調(diào)測量問題10.8 你需要什么樣的無源互調(diào)測量系統(tǒng)?10.9 保證無源互調(diào)的測量精度10.10 無源互調(diào)測量系統(tǒng)介紹10.11 結(jié)束語第11章 發(fā)射系統(tǒng)的雜散測試第12章 功率放大器的測量

章節(jié)摘錄

　　在射頻和微波測量中，衰減器可能是除了電纜以外應(yīng)用最廣泛的器件了。在前面，我們已經(jīng)提到了固定衰減器的一些應(yīng)用。為了精確控制信號幅度的大小，可調(diào)衰減器是一種比較理想的選擇?？烧{(diào)衰減器分為手動(dòng)步進(jìn)衰減器和可編程衰減器兩種。手動(dòng)步進(jìn)衰減器的步進(jìn)量是0.1，0.5，1和10 dB，功率容量通?？梢宰龅?W，衰減量范圍可做到0～110 dB，可以滿足大動(dòng)態(tài)范圍的測量。而可編程衰減器的功率比較小，采用PIN二極管轉(zhuǎn)換型的可編程衰減器的線性也不如手動(dòng)步進(jìn)衰減器。需要特別說明的是，可調(diào)衰減器的功率容量通常都比較小，這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換衰減量程時(shí)，衰減器處于失配狀態(tài)，發(fā)射機(jī)的保護(hù)電路往往會(huì)由此而觸發(fā)。當(dāng)然大功率的可調(diào)衰減器也并非不能實(shí)現(xiàn)，可以采用一些高速開關(guān)和負(fù)載及固定衰減器來組合實(shí)現(xiàn)，但是這種大功率衰減器的造價(jià)相當(dāng)高，這成為了推廣應(yīng)用的瓶頸。通常推薦采用固定和可調(diào)衰減器配合使用的方法，而在自動(dòng)化測量系統(tǒng)中，則需要采用可編程衰減器?！　∨c衰減器相反，在某些微弱信號的檢測場合下，需要用低噪聲放大器來提高被測信號的電平。在放大器的應(yīng)用中需要特別注意以下3個(gè)問題：VSWR、互調(diào)產(chǎn)物和雜散?！　〉驮肼暦糯笃髯畲蟮膯栴}是VSWR指標(biāo)不佳，為了補(bǔ)償這方面的不足，可以在放大器的輸出端接一個(gè)小衰減量的衰減器。注意盡量不要將衰減器接在放大器的輸入端，那樣會(huì)使其噪聲系數(shù)惡化?！　∫x擇三階截獲點(diǎn)（OIP3）指標(biāo)高的放大器作為測量放大器，同時(shí)要注意最大工作電平在1 dB壓縮點(diǎn)以下，這樣有利于降低放大器的諧波和雜散。正確理解和使用測試濾波器　　在測試和測量中，濾波器的基本作用是保留需要的信號，濾除不需要的信號?！　陌l(fā)射端來看，濾波器可以保證輸出信號的頻譜純度，如濾除信號源或放大器的輸出諧波和雜散；而從接收端來看，濾波器可以濾除不需要的信號，從而提高測試設(shè)備（如頻譜分析儀）的動(dòng)態(tài)范圍，保證其工作在最佳的輸入電平下。根據(jù)不同的測試要求，可以采用低通、高通、帶通或帶阻濾波器來完成。

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