【word】 多端口技术在插入相位延迟测试中的应用

【word】 多端口技术在插入相位延迟测试中的应用 多端口技术在插入相位延迟测试中的应用 2008年第22卷第5期 (总第71期)JOURNALOF 测试技术 TESTANDMEASUREMENTTECHN0LoGY VO1.22NO.520O8 (SumNO.71) 文章编号:1671—7449(2008)05—0387—05 多端口技术在插入相位延迟测试中的应用 郭利强,焦永昌,唐家明 (1.西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071 2.中电科技41所电子测试技术国家重点实验室,山东青岛266555) 摘要:基于多端口电路模型,推导出了被测双端口网络散射参数与检测端口测量值的映射关系,提出了 相位传输特性测量的电路优化.给出了传输特性测量和误差估算方法,并结合多状态技术成功应 用于微波雷达天线罩插入相位延迟(IPD).研制开发的测试装置在实际应用中重开机无需校准即可达到 测量精度要求,相位测量稳定度可长时间维持在?0.05.之内. 关键词:多状态;多端口;传输特性;雷达罩;差人相位延迟 中图分类号:TM931文献标识码:A TheApplicationof Phase Multi-PortTechniquetoInsertion DelayMeasurement GUOLiqiang,,JIAOYongchang,TANGJiaming (1.NationalIaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology,XidianUniversity,Xi’an710071,China; 2.NationalLaboratoryofElectronicMeasurementTechnology,CECT41,Qingdao266555,China) Abstract:Basedontypicalmulti—portcircuit,thefunctionalrelationshipbetweenthetestdataofde— tectingportandtheS—parametersofmeasuredtWO—portmicrowavenetw orkwasdeduced,andasugges— tionofoptimizingthecircuitformeasuringphasetransmissioncharacteristicswasofferedaccordingly. Thetransmission—characteristicmeasuringtechniquewasgivenwitherrorestimatingmetho. d,andwas successfullyappliedtothedesignofmicrowaveradomeinsertionphasedelay(IPD)detectingdevice, combiningwiththemulti—statetechnology.Thedevicecanmeettheneeded precisionwithoutcalibration inapplication,evenbeingrestarted.Thephasemeasuringstabilitycanberetai nedwithin?0.05degree foralongperiod. Keywords:multi—state;multi—port;transmissioncharacteristics;radome ;insertionphasedelay(IPD) 雷达天线罩是保护雷达天线工作于各种恶劣环境的部件,如果说雷达是人类探测未知世界的”眼 睛”,雷达天线罩就是必不可少的”眼镜”.天线罩的存在,改变了雷达的电磁波传播途径特性,必然会对 雷达的性能产生影响.在当前的制造工艺条件下,天线罩的电磁波功率透过效率可以做得非常高,但电 厚度却很难接近真空,特别是在微波频段下,微小的电厚度差异就会造成难以容忍的传播相位差,严重 影响雷达的性能.雷达天线罩插入相位延迟(IPD)是雷达天线罩相对于真空电波传播的相位延迟的差值, 理论上可以利用矢量网络分析仪的传输特性测量功能进行测量.受限于天线罩制造工艺和周期,在加 工过程中要对IPD进行长时间的在线比对测量,对测量稳定度和相位分辨率具有极高的要求,越高的测 量稳定度和相位分辨率意味着越高的加工制造精度l_1]. *收稿日期:2007—12-05 作者简介:郭利强(1967),男,高级工程师,博士生,主要从事微波电子测试技术与仪器研究 388测试技术2008年第5期 目前通用的微波矢量网络分析仪难以实现工程应用需要的长期稳定测量,实验明仅能达到若干度 的稳定度量级.天线罩的精密测量装置往往具有特定的应用背景,如西德德律风根公司为生产”狂风”飞 机雷达罩研制的配套设备,国外文献很少透露最先进的核心原理和工艺技术说明.国内航空工业系统 在研制雷达罩生产设备的同时也进行了检测设备研制口],核心原理是在雷达罩探测激励信号的基础上, 利用单边带调制形成相干差频信号作为本振,将探测透射信号保相变频到适宜的中频频率,进而实现 IPD信息的提取_3].作者在此原理基础上采用锁相微波信号源进一步解决了相干信号源的调谐问和测 量装置的工艺可靠性问题,实现了工程应用,稳定度达到了零点几度]. 以6端口为代表的多端口测量技术,为实现反射系数的精确稳定测量,计算微波电路功率传输效率, 功率计校准和标准传递作出了很大贡献.多状态多端口技术利用状态参量替代端口数量提供求解约束条 件,进一步解决了多端口测试电路的优化问题,并适应现代电子校准技术的发展,极大地方便了实际测 量使用. 多端口反射计能够精确稳定地测量反射系数的本质在于检测端口与测量端口存在着稳定的映射关 系,且变换系数只取决于多端口的内部结构.这种映射关系就是分式线性变换,变换系数可以通过适当 的校准方法测量求解.多端口除了微波参数计量,还可以用于微波材料电磁参数测量等深层次的应用, 取得了很好的效果. 多状态多端口电路这种固有的映射特性并不局限于反射系数,对于网络传输特性也存在着类似的变 换关系.充分理解和利用其内在规律,通过适当的电路设计,可以实现被测微波网络的传输特性测量, 对于解决天线罩插入相位延迟(IPD)测量等要求苛刻的工程应用具有重要的现实意义.本文将对此展开 研究讨论,并给出实用电路设计原理. 1多状态多端口测试电路的典型形式 多状态多端口传输特性测试典型电路原理如图I所示,端口i是测试信号输入端口,r是源反射系 数,6是对应于信号源资用功率的归一化输出行波;端口2和3是检测端口,r和r.是检测电路反射系 数;端口4和5是测试端口,用于连接被测传输网络.5端口和被测电 路的固有特性分别用散射参数表 示为S和T 该5端口电路存在边界条件 b+blr1, 62r2, 6.厂3,(1) 6444+6j7 65T55+64 同时,5端口本身具有散射参数矩阵方程 ]一ES][], 由式(1),(2)求解b,b.,并取其比值得到 M===b3/b一?./?, lS2lS233S2jlIS21S233 式中:?2===一丁54I53lS33r3一iS35l一丁4jlS31S333一 Il5.r3s5I515j.r. S23r3 S33r3一l S3r3 S21 S31 S41 51 图I多端口传输特性测试原理图 Fig.1Schemeofmuhi—portformeasuring transmissioncharacter S23r3S24l S33r3—134l一 43r3S4d} S25 35 45 55 + (2) (3) ?l 73—33 一r—r厂 21:S 5 ,, 丁 丁 一 7 /L + 5 2355 一 5 7 (总第71期)多端口技术在插入相位延迟测试中的应用(郭利强 等)389 S2lS23r3l S3lSa3r3—1l’ 32 r. S22/12,1 S522 3132r2 S21S22r2—1 S41S42r2 S51S52r2 S34S35 S24S25 S44S45 S54S55 + S34l Sl— S44l (4) z 1.(5)l 521S22r2—1l 显然,检测结果与激励源的特性(,r)无关,行列式内的数据由5端El的固有特性(包括连接状 态不变的检测端口反射系数)决定,在测量过程中可以不受外界电路特性影响,这对于提高测试系统稳 定性非常有益. 式(3),(5)表明,测量值M不仅受到被测网络传输特性(丁T)的影响,而且还受到被测网络 端口反射特性(了,T)以及高阶因子(丁7一丁T)影响.仅利用这个基本的映射关系精确求解被测 网络传输特性是困难的.但是,在一定的应用背景下,通过适当的电路 优化,可以极大地简化映射关系, 在一定的不确定度范围内,方便地求解被测传输特性. 2测量传输特性的电路优化 图2是作者设计的一种多状态5端口测试电路结构,利用单向隔离器有意识地控制信号流向,迫使 5端口的特定散射参数分量趋于零,从而简化映射关系(3)一(5). 与一般矢量网络分析仪中作为信号分离器件的定向耦合器相比,单 向隔离器在工艺上更易于实现高方向性. 图2中V是根据测量需要设置的可变状态电路,常用高重复 性移相器,箭头表示单向隔离器,方向性可根据测量精度要求设定 指标.在图2电路结构下,可有 (6)图2一种传输测量用 5端口电路内部原理的结构 Fig.2Theinnertheoreticalstructureof a5portcircuitfortransmissionmeasurement 代入式(4),(5)消除行列式中的零元素,可以得到式(3)的简化 形式 M一b3 ? 器[+?]一K{-T”jE]’? 式(7)的物理意义是十分明显的,K是检测电路的失配因子,约等于1;丁是信号从端口1到3的”直达”通 路,形成了相干的参考矢量;T则是被测网络的信号传输通路,与待测信息丁相乘构成了待测矢量. E一1一’/’44S44一T55S554-T44S44T55S55一T45T54S44S55,(8) 式(8)指出了5端口电路4,5端口的端面反射对测量精度的影响.分析表明,测试端口的端121反射 和5是造成测量误差的主要因素,通过必要的设计与制造工艺使其趋于零,可以有效地降低测量误差. 式(8)也同时表明,如果被测网络的传输和反射损耗都比较大,即使在较大的端口反射条件下,也能够 获得较高的测量精度. 1 — 己,) ? 丁 一 弘H S 1 — n SS 一 诣 L — , 5 丁 一 一 , 丁 一 丁 “ 丁 /\ + 弘 3口5S5 5 5 丁 5 7;f ?Z 2333 ?5( .Z.Z.Z.Z O0OOOrr 订门巧 SS 390测试技术2008年第5期 基于上述原理和和电路结构模型,设计制造的雷达天线罩插入相位 延迟测试装置成功地将的测量稳 定度提高到了0.1.. 3雷达天线罩IPD测量 与一般的网络测量不同,天线罩测量是一个”开域”问题:测量信号要 从一个测量端口通过自由空问 传播到天线罩,透过天线罩后再通过自由空间传播到另一个测量端 口.由于被测天线罩本身物理尺寸比 较大,以及防止天线罩在连续测量过程中与 测量端口装置天线发生碰撞等原因,两个测 量端口的距离一般比较远,空间损耗一般来 说比较大.但是,如果把空间损耗当作天线 罩性能的一部分,相当于在天线罩两侧各串 接一个衰减网络,却恰恰满足了公式(7)的 低误差条件! IPD测量的核心就是获取天线罩在与不 在时的电磁波相位传输延迟差异,测量系统 原理如图3所示,为了与上述5端口相对 应,标出了对应的端面.图3中省略了归一 化端口2. 检测端口3为功率检波器,由式(7)可 得 P—IMj一II.+】BI+2IAIrlICOS(), 图3IPD测量原理图 Fig.3SchemeofIPI)measurement (9) 可见,当A,/3两路信号幅度恒定的情况下,相对于不同的相位夹角,合成矢量轨迹是复平面内的圆, 检波功率P的交流分量正比于夹角的余弦.夹角是由”测量”信号通路1—4—5—3与”直达”信号通 路1—3的固有相位差再叠加上天线罩的IPD构成的. 利用步进移相器改变电路状态?,检测 端口将依次得到功率检测值P,进行余弦拟 合[5],就可以得到拟合曲线相对于移相器特 定状态序列的相位.IPD的作用相当于拟合 曲线的相位平移,因此,基于同样的移相器 特定状态序列,就可以得到天线罩存在和不 存在时的矢量合成角差异,这个差异就是 IPD. 利用这套测试系统已经成功实现了多种 雷达天线罩的长期稳定实时测量,测试频率 z.4B 一:/-~---2[,’IBI/ i.,…zBj:I,--一一一 : 图4IPD测试中的矢量合成示意图 Fig.dThediagrammaticsketchofvectorcompositioninIPDmeasurement 在3cm波长微波频段连续可调,相位分辨率达到0.01..测试系统采用了64状态等问隔移相实现”多状 态”,可以采用离散傅里叶变换方便快捷地实现余弦拟合. 由于天线罩制作工艺要求对标准罩和加工罩进行长时间的比对测量,因此实际应用中特别关心IPD 测试的稳定度问题.图5是以本文方法为核心方法研制的测试装置的照片,利用该装置对某罩体每隔几 秒钟一次进行连续测量以验证系统的稳定度,并给出了在相隔约4h 的两个时段上(重新升机,无需校 准)分别测量的结果(a)和(b)的比对情况.两段连续测量的IPD测量中心值均为为2.O2.,体现了良好 的开机复现性,这对于以矢量网络分析仪为核心的传输测试系统来说是难以做到的.特别注意到测量数 据在不同时段的良好复现性和连续测量期间短期稳定度,不确定性一般维持在?0.05.之间.为了进一步 观察短期稳定度,图5(b)提高了显示分辨率.可证明,测量曲线的随机起伏主要是由于模数转换器的截 (总第71期)多端口技术在插入相位延迟测试中的应用(郭利强等)39l 断误差造成的,提高量化精度还可以获得更好的短期稳定度,但对于本装置特定应用背景已经足够了. 图5IPD测试装置与实测数据实际 Fig.5TheIPDmeasuringdeviceandactualdata 除了系统稳定度,利用式(8)可以对系统的固有测量不确定度进行估算.一般来说,现代加工工艺 可以保证仪器接口端口反射系数(,S)小于0.05,高质量的天线罩功率透过率非常高,等效反射系数 也不会超过0.05,则式(8)中2,3,5项绝对值不超过0.0025,第4项是更高阶小量,故极限合成量不 大于0.01.再考虑到每一个误差项都包含了信号通过天线罩或从天 线罩上反射必然发生的空间损耗,电 路设计及实测都远在20dB以上,因此,式(8)造成的极限误差不超过1/1000,约0.3.,与系统稳定度 是相适应的. 4结束语 基于多状态多端口测量的基本原理,讨论了网络传输特性测量方法,并针对传输特性的测量要求, 提出了电路优化形式,给出了极限误差判别方法,并成功实现了雷达天线罩插入相位延迟的高稳定度测 量.在多状态多端口典型测试电路的基础上,分析了特定应用的优化方法.利用多状态多端口技术也可 以实现双端口网络4个散射参数的全面精确求解,但需要更复杂的电路设计和校准,将另文讨论. 参考文献: [1]AudoneB,DeloguA,MoriondoP.Randomedesignandmeasurements[J]. 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