单通道和双通道微波衰减测量系统中的射频泄漏分析, 宇航计测技术， 2008 【Investigation of RF leakage in microwave attenuation measurement】

作者简介：吴勇（1971 -）， 男， 主要研究领域：微波衰减计量， 微波散射参数计量。 单通道和双通道微波衰减测量系统中的 射频泄漏分析 吴勇 蔡斯伟 （ （（ （新加坡科技研究局国家计量中心，新加坡， 118221） ）） ） 摘要：射频泄漏是微波大衰减测量中较大的不确定性因素。本文研究了单通道和双通道微波衰减测量系统中的射 频泄漏所导致的测量误差。我们使用了电磁屏蔽箱和以铝片包裹连接头的方法降低外部辐射泄漏。在双通道衰减测量系 统中使用隔离器以减小内部泄漏。利用高灵敏度锁相放大器测量了射频泄漏信号。通过在 60 MHz 和 5 GHz 所得的实 测数据比较了单通道和双通道衰减测量系统的射频泄漏误差。实验结果表明射频泄漏得到了有效的抑制。 关键词：衰减测量，微波测量，射频泄漏， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，锁相放大器，隔离器, 电磁屏蔽 Investigation of RF Leakage in Single Channel and Dual Channel Microwave Attenuation Measurement Systems Thomas Y. Wu and S. W. Chua (National Metrology Centre, A*STAR, Singapore 118221) Abstract RF leakage is the dominating uncertainty component in the measurement of microwave high attenuation．The attenuation measurement error due to RF leakage in a single channel and a dual channel microwave attenuation measurement system is investigated. The external leakage is reduced by using RF shield boxes and wrapping connectors with aluminum foils. The internal leakage error in a dual channel measurement system is reduced by using isolators in the circuit. RF leakage signal is measured using a sensitive lock-in amplifier. Microwave attenuation measurement examples at 60 MHz and 5 GHz are given to compare the RF leakage error in the single channel and dual channel measurement systems. The experiment results show that RF leakage can be reduced effectively. Key words Attenuation measurement, microwave measurement, RF leakage, standard, lock-in amplifier, isolators, electromagnetic shielding 1 引 言 微波衰减测量标准通常采用一种基于感应分 压器(IVD)的音频替代系统来实现[1 - 9] 。在此类系 统中微波信号被混频成音频信号 (1 kHz ~ 50 kHz) , 然后根据音频信号的电压比值计算出微波衰减值。 IVD 能够提供非常精确的低频电压比值, 可以作为 微波衰减测量系统的溯源低频电压比值标准。文献 [1]介绍了一种并联式音频替代系统。该系统采用 一种噪声平衡技术来有效地消除大衰减量测量时 的噪声。文献 [2] 提出了一种串联式音频替代系 统, 并利用一个参考通道和零检测的方法来精确地 测量微波衰减。我们最近研制了一套双通道串联 式音频替代系统 , 利用参考通道大大提高了音频 信号的测量灵敏度 [3] 。我们也对单通道和双通道 衰减测量系统做了比较, 指出在 4 GHz 以上频率 双通道系统显著地提高了接收机的灵敏度以及衰 减测量的精度 [4] 。在微波大衰减测量时, 微波泄漏 是一个主要的误差源。本文分析了单通道和双通 道微波衰减测量系统中的射频泄漏, 讨论了如何有 效地降低射频泄漏, 并根据实测数据估计了射频泄 漏对微波衰减测量不确定度的影响。 2 单通道微波衰减测量系统 图 1 给出了一种单通道微波衰减测量系统 [4] 。该系统采用混频器将微波信号混频到 5.02 kHz 。其中额外的 20 Hz 偏移是为了减少来自电 源系统 (50 Hz) 的谐波干扰。音频信号通过低通滤 波器、前置放大器、IVD, 进入锁相放大器 (LIA)。 信号发生器产生一个频率为 5.02 kHz 的正弦信号 作为 LIA的外部参考频率信号。LIA以此频率为参 考来检测微弱的音频信号。 在待测器件(DUT)接入系统之前, IVD 的比值 为 D1 , LIA 测得音频信号电压为 V1。DUT 接入系 统之后, 调整 IVD比值为 D2 使得 LIA 测得电压为 V2 = V1。微波衰减值可从下式计算得出 A = 20 log ( D2 /D1 ) (dB) (1) 在阻抗调配器前后使用了 2 个隔离器(每个反 向隔离近 40 dB) 以降低来自微波信号源和混频器 的反射信号。阻抗调配器或匹配盘用来减少测试端 口的失配误差 [10] 。 微波衰减测量的不确定度包括混频器和放大器 的非线性误差、接收机噪声、射频泄漏、接收机信 号的波动、IVD 误差、失配误差、以及测量 30dB 以上衰减时所使用的替代衰减器 (Gauge Block Attenuator) 的校准不确定度 [3]。 图1 单通道微波衰减测量系统构成示意图 图2 双通道微波衰减测量系统构成示意图 3 双通道微波衰减测量系统 图 2 给出了一种双通道微波衰减测量系统 [3] 。微波信号源的信号经过方向耦合器分别进入 主信号通道和参考通道。主通道信号经过主通道 混频器进入接收机 LIA, 而参考通道信号经过参考 混频器变频至 5.02 kHz, 并经过低通滤波器、前置 放大器和带通滤波器(带宽 50 Hz) 进入 LIA的外部 参考频率输入端。本振信号也经过方向耦合器分 别进入主通道和参考通道的混频器本振输入端。 由于两个混频器的射频和本振输入信号均来 自同一个微波信号源, 参考通道的参考音频信号 频率可以与主通道音频信号频率保持严格的同 步。这有效地减少了单通道系统中微波信号源相 位噪声造成的音频信号频率抖动及其产生的接收 机检测噪声。单通道系统的 LIA 的外部参考频率 与音频信号频率不同步问题也得到了解决。由于 参考通道提供了同步精确的频率信息, 双通道测量 系统的接收机的信号检测值更加稳定, 从而大大降 低了在高频测量衰减的不确定度 [4] 。 4 微波衰减测量中的射频泄漏问题 射频泄漏是微波大衰减量测量时的一个主要的 误差源。接收机检测的信号 Y是经过 DUT到达接 收机的主信号 YA和经过泄漏路径到达接收机的泄 漏信号 YL矢量叠加而成: 2/122 10 )cos2(log20 ϕLALA YYYYY ++= (2) 其中 YA 和 YL 的相位差为 φ 。该相位差很 难测量, 而且有随机的变化。为了把泄漏引起的衰 减测量误差控制在 0.001 dB 以内, 泄漏信号幅度应 该比主信号幅度低至少 80 dB [11] 。 4.1 内部泄漏 在双通道系统里存在一个内部射频泄漏路径: 射频信号可以通过参考混频器 RF端口到 LO端口, 经过隔离器和方向耦合器进入主混频的 RF 端口 (LO到 RF端口) 。为了减小泄漏信号, 我们在两个 混频器的 LO 端口之间使用了隔离器和方向耦合 器, 在参考混频器的 RF输入前加入了 50 dB衰减 器。方向耦合器可以在两个通道之间提供 40 dB 的隔离。混频器的 RF 和 LO 端口之间隔离为 30 dB。如果使用 4个隔离器 (每个反向隔离近 20dB), 内部泄漏路径上的信号衰减值可以达到 230 dB。 4.2 外部泄漏 外部泄漏是指微波信号从射频连接头、阻抗 调配器和隔离器辐射出去, 经过空气传播, 又进入 主混频器, 从而对微波衰减测量造成误差。为了减 少这部分误差, 我们把 DUT 两端的阻抗调配器和 与之连接的隔离器分别放入两个射频屏蔽箱内, 一 个在信号源端, 另一个在接收机端。该屏蔽箱在 6 GHz 可以提供 80 dB 的有效屏蔽。所以对外部泄 漏可以产生 160 dB的衰减。为减少内部泄漏而加 入的多个隔离器也放置在铝制机箱内以减小本振 信号对外的辐射泄漏。同轴电缆的接头处采用铝 箔包裹以减少辐射泄漏。外部泄漏会随着微波频 率的增加而加大。 5555 射频射频射频射频泄漏泄漏泄漏泄漏信号的信号的信号的信号的测量测量测量测量 射频泄漏信号幅度非常微弱。如果使用天线 和常规的接收机, 由于灵敏度不够, 很难对其进行 测量。我们使用了高灵敏度的 LIA 接收机对泄漏 信号进行了测量。测量时在测试端口连接精密负 载, 这时主信号消失, 只有泄漏信号进入接收机。 我们的双通道接收机可以检测到有效值为 0.1 µV 的微弱正弦信号。根据测量到的泄漏信号幅度, 可 以估计它所引起的衰减测量不确定度。 图 3 显示了双通道系统的接收机在 5 GHz测 量 100 dB 衰减器时的音频信号幅值和相位在 60 秒内随时间的变化曲线。图 4 和图 5 分别显示了 单通道和双通道系统在 5 GHz 测量的射频泄漏信 号幅值与相位在 60 秒内随时间的变化曲线。射频 泄漏信号的幅度已经接近接收机的噪声水平。根 据 60秒内所测得数据平均值推算, 在 5 GHz测量 一个 100 dB 衰减器时, 泄漏信号的平均幅度比主 信号平均幅度低大约 64 dB。根据式(2), 我们得出 测量 100 dB衰减时射频泄漏所引起的测量标准不 确定度为 0.003 dB (k=1)。 0 10 20 30 40 50 60 636.6 636.8 637.0 637.2 637.4 637.6 637.8 638.0 time (sec) M a gn itu de (uV ) 0 10 20 30 40 50 60 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 time (sec) Ph a se (de g) 图 3 双通道系统的接收机在 5 GHz 测量 100 dB 衰减器时 的音频信号幅值和相位随时间的变化。信号的采样率为每 秒一次。 0 10 20 30 40 50 60 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 time (sec) M ag ni tu de (uV ) 0 10 20 30 40 50 60 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 time (sec) Ph a se (de g) 图 4 双通道系统在 5 GHz 测量的射频泄漏信号幅值与相 位在 60 秒内随时间的变化。信号的采样率为每秒一次。 0 10 20 30 40 50 60 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 time (sec) M a gn itu de (u V) 0 10 20 30 40 50 60 -150 -100 -50 0 50 100 150 time (sec) Ph a se (de g) 图 5 单通道系统在 5 GHz 测量的射频泄漏信号幅值与 相位在 60 秒内随时间的变化。信号的采样率为每秒一次。 6 6 6 6 单通道与双通道系统单通道与双通道系统单通道与双通道系统单通道与双通道系统中中中中射频泄漏射频泄漏射频泄漏射频泄漏 的的的的比较比较比较比较 单通道测量系统没有内部泄漏, 而且在微波信 号频率低于 8 GHz 时接收机相当稳定。在频率低 于 8 GHz时外部泄漏信号很弱, 接近接收机的噪声 水平。因此单通道系统的射频泄漏要低于或接近 双通道系统。我们可以用单通道系统所给出的微 波衰减测量值来作为参考, 以分析双通道系统的内 部泄漏是否超过了系统本身的外部泄漏。 为了比较单通道和双通道衰减测量系统中的 射频泄漏, 我们使用两个系统分别测量一个可变衰 减器的 70 dB ~ 100 dB, 测量频率为 60 MHz和 5 GHz。在 60 MHz, 双通道系统的两个混频器之间 的反向隔离为近 80 dB, 而在 5 GHz, 这一反向隔离 值为近 160 dB。 表 1 比较了单通道和双通道系统在 60 MHz 的测量结果。在 100 dB 量程, 二者的测量结果相 差 0.023 dB。单通道系统测量 100 dB衰减时的扩 展不确定度为 0.009 dB, 因此可以看出在 60 MHz 双通道系统存在较大的内部泄漏误差, 而且这一误 差在 70 dB量程最小 (0 dB), 随着衰减量的增加而 加大。这个较大的内部泄漏说明双通道系统中两 个混频器之间的反向隔离值(只有近 80 dB)还不足 以把内部泄漏降低到外部泄漏的水平。如果把反 向隔离值增加为近 160 dB, 内部泄漏就会减少到外 部泄漏的水平, 从而使得双通道系统的测量结果非 常接近单通道系统。 表 2 比较了单通道和双通道系统在 5 GHz的测 量结果。在 100 dB 量程, 二者的测量结果仅相差 0.003 dB。这说明双通道系统在 5 GHz 由于采用 了近 160 dB的反向隔离使得内部泄漏降低到外部 泄漏的水平。这使得总的射频泄漏信号降低到噪 声水平 (如图 4 和图 5 所示)。这保证了单通道和 双通道系统测量结果的一致性。 表 1 比较单通道和双通道系统在 60 MHz 测量 70 dB ~100 dB衰减器的结果（双通道系统反向隔离为 80 dB） Mean (dB) Repeatability(dB) Mean (dB) Repeatability(dB) 70 70.202 0.0003 70.202 0.0003 80 80.278 0.0007 80.280 0.0006 90 90.294 0.0009 90.300 0.0006 100 100.377 0.0016 100.400 0.0007 Dual Channel Single Channel Nominal attenuation (dB) 表 2 比较单通道和双通道系统在 5 GHz 测量 70 dB ~100 dB衰减器的结果（双通道系统反向隔离为 160 dB） Mean (dB) Repeatability(dB) Mean (dB) Repeatability(dB) 70 70.124 0.0004 70.123 0.0006 80 80.450 0.0009 80.446 0.0009 90 90.437 0.0004 90.434 0.0015 100 100.416 0.0007 100.413 0.0008 Nominal attenuation (dB) Dual Channel Single Channel 7 结束语 我们详细分析了单通道和双通道微波衰减测量 系统中的射频泄漏问题。讨论了如何有效地减小 内部泄漏和外部辐射泄漏。射频泄漏是微波大衰 减量程测量的主要误差源, 因此有效地减小泄漏误 差可以显著地提高衰减测量的精度。我们使用高 灵敏度的接收机对射频泄漏信号进行了测量, 并依 此估计了泄漏误差引起的衰减测量不确定度。我 们还比较了单通道和双通道系统的实测数据, 并利 用单通道系统没有内部泄漏的特点来验证和估计 了双通道系统的内部泄漏误差。 参考文献 [1] F. 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