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微波平面电路时域和频域测试技术研究

发表时间：2021/6/10 来源：《基层建设》2021年第6期作者：吴伟

[导读] 摘要：微波平面电路在微波电路与高速数字电路的设计中广泛应用。

        中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥 230031
        摘要：微波平面电路在微波电路与高速数字电路的设计中广泛应用。在微波平面电路时域和频域的相关方面会出现的问题，本文进行了详细的研究。介绍了时域反射计对微波平面电路测量的基本原理。同时，在频域测试分析中,我们主要对矢量网络分析仪和去嵌入方法进行了测试并提出了一种更高效的方法。
        关键词：微波平面电路；窗函数；矢量网络分析仪
        微波平面电路的特性从时域和频域同时对电路进行测量而得到，或者可以使用数学方法变换得到。为了保证在仅存在时域测试数据或仅存在频域测试数据的前提下同时获得被测微波平面电路时域特性和频域特性的可能性，我们可以采用测试数据的时域-频域变换的方法。
        一、微波平面电路时域和频域测试方法
        微波平面电路是二维分布参数电路。由分布参数平面传输线、分装式晶体管或无封装管芯、有独立功能的电路芯片、表面贴妆元件等几部分组成的二维微波电路。
        OTDR的工作原理是基于被测光纤中产生的后向散射信号。OTDR可以测光纤的长度、衰减、无效点和损耗。光纤的缺陷和掺杂剂的均匀性使光纤发生散射，产生菲涅耳反射。光纤的反射强度与通过该点的光功率成正比。反射光的大反射角是由于散射向各个方向发射，一小部分可以进入光纤的孔径角并传回输入端，散射光功率减小到零。
        矢量网络分析仪由激励信号源，信号分离装置，接收机和处理显示单元等几部分组成。用于测量信号的正，反向传输和运输。激励信号源可以通过对频率进行扫描来测量S参数，在一定的频率下可以进行AM-PM的转换。在对基本的S参数进行测试时，激励信号源和接收机需要调到相同的频率。而信号源和接收机本身就存在一定的频率，对于这些频率，我们可以将接收机的频率调节到整数倍以此来测量放大器的性能。使信号源和接收机的频偏能力能够测量变频装置的幅度、相位等性能。
        二、时域，频域测试和傅里叶变换
        时域分析以时间轴为坐标来分析两个观察面之间的关系，频域分析以频率轴为坐标。时域所表示的图的更加生动直观，频域所分析的图更加简洁，可以更好的分析问题。近年来，信号从时域到频域转换表明了两种分析方法同时存在，相互关联、不可或缺和相辅相成的。
        所谓的傅立叶变换，它将信号在时域和频域之间的变换。傅立叶原理解释了任何连续测量出来的信号都可以看作不同频率信号的累积。因而可以用累积法计算不同正弦波信号的频率、幅度和相位。从本质上讲，它也是一个累加过程，只不过这个累加过程是把一个变换的正弦波信号转变为另为一个信号。
        傅立叶变换是一种信号的转变，它可以转换成频域信号，便于分析。这些信号也可以转换成频域信号和时域信号，也可以通过傅里叶变换得到。说到这里，想必你应该明白了，傅立叶变换就是将杂乱无章，无法进行的时域信号转化到频域信号，并且通过对该信号的谐波分量的频率，相位等的分析来进行相关的计算。最后还可以转换为时域信号。
        傅里叶变换主要针对的对象是时域和频域。但是，用计算机对测试信号进行处理时，不可能对信号进行无限量的测量和计算，但需要一段时间进行分析。在信号中截获一定的时间段，并根据截获信号的周期延长截获信号的周期，得到无限长的信号。然后对无限信号进行傅立叶变换，再进行分析，最后进行数据处理。当信号被截断时，相应的频率会改变。这也就是我们所说的会出现频谱能量泄漏。

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频谱能量泄露对于我们的实验结果存在一定的影响，为了尽量减少频谱能量泄漏而产生的误差，我们可以将信号截断，对于信号截断的方法是采用截断函数来截断。因此截断函数称为窗函数。在时域中，我们截断信号所采用的窗函数是完全不一样的，不这是因为不同的窗函数对信号频谱有不同的影响，它们所具有的泄露的大小也不一样。我们可以用FFT来计算频谱，但这种方法也会产生一定的误差，也叫栅栏效应。原则上，出现很多的误差是不可避免的，也是不可消除的。但是可以尽量减少误差，减少误差最好的方法就是选择不同的窗口来使这些误差减少。但是对于窗函数的选择有一定的要求，因为它与信号的性质和处理有关。如果只要求频率读数的精确度而不考虑幅度精度。我们就可以选择矩形窗，它的主要特点是主瓣宽度窄、易于分辨。在测量物体的固有频率时，如果存在强噪声干扰，我们可以选择旁瓣幅度较小的窗函数，如汉宁窗和三角窗。与三角窗和其它窗函数相比，矩形窗函数应用最为广泛，属于时变的零幂窗函数。矩形窗的优点是主瓣相对集中，缺点是副瓣相对较高，存在负副瓣，导致高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。
        三、去嵌入过程在矢量网络分析仪上进行
        在微波射频电路中存在很多的因素会对测量系统有影响，其中最重要的因素之一就是夹具的去嵌入问题，而在微波电路的测试中矢量网络分析仪起到了很大的作用。但是在测量中我们必须引入测量夹具以便于转换，这也意味着我们引入了测量误差。在测量夹具完全相同的情况下，提出了在微波平面参考面上进行校正，也就是去嵌入方法。
        去嵌入过程从放置在被测物体两侧的测试夹具开始。模型的精确度会直接影响我们的测量从而影响到去嵌入测量的精度。对于夹具模型，我们要观察它们的结构。以便于更好的测量。大多数矢量网络分析仪提供的时域技术在夹具模型优化中也非常有用。
        在进行校准是存在有两种校准方法，一种是OSLT同轴测量端口的校准方法，另一种是TRL等在测量夹具上进行测量。它们都是将测量夹具的误差放入矢量网络分析仪的系统误差中，在后期的处理中去除。而我们可以提出另外一种方法，就是不用在微波平面的传输线上去嵌入，只需要在常用的同轴连接器上将误差修正就可以达到嵌入的目的。
        我们提出了一种更为高效的方法，它与传统的去嵌入方法不同。是MMIC常用的去嵌入方法是等效电路表征夹具参数，然后通过矢量网络分析参数转换来实现剥离，这样在伴随着工作频率的提高，它的效果就非常明显了。这个测试与传统的测试进行比较后不难发现，采用校准方法的测试结果更接近与我们所测量的真实值。
        结束语
        为了全面了解微波平面电路特性,需要同时获取电路的时域特性和频域特性。本文针对微波平面电路时域测试和频域测试过程中遇到的主要问题进行了研究。微波平面电路特性可以从时域和频域同时对电路进行测量或者使用数学方法根据其中一个域的测量数据变换得到。本文首先分析了时域测试数据与频域测试数据之间的关系,测试数据的时域-频域变换保证了在仅存在时域测试数据或仅存在频域测试数据的前提下同时获取被测微波平面电路时域特性和频域特性的可能性。为了得到比较平滑的特性数据,本文详细讨论窗函数在数据变换过程中所起的作用以及窗函数对变换结果所带来的影响。在时域测试分析中,本文首先介绍了时域反射计对微波平面电路测量的基本原理。并且使用矢量网络分析仪进行了测试。
        参考文献
        [1]玄金;基于频域法的深水顶张式立管（TTR）涡激振动（VIV）与疲劳研究[D];中国海洋大学;2009年
        [2]付兴建;马洁;刘小河;吴迎年;;“控制工程数学基础”课程中频域分析部分教学探讨[J];科技信息;2011年08期
        [3]陈锡斌;微波平面电路设计的强大工具——软件”Microwave Office”介绍[J];无线通信技术;2000年01期