微波射频组件常见参数和测量方法

董文

【摘 要】论文分析了微波射频组件常见参数对系统的影响，包括插损、驻波、带外抑制和三阶互调等，介绍了利用矢量网络分析仪、信号源、频谱仪等仪器对上述参数的测量方法，同时指出了测量时的一些注意事项。

【Abstract】The paper analyzes the influence of common parameters of microwave radio frequency component on the system， including insertion loss， standing wave， out of band rejection and third order intermodulation and so on. The paper introduces the measurement methods of the above parameters by means of vector network analyzer， signal source and spectrum analyzer， and points out some matters needing attention in measurement.

【关键词】插损；驻波；带外抑制；三阶互调

【Keywords】insertion loss； standing wave； out of band rejection； third order intermodulation

【中图分类号】P41 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）10-0148-02

1 引言

微波射频组件以广泛应用于无线通信领域，其中有一些常见的参数需要掌握其特性和正确的测试方法，才能得到更准确的测试结果。

2 常见参数

2.1 S参数

S参数的理论模型见图1。理想情况下，射频信号a1进入射频器件后完全从b1出来，但在实际应用中，传输线与射频器件之间会存在一定程度的失配，导致少量信号从a2反射回来。

S11=a2/a1，表示输入端驻波比，描述该器件输入端的匹配情况。S22=b2/b1，表示输出端驻波比，描述该器件输出端的匹配情况。S21=b1/a1，表示正向增益或插损，描述信号经过该器件后被放大的倍数或衰减量。S12=a2/b2，表示反向隔离度，描述该器件输出端的信号对输入端的影响。

常用的S参数有两个：S11和S21，S11表示回波损耗，理想值为1，代表信号完全通过。S21表示插入损耗，理想值是0，代表信号完全通过。

2.2 插入损耗（Insertion loss）

插入损耗简称插损，指组件置入系统后，对工作频段信号引入的衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝（db）来表示。插损常见于射频电缆、滤波器、耦合器等组件的参数中，是被测组件的重要特性，插损越小越好，表示信号尽可能多的通过组件。影响滤波器插损的因素除了腔数和带宽外，还受单腔尺寸的影响。一般滤波器的单腔尺寸越大，工作中每个腔能够储存的能量越多，损耗越小[1]。

在工程应用中，一般要求插入损耗在2dB以内为比较理想的范围。

测量插损的常用方法有：①利用频谱分析仪和信号源测量。用信号源在系统的一端产生一个工作频点的单频信号，在系统另一端用频谱分析仪分别记录组件接入前后该频点的信号电平峰值，两次峰值的差值即为该组件的插损。②利用矢量网络分析仪测量，只需连接被测组件，校准相应的接头和頻率范围，即可直接读出S21，即该组件的插损。

2.3 驻波比（Voltage Standing Wave Ratio）

驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比常见于多种微波射频组件某一单端口的重要参数中，理想状态下，驻波比等于1时，表示阻抗完全匹配，此时高频能量全部通过，没有能量的反射损耗；当驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有没有通过。在S参数中，S11和S22分别表示输入端和输出端的驻波比。

在工程应用中，一般要求驻波比在1.5以内为比较理想的范围。

测量驻波比的常用方法：利用矢量网络分析仪，可以直接测量驻波比，测量时可以只进行单端口连接。

2.4 3dB带宽

3dB带宽一般指在信号频谱图中指代功率谱密度的最高点下降到1/2时界定的频率范围，f0为中心频率，波峰左右下降3dB所形成的矩形系数所占的矩形空间就是3dB带宽。3dB带宽常见于滤波器、上下混频器等组件的参数中，反应系统中宽带信号可通过该组件的工作频段范围。

测量3dB带宽的常用方法有：①利用信号源和频谱分依稀测量。信号源产生扫频信号，利用频谱分析仪的迹线保持功能，记录信号经过被测组件后的轨迹，再用标记点计算频率差值。②利用矢量网络分析仪测量，可直接测量读取。

2.5 带外抑制（out-of-band rejection）

带外抑制是滤波器的重要参数，通常是指滤波器在工作频段以外的频点处对信号的衰减。滤波器的带外抑制主要由腔数决定，腔数越多带外抑制越好，同时插损也越大。带外抑制常见于滤波器、上下混频器等组件的参数中。

在工程应用中，一般要求带外抑制不大于-60dB为比较理想的范围。

带外抑制的测量方法：①利用信号源和频谱分析仪测量。信号源产生扫频信号，利用频谱分析仪的迹线保持功能，记录信号经过被测组件后的轨迹，再用标记点计算带内和带外信号电平差值。②利用矢量网络分析仪测量，可直接测量S21，设置标记点读取差值即可。

2.6 相位噪声（Phase noise）

相位噪声是指系统（如各种射频器件）在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。它是衡量频率标准源（高稳晶振、原子频标等）频稳质量的重要指标，随着频标源性能的不断改善，相应噪声量值越来越小，因而对相位噪声谱的测量要求也越来越高。

相位噪声好坏对通信系统有很大影响，尤其现代通信系统中状态很多，频道又很密集，并且不断变换，所以对相噪的要求也愈来愈高。如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。相噪不好不仅增加误码率和影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相噪影响邻近频道选择性。要求接收机选择性越高，则相噪就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相噪也必须更好。

在工程应用中，一般要求相位噪声为：偏移中心频率±100Hz处不大于-70dBc/Hz，偏移中心频率±1KHz处不大于-85dBc/Hz，偏移中心频率±10KHz处不大于-90dBc/Hz，偏移中心频率±100KHz处不大于-95dBc/Hz，上述几点为比较理想的范围。

相位噪声的测量：利用频谱分析仪，有专门的相位噪声测试项，设置好相应的频率范围和偏移区间后，可直接读出相位噪声的数值。

2.7 三阶互调（third-order intermodulation signal）

不同频率的电磁波在不均匀传输面上，会发生非线性混频。若输入信号的频率为f1和f2，则发生混频后，输出信号除f1、f2外，还有2f1-f2、2f2-f1、3f1-f2、3f2-f1等混频信号。f1、f2的系数相加为3的称为三阶互调，系数相加为5的称为五阶互调，依次类推。其中，三阶互调信号最强，最容易落在接收端频段内。三阶互调也称为三阶交调，其示意图见图2。

在工程应用中，接收端天线接收到的信号很微弱，需要经过放大器放大进入接收机。这样，互调信号也被放大进入接收机。接收机非常敏感，即使是很小的电平都会对接收信号产生影响，因此需要严格控制互调信號特别是三阶互调信号。三阶互调常见于功率放大器的参数中，且与频率间隔密切相关。

测量方法：利用信号源和频谱分析仪，信号源产生工作频段内、一定频率间隔的双音信号，用频谱分析仪标记相应测量点计算。有些型号的频谱分析仪设置有三阶互调测试项，其原理也是计算标记点差值。

3 注意要点

在微波射频组件的工程应用和实际测试中，应当注意以下几点：①每次使用矢量网络分析仪之前，必须先根据被测组件的接头和工作频率范围，并选用相应的校准件进行校准，将测量误差减小到最低。②在校准时，尽可能多地把被测组件需要的连接电缆、转接头等带入。③在测量功率放大器等大信号时，务必注意仪表的输入功率范围，必要时需增加衰减器以调整信号大小，避免大功率信号损坏仪表接收机。④设置信号源和矢量网络分析仪的脉冲信号功率大小在被测组件的合理工作范围内，避免损坏被测组件。⑤确保被测组件连接可靠，如SMA接头，需使用磅数合适的力矩扳手固定。⑥出于安全性考虑，测试仪表、被测组件应在加电测试前应进行检查，确保可靠接地。

【参考文献】

【1】蒋晓红.射频和微波元器件的测试[J] .测控技术，2004，23（1）：14-16.