微波介质电特性测量Word文件下载.doc
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10MHz~10GHz
固体、液体及生物中损耗及大损耗
2传输线法
传输线法是将介质样品放在矩形波导或同轴线内（或开路传输线外），由直接测量波导段（或同轴线段）样品前面的驻波参量或反射参量来确定介质电特性。
传输线法目前已在300MHz到40GHz的宽广频段上使用。
它可以测量固体、液体和气体。
但实际中测量固体较多，所以，这里主要介绍固体介质测量的几种典型方法。
2.1端短路法
端短路法是将介质制成长方形（或环形）样品，填充在短路波导（或同轴线）末端，由测量介质样品段的驻波参量确定介质电特性的方法。
2.1.1测试原理
终端短路的波导置入样品后，由于波导内填充介质段的波导波长比填充空气段的波导波长短，导致介质前波导段中驻波最小点往终端方向移动。
另外，介质样品的损耗又使驻波节点处的电场强度增大。
据波导段填充介质样品前后驻波最小点的变化量及驻波系数S可由公式推算出介质的及。
2.3长样品法
长样品法是测量大损耗介质电特性的方法。
样品做得很长，放在介质样品波导段中，并使样品的输入面与测量线的法兰盘面一致。
对介质波导段的要求及所用测试系统与终端短路法相同。
2.3.1测试原理
由于介质样品很长，使得介质波导段终端的反射波在到达输入端面前几乎全被衰减掉。
这时，样品输入端的等效阻抗便是样品波导段的特性阻抗。
而样品波导段的归一化特性阻抗仅与波导中填充介质的复介电常数有关，它可由沿线的驻波最小点及驻波系数S求得。
因此，长样品法测量介质，就称为对介质波导段（长样品前）的驻波参量的测量。
2.4同轴测量线法
同轴测量线法是测量液体介质复介电常数最简单的方法。
将同轴测量线两端的绝缘子（圆盘形）与内外导体间密封好，就称为液体介质的测量装置。
若开槽位置不在正上方，可将一侧垫起；
也可改装测量线，使之成为适合测量液体介质的结构。
2.4.1测试原理
同轴测量线终端短路后形成驻波，其驻波参数与测量线内填充的介质电性能有关。
介质中波长随变化，驻波系数与介质损耗有关。
所以由测量线中介质波长及驻波系数的测量可确定介质样品的及。
2.5同轴线终端开路发
同轴线终端开路发是对大损耗介质的一种非破坏性测量方法。
采用一段填充介质（聚四氟乙烯）且终端开路的标准同轴线为传感器。
2.5.1测试原理
介质样品紧贴同轴线开路端面。
据传输线理论，样品对开路端面边界场产生扰动，使同轴线上复反射系数发生变化。
利用复反射系数与介电特性的关系可确定介质的复介电常数。
3闭腔谐振法
闭式谐振腔（简称闭腔），是具有分布参数封闭导电壁的谐振系统。
在谐振腔内，横向和纵向电磁波都受到导电壁的反射；
入射波和反射波相叠加，形成电磁驻波。
它不能传播能量，只能做电磁能量转换，在能量转换过程中形成震荡。
介质样品置入闭腔谐振器中，由测量它的有关谐振参数来确定介质电特性的方法，称闭腔谐振法。
该方法可测固体、液体和气体，这里重点介绍测量固体介质。
3.1H01n谐振腔法
H01n谐振腔法是用H01n谐振腔测量圆盘形样品。
因这种方法使用方便、测试精度高，在从8.2GHz到35GHz频段内广泛应用。
3.1.1测试原理
在某一确定的频率下谐振腔谐振时，腔长为，无载品质因素为。
谐振腔放入样品后，由于样品中相位常数比空气中大，故谐振腔失谐。
改变腔体长度使它重新谐振，其腔长为。
此外，介质样品引入附加的损耗，使谐振腔品质因数下降为。
根据放入样品前后谐振腔长度及品质因数的变化，可确定介质的及。
3.2微扰法
微扰法是以微扰理论为基础，在谐振腔中测量小样品介电特性的方法。
该方法对所用谐振腔和样品精度要求都不象H01n谐振腔法那样高，计算公式也简单，但测试准确度不高。
该方法已在1GHz到18GHz频段上广泛使用。
3.2.1测试原理
微扰谐振腔在尺寸确定后，它的谐振频率为，固有品质因数为。
当介质小样品置于腔中电场最大、磁场为零的位置时，样品引起腔中电磁场扰动使谐振频率降为，固有品质因数降低为。
若样品的体积远小于谐振腔的体积，这种扰动是微弱的，腔体参数变化也是较小的。
按微扰理论可推导出由样品扰动引起的频率变化及品质因数的改变仅与介质样品的及有关系。
所以，微扰法测量介质的复介电常数，即为置入样品前后微扰腔谐振频率及品质因数的测量。
3.3可复制几何形状样品的谐振腔法
将被测介质按标准样品（已知）的形状及尺寸精确复制出来，置入谐振腔内测量其介电特性的方法称可复制几何形状样品的谐振腔法。
4开腔谐振法
敞开导电壁的谐振腔，称为开式谐振腔（简称开腔）。
开腔总置入样品后，由测量其参数变化来确定介质电特性的方法称开腔谐振法。
这里只介绍高Q开腔谐振法和介质开腔谐振法（也称介质谐振腔法）。
4.1高Q开腔谐振法
高Q开腔谐振法已在8~140GHz频段广泛使用，主要测量低损耗各向同性及均匀分布各向异性材料。
谐振腔有多种形式，这里只介绍常用的对称球面腔和非对称球面腔。
具体测试方法与H01n谐振腔法基本相同。
在固定点频上，由改变谐振腔长度使腔谐振，并由腔内置入样品前后谐振腔长度及Q值的变化来确定介质的及。
4.2介质谐振腔法
介质谐振腔法是用被测介质制成谐振腔，用来测量介质电特性的方法。
此方法常在10cm到8cm频段测量从30到100的介质材料。
5微波电桥法
微波电桥法是在微波频段用来测量大损耗固体、液体介质复介电常数的方法。
5.1液体电桥法
液体电桥如图所示。
两个桥臂分别为参考桥臂和样品桥臂。
参考桥臂放有衰减器，预先调好一个衰减量。
样品桥臂，波导内充满液体样品。
固体介质楔用来盛放液体及降低反射。
另外在样品臂中还放有精密可变衰减器。
整个电桥放在一个斜面上，以减小气、液交界面上不必要的反射。
微波信号分成相等的两路，进入两个桥臂。
测量液体介质时，将液体样品注入波导内形成可变长度的液体柱。
电桥平衡操作过程中液体柱作为可变移相器使用。
电桥平衡，作为液体柱长度的函数画出曲线。
曲线的横坐标为液体柱长度。
纵坐标为精密衰减器的读数。
由曲线的斜率确定液体介质损耗。
5.2空间电桥法
空间电桥法如图所示。
参考臂放有衰减器和移相器。
样品桥臂中，两个号角天线中间放有圆盘装样品。
号角天线发出的能量是平面极化的电磁波，其电矢量平行波导的窄边。
而样品沿着穿过号角天线的轴心线旋转，可极化辐射，测量各向异性介质材料。
当被测介质为液体时，可放入低损耗圆盘形薄壁容器中，按测固体的方法测量其电特性。
5.3波导电桥法
波导电桥的样品桥臂，由H10矩形波导或TEM同轴线构成。
样品制成长方形或环形，置入样品桥臂。
参考桥臂内置入衰减器和移相器（可用测量线代替）。
5.3.1测试原理
当进入电桥两个桥臂的信号幅度相等、相位相反时，电桥输出指示为最小值。
如图所示，测量线测出的驻波最小值接近于零。
将介质样品置入桥臂后引起相移和衰减的变化；
这种变化仅与介质样品的及有关系。
所以将两个不同长度的样品（同种材料）和，分布置入样品桥臂，测出其衰减量A1、A2和相移量P1、P2。
便可确定其复介电常数。
6时域法
时域法是用时域技术测量介质材料频域复介电常数的方法。
该方法具有测量频段极宽（从10kHz到10GHz），测量速度极快、使用设备简单等优点。
只是测量介质的时精度不高。
它适合大、中损耗的固体、液体及离体生物介质的测量。
6.1同轴线终端短路时域法
样品制成圆环形，放样品的同轴线为标准空气线。
6.1.1测试原理
将环形样品放在短路同轴线末端。
上升时间为几十皮秒的的脉冲加在样品上，用取样示波器测量脉冲波形，因为它具有极丰富的谐波分量。
经计算机进行傅立叶变换可得到宽频域复反射系数。
而复反射系数大小仅与介质样品的电特性有关系。
因此，用时域技术测量介质（A-A面）的频域复反射系数，可得到复介电常数宽带域频率特性。
6.2终端电容法
终端电容法是将小样品放在标准空气线内导体的间隙里，如图所示。
用6.1节的方法及测试系统，测量A-A面的复反射系数及无样品时内导体间隙电容C0，通过计算，可求出宽频带范围内的复介电常数。
6.2同轴线终端开路时域法
同轴线终端开路时域法，是对介质非破坏性测试的时域法。
适合大损耗及偏高的固体、液体及生物体复介电特性的测量。
近些年常用做微波生物波谱测量。
因生物组织高，大、热灵敏度高、变化大，最适合非破坏性、快速测量。
第13章失真参数的计量测试
1基本概念
1.1失真的概念与特点
在无线电电子学及电子工程中所讲的失真是指信号波形的失真。
对于应用极为广泛的正弦信号而言，失真是以理想的纯正弦（基波）信号作为参考，看被比较的信号偏离理想波形的程度。
偏离越大，失真越大。
1.2失真的分类
（1）线性失真，又分为：
A：
幅频失真；
B：
相频失真。
（2）非线性失真，又分为：
非线性谐波失真；
非线性互调失真。
线性失真是指含有不同频率成分的信号通过由线性元件组成的线性系统后，使输出信号中各频率分量的幅度或相位失去了原有的比例关系，从而导致信号波形的失真。
非线性失真是指信号通过由有源或无源非线性器件组成的非线性系统后，其输出信号中产生了原信号所没有的新的频率分量，由此引起的信号波形的失真。
失真的大小直接与系统的非线性程度有关，因此，它相应成为该系统非线性程度的一个量度。
1.3常用名词
1.3.1基波
根据傅立叶分析，非正弦信号是由若干个不同频率、不同振幅的正弦信号组合而成，其中与非正弦信号频率相同的正弦信号称为基波，其相应的频率称为基波频率。
1.3.2谐波
根据傅立叶分析，非正弦信号是由基波和若干个振幅不同、频率为基波频率整数倍的正弦信号组合而成，后者均称为谐波，其频率均称为谐波频率。
按谐波频率与基波频率倍数的不同，又可将每个谐波分别称为2次谐波、3次谐波……n次谐波，其相应的频率称为2次谐波频率、3次谐波频率……n次谐波频率。
1.3.3幅频失真
非正弦信号通过某传输网络后，由于网络对非正弦信号中的基波分量与各次谐波分量的响应不同，因而使输出信号中各频率分量的幅度发生变化，失去了原有的比例关系，由此造成的失真称为线性幅频失真（亦称频率失真或幅频失真）。
1.3.4相频失真
非正弦信号通过某传输网络后，由于该网络对非正弦信号中的基波分量与各次谐波分量有不同的相位延迟（超前或滞后），使输出信号中各频率分量之间的相位关系发送变化（相位不和它的频率成比例变化），从而导致信号波形失真，这种失真称为线性相频失真，亦称相位失真。
1.3.5非线性谐波失真和非线性失真系数
当一个单一频率的正弦信号通过非线性网络后，其输出信号中除了原有信号的频率分量外，还将产生新的高次谐波频率分量，由此引起的失真称为非线性谐波失真。
习惯上将这种失真称为非线性失真或谐波失真。
非线性谐波失真有单次谐波失真和总谐波失真之分。
由单次谐波引起的失真称为该单次谐波的失真；
由所有谐波共同引起的失真称为总谐波失真。
非线性失真系数也称谐波失真系数或非线性失真度，简称失真度，它是表征信号波形非线性失真大小的无量纲参量，用符号K表示。
1.3.6互调失真和互调失真系数
当含有两个频率分量以上的合成信号通过非线性网络后，则在其输出信号中除了原有各频率分量及其相应的各次谐波分量外，还会产生各频率分量的诸次和、差组合分量，这种因相互调制产生组合频率成分而引起的失真称为互调失真或交调失真。
这种失真是多频信号经过非线性网络后形成的，因而它也是一种非线性失真，但为了区别于单频信号的非线性失真，故称为互调失真。
表征互调失真大小的参量称为互调失真系数或互调失真度，用符合IM表示，它同样是一个无量纲的参量。
1.3.7失真仪的固有噪声和剩余失真
失真仪的固有噪声又称最大起始指示或“底度”，它是指失真仪输入端短路或接一规定电阻时，失真仪在失真度测量最灵敏档和不同频率上表头的最大指示值。
失真仪的剩余失真亦称残余失真或机内引入失真，它主要由基波抑制器抑制深度不够大而存在剩余基波电压，失真仪的固有噪声以及自身电路引入的非线性失真及相位失真等因素引起。
1.3.8失真仪的基波抑制
基波抑制也称基波抑制特性或滤除特性，它是指失真仪的基波抑制电路对被测信号中基波分量的抑制程度或滤除能力，通常以dB表示。
1.3.9失真仪的谐波响应
谐波响应亦称谐波特性，它是指失真仪的基波抑制电路在抑制基波的状态下，对输入信号中二次以上谐波分量的响应程度。
由于谐波响应一般为负值，因此也称谐波损耗或谐波衰减，通常以dB表示。
1.3.10波形因数KF
交流电压的波形因数KF定义为该交流电压的有效值与平均值之比，即：
KF=
式中，U为交流电压的有效值；
Uav为交流电压的平均值。
1.3.11波峰因数Kp
交流电压的波峰因数（波高率）Kp定义为该交流电压的峰值与有效值之比，即：
Kp=
式中，Up为交流电压的峰值；
U为交流电压的有效值。
1.3.12波形误差
交流电压表检波电路可分为峰值响应，平均值响应和有效值响应三种主要类型，一般它们都以正弦电压的有效值定度，使用这样的电压表去测量正弦电压时，其示值即为被测电压的有效值。
但用它们去测量非正弦电压时（如失真仪中的电压测量），则会因测试情况不同于定度情况而产生误差，误差的大小与被测电压的波形有关，这种由波形引起的测量误差称为波形附加误差，简称波形误差。
2非线性失真的测量技术
2.1非线性失真测量方法分类简述
根据不同的情况可以采用不同的方法研究的测量失真。
若按测量对象的不同，可分为信号非线性失真的测量和网络（系统）非线性失真的测量两大类型，前者在于分析信号波形的特性，通常采用传统的谐波分析法和基波抑制法测量失真；
后者在于研究传输网络的非线性，以便改进设计或根据要求制定相应的技术指标，其失真的测量可采用单音法、双音互调发、白噪声信号动态法以及信号概率统计分析法等。
2.2信号非线性失真的测量方法
2.2.1非线性失真系数的定义
非线性失真系数K又称非线性失真度（简称失真度），定义为信号全部谐波能量与信号基波能量之比的平方根值，即：
式中，P为信号的总能量；
P1为信号中基波的能量；
Pn为信号中n次谐波的能量。
2.2.2谐波分析法
根据失真度定义，采用具有选频功能的仪表以实现基波和谐波的分离，然后分别测出基波和各次谐波电压的有效值，再利用有关定义公式计算出失真度值，是一种间接测量方法。
2.2.3基波抑制法
（1）应用范围
适用于1Mhz以下的低频频段直接测量信号的总谐波失真度，其测量范围通常为10-4~100%，测量准确度约为5%~30%
（2）测量原理
首先用电压表测出被测信号电压的总有效值，然后接入基波抑制电路滤去基波，再用电压表测出滤除基波后剩下的全部谐波电压的总有效值，求得失真度。
（3）测试设备
失真度测量仪（如无失真仪也可用陷波器和多量程电压表按测试电路图组合）。
2.3超低失真的测量方法
2.3.1用低频失真度测量仪直接测量
（1）应用范围
根据仪器目前的水平，一般可在5Hz~100kHz频率范围测量超低失真信号的总谐波失真，最小可测失真度大约在10-5量级，测量准确度约为±
（1~3）dB。
（2）测量原理
同基波抑制法。
（3）测试设备
各种类型的超低失真度测量仪。
2.3.2二次滤基法
其频率范围及失真度量限取决于所用设备，一般而言，可用于测量200kHz以下频率，10-4~10-5量级的低失真度。
在失真仪前加接一可调无源带阻滤波器，使基波在进入失真仪时先受到额外的衰减，以增加对基波的抑制量，从而扩展了测量失真的量程下限。
无源带阻滤波器、高灵敏度失真度测量仪。
2.3.3无源带阻滤波器与频谱分析仪组合的谐波分析法
其测量频率范围取决于所用设备，目前一般用于测量10Hz~100kHz频率，最小失真度为10-4~10-6量级的总谐波失真及单次谐波失真，测量准确度约为±
（2~4）dB。
同谐波分析法。
只是在频谱分析仪前加接了无源带阻滤波器，先将基波衰减20~40dB（相应于增大了原信号的失真，扩展了测试设备的动态范围），然后用频谱分析仪按谐波分析法进行测量。
无源带阻滤波器、频谱分析仪（或波形分析仪）。
2.4传输网络非线性失真的测量方法
2.4.1单音法
原则上可在极宽的频率范围测量不同量值的失真，具体测量指标及测试准确度取决于所采用的测试设备。
（2）测试原理
采用以上介绍的测量信号失真的各种方法（基波抑制法或谐波分析法），分别测量出待测传输网络输入信号和输出信号的失真度值，再通过计算求出网络的失真度值。
低失真测试信号源，失真仪或频谱分析仪、波形分析仪等。
2.4.2双音交互调制法之一—SMPTE法
（1）适用范围
测量音频范围内电声系统传输网络的互调失真，电视、电影、广播及唱片等电声设备的互调失真。
？
？
按SMPTE法设计的互调失真度测量仪。
2.4.3双音交互调制法之二—CCIR法
用于电声系统、多路通信系统检测网络的非线性（适合高频端的测量），其测量准确度约为±
10%。
2.4.4白噪声法（动态法）
白噪声法可测出被测网络通带内任何频率分量所产生的谐波及互调结果，故又称动态法。
常用于多路通信、语言脉冲编码等系统测试传输网络的非线性失真。
窄带阻滤波器，选频电压表、白噪声源。
3失真度测量仪
3.1失真度测量仪的分类
3.2失真度测量仪的工作原理
目前，商品失真度测量仪主要采用基波抑制法，通过测量电压的方式测量失真，其测量过程及工作原理按两种情况分述如下。
3.2.1电表读数式失真度测量仪
电表读数式失真度测量仪的基本组成及工作原理如图13-12所示，其中由衰减器和电压指示器构成的多量程电压表既可作为失真指示器，又可单独测量电压。
测量失真时先进行“校准”，然后再测量失真。
（P609）
3.2.2衰减读数式失真度测量仪
衰减读数式失真度测量仪的组成如图13-13所示。
3.3失真度测量仪的主要技术指标
3.3.1测量失真的频率范围
失真度测量仪的工作频率范围目前大约在2Hz~1MHz范围内，但多数失真仪的工作频率均在200kHz以下。
失真仪的频率刻度误差一般为±
（1~5）%。
数字显示频率的失真仪频率误差约在10-3量级。
3.3.2失真度测量范围
4标准失真源
4.1标准失真源的用途及设计原则
标准失真源是一种能提供不同频率、不同失真度量值的标准失真信号发生器，主要用于对失真度测量仪施行总体检定，以保证失真度量值的准确一致，是失真计量的标准装置。
由失真系数的定义可知，只要改变信号中基波和谐波的比例关系，便可获得不同失真系数的失真信号。
因此，可以采用基波与各种谐波组合的方式建立不同失真系数的标准失真源。
4.2标准失真源的几种组成方案
4.2.1基波加随机相位单次谐波失真源
（1）工作原理
产生标准失真波的原理如图13-14所示，基波振荡器产生频率为f1的信号，经滤波后送到波形叠加器；
谐波振荡器产生频率为f2的谐波信号（通常取f2=2f1或f2=3f1），经标准分压器后送至波形叠加器与基波信号线性叠加。
叠加器输出的合成信号即为标准失真信号，其失真的大小由控制谐波电平的标准分压器调节，加到叠加器上的基波及谐波电平的大小，分别由精密真有效值电压表监测。
4.2.2基波加相关相位单次谐波失真源
基波加相关相位单次谐波合成标准失真源的原理如图13-16所示。
基波和谐波取自同一个振荡器，振荡器分两路输出，一路作为基波信号经稳幅后加到波形叠加器上；
另一路经倍频器二倍频后作为谐波，再经稳幅放大和标准分压器后送到波形叠加器与基波信号线性叠加，以获得标准失真波输出。
基波和谐波电平可用电压表监测，也可事先调定而不设置电压表。
4.2.3基波加二、六次谐波标准失真源
基波加二、六次谐波标准失真源的方案原理如图13-17所示。
4.2.4基波加方波标准失真源
基波加方波标准失真源的组成及工作原理如图13-18所示，作为谐波分量的方波由基波信号倍频后经微分电路变换成窄脉冲，然后触发施密特电路获得（相关型）；
也可由一个独立的振荡器提供二倍或三倍于基波频率的信号，经相同的波形变换后获得（随机型）。
前者基波和谐波之间相位相关，后两者的相位随机。
4.2.5基波加白噪声标准失真源
基波加白噪声标准失真源的组成及工作原理如图13-19所示。
基波振荡器的输出信号经带通滤波器后送到波形叠加器；
由白噪声发生器提供的白噪声信号作为谐波信号，经标准分压器后送到波形叠加器与基波信号线性叠加，合成标准失真波输出。
4.3标准失真源的主要技术指标
4.3.1频率范围
一般在5Hz~200kHz范围内，分两种类型。
一类是20Hz~20kHz的音频范围；
另一类是5Hz~200kHz的宽频带型，其频率准确度约为±
（1~3）%。
4.3.2失真度量值范围
标准失真源提供的失真波的失真度量值范围是失真源技术性能的重要标志，目前可分为两种类型：
（1）用于检定通用失真仪的失真源。
（2）用于检定低失真仪的小失真源。
标准失真源所提供的标准失真度值越小，越能满足小失真计量测试发展的需要，是当前失真计量发展的方向。
4.3.3标准失真源基波的剩余失真
标准失真源中基波自身失真的大小，直接关系到所提供的标准失真度量程的下限值。
目前使用最多的通用失真仪检定装置，其基波的剩余失真约为＜0.03%；
小失真标准失真源约为0.001%~0.002%，个别可达到0.0003%。
4.3.4失真度的准确度
失真度的准确度高低是衡量标准失真源技术性能的重要指标，通常以相对误差的形式给出，即用调定值的百分数或dB表示，在小失真量程也有采用相对误差加绝对误差的方式给出准确度值。
目前，标准失真源失真的准确度约为±
（1~10）%或±
（0.2~1）dB。
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