浅议驻波测量中的经典误差

用驻波表和简易的天线分析仪测试驻波,到底准不准,这里简单来说一说。

不论是驻波表还是天线分析仪,都要通过适当的单向性器件提取正反向功率来进行比较,根据反向功率与正向功率的比例,用软件的或通过人工查表的方式计算出驻波系数。驻波表等大功率表计一般使用定向耦合器,而天分等小功率表计常用电桥,电桥虽然是用的阻抗平衡原理,但是大多数情况下可以等效为定向耦合器。

那么,误差是从哪里来的呢?

很容易想到,提取正向功率和反向功率必须足够准确,如果存在误差,必须往同一个方向,按照相同的比例偏,才能保证驻波计算结果准确。显然这是难以做到的,始终都会剩余一些无法抵消掉的误差。由于这个误差众所周知,不是我们要研究的重点。

如果用来测试天线,天线会接收空间的无线电信号,这个信号同反射信号一样,也能被反向耦合器提取,从而使测得的反向功率偏大。由于这个误差也是众所周知的,所以这里不做讨论。

一个定向耦合器(或电桥),当它提取正向信号的时候,并不能百分之百的排除掉反向信号。提取反向信号的时候,也不能百分之百的排除正向信号。这个排除不干净的信号,叫做泄漏,或者定向性误差。

通常正向信号比较大,如果被测器件的反射只有入射功率的百分之一,或者电压为十分之一,那么即使正向耦合器泄漏了它的一半到正向耦合信号中去,对于正向耦合信号的影响比例都很小。

对于反向耦合器,问题就比较严重了。本来通过耦合器的正向信号就很大,如果只泄漏百分之一,也会比反向信号的全部还大。

为了能够检测到很小的驻波,必须要求反向耦合器的泄漏足够小。这就要求耦合器或者电桥的单向性足够好。通常,为了测到1.1的驻波,要求单向性至少为30dB。对于直接检波的电桥,做到这个指标并不难。

是不是单向性达到了30dB就能够准确测试1.1的驻波呢?答案仍然十分抱歉。

当电桥的单向性与驻波(回波损耗)接近的时候,误差会急剧增大。

这是因为泄漏的信号与真正的反向信号,总是混合在一起进了检波器,在表头上显示出来。

而两个差距不是很大的信号(且都是一个发射机发出来的,所以频率完全相同)混合在一起,得到的信号大小,与两个信号的相位差有关。相位相同,则信号叠加变强,相位相反,则抵消(短路)掉了。

一个耦合器,泄漏出去的信号通常与正向信号相位相近(这个也不一定哈,不同的天分因为其结构不同,相移不一样,有的甚至相反)。而反射波的相位却是未知数,不同的待测件、不同的电缆长度,都会导致相位移动。

因此由于反射波相位不确定,最终测得反向信号会千差万别,其大小总是位于同相加强和反向抵消之间。

以2013年初生产的KVE60为例,在1.20△180°时,读数是1.20,在1.10△180°时,读数是1.05,在1.05△180°时,读数是1.01;当回波相位大约为0度时,读数反而偏小(多数天分是偏大),以至于给予1.10△0度,读数是1.02。而2013年年中生产的KC901H,在1.10△180°,读数偏小,为1.04;在1.10△0°,读数偏大至1.15。

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图:典型驻波曲线(仅做示意,天线靠近任何物体都会增加测量误差)

因为这些原因,用常规的驻波表和天分测量小驻波,往往是不太靠谱的。为了使误差不至于太大,一般要求电桥的定向性比待测的最大回波损耗至少大6dB,最好是大20dB——如果要相对准确的测量1.05的驻波,就要求电桥达到50dB的定向性,对于直接检波的电桥还有点可能性,对于同轴输出的电桥,这几乎是没有希望的。驻波表和天分经常会采用一些方法,让0反射,也就是只有泄漏时的读数为零。当有反射的时候,某些相位条件下就会读出小于1的驻波——当然,所有仪表都会把小于1的情况敏感词掉。

如果希望准确测量微小驻波,最好使用正规的矢量天线分析仪,它的校准模型,,额,通俗的说,这种仪器可以记录下泄漏的幅度和相位,直接把它减去,剩下的就是纯粹的反射波。没有矢量天分也可以求取,那就是准备损耗已知、移相角度已知的馈线来搬移相位,在不同的相位多测几次,然后进行计算求取。

本文作者:刘虎

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