绪论

就如何提高射频和微波测量的精度展开讨论，并介绍本书的结构框架和各章内容安排。

射频和微波测量的内容可谓丰富多彩。虽然被测对象从器件角度来分可以简单地分为无源和有源器件两大类，整机则可以简单地分为发射机和接收机，但是由于测量环境和条件的不同，测量要求的不同，甚至测试者对测量方法的理解不同，得出的结果也不尽相同，这就给射频和微波测量带来了挑战。通过对射频和微波测量的深入研究，不但可以掌握测量结果的准确性，而且你会发现射频和微波测量并不是一件枯燥无味的工作，恰恰相反，而是充满了挑战和乐趣。

要完成一次准确的射频和微波测量，最主要的秘诀就是从系统角度来考虑问题。这种系统性的思维方式并非一日之功，而是需要在日常工作中的不断积累。下面从系统角度，从DUT（被测器件）、测试仪器、测试系统和附件等各方面考虑，综合分析如何保证射频和微波测量的准确性。

从系统角度来看待射频和微波测量

一个典型的射频和微波测量系统是由被测器件（DUT）、测试路径、测试仪器和测试环境四大要素组成的。下面我们从一个简单的射频功率测量系统（见图0.1）着手，讨论一个完整的射频和微波测量系统是如何组成的。

图0.1中包含了组成一个完整的射频和微波测量系统的四大要素，包括被测放大器（AUT）、测试路径（测试电缆）、测试仪器（功率计），当然不能忽略的还有测试系统所处的环境；测量目标是放大器的真平均功率。为了分析问题简单起见，假设系统中没有加入任何射频转接器。

首先我们来分析被测放大器的输出信号特性，最容易想到的就是发射机的功率等级、载频频率，这是任何测试者都会的。然而接下来的问题并非人人都会考虑到：放大器输出信号的调制类型是什么？调制带宽是多少？峰值功率和平均值功率的比值（峰均功率比）是多少？所有这些都会影响到最终测量结果的准确性。

其次我们再来看看如何选择功率计。当然，功率测量范围和频率范围是首先要考虑的，进一步要考虑的是：功率计是否支持被测信号的调制类型？是否适合宽带调制的功率测量？如果是二极管检波的功率计，其线性范围是多少？能否适应高峰均功率比的功率测量？

选择好了功率计以后，最后来看看那条测试电缆，这往往是最容易被忽略的环节，而恰恰就是这个看似最简单的环节，会大大影响测量结果的准确性！除了选择与 AUT 相对应的频率和功率范围以外，驻波比是在任何测量系统中都要十分强调的，在本案例中也不例外。在功率测量中，失配误差是最终测量误差的主要组成部分；测试电缆还存在插入损耗，这个插入损耗必须在最终测量结果中加以校准。在有些功率计中，补偿（Offset）功能可以将电缆的插入损耗加以补偿，就好像把测试点从电缆端口直接移到发射机输出口一样，如果没有这项功能，则必须人为地加以修正。

到此为止，我们已经考虑了各项相关的因素，这些因素足够保证测量结果的准确性了吗？答案是否。还要考虑到测试电缆的幅度稳定性，因为在这种测试环境下，通常采用柔性测试电缆，也就是编织电缆。电缆在不同的弯曲半径时，插入损耗是有所变化的。此外，还要考虑测试环境，有没有大功率的干扰信号从各个环节串入测量系统。可能在工程测量中，某些因素可以忽略不计，但是我们在分析一个测量系统是否完善时，所有问题都必须考虑到。

在以上的分析中，我们已经大致了解了射频和微波测量系统，下面我们将针对测量系统中的四大要素进行逐一分析。

被测器件（DUT）

虽然被测器件可以简单地分为无源和有源两大类，但是在测量之前必须对被测器件的各项本质和特性进行仔细的审视。

无源器件又可以分为路由器件和调控器件。路由器件的主要功能是提供射频和微波通路，如电缆、连接器、功率分配器等；调控器件则是控制射频和微波信号的幅度大小，如定向耦合器、衰减器等。

无源器件比较容易处理，在整个工作频率范围内和容许的最大输入功率条件下，无源器件的插入损耗和相位偏移都是比较稳定的。需要特别注意的是，所有的无源器件在被注入大功率时都会产生无源互调产物，这个问题在近年来越来越受到重视。无源互调产物会落入本系统的接收或发射频段，有时也会落入到其他通信系统的工作频段内，从而严重影响到通信系统的正常工作。无源互调产生的原因很多，如采用镍和铁材料、表面接触不良等。有关无源互调的问题，将在第10章中详细讨论。此外，有些调控器件（如大功率衰减器）则需要考虑功率系数和温度系数，这些指标意味着在不同的功率和温度条件下，衰减量会发生一定的变化，这些变化将会影响到放大器的输出功率和增益的测量精度，所以在测量中应该予以充分考虑并加以修正。

当被测器件是有源器件时，需要格外小心谨慎。有源器件（如放大器）具有一定的线性工作范围，对输入功率非常敏感，在不同的输出电平下，会产生不同的测量结果。通常对放大器的输出电平定义为1 dB压缩点功率。为了将放大器的电平调控到检测仪器（如频谱分析仪）的适合输入电平，需要增加一个衰减器或者定向耦合器。至于衰减器的衰减量或者定向耦合器的耦合度大小，则需要从频谱分析仪的线性输入电平加以考虑；而衰减器的功率容量的选择则需要考虑其功率系数和温度系数指标。此外，衰减器自身的无源互调性能也是需要考虑的重要因素。

可见，要正确完成一项射频和微波测量，各项因素环环相扣，任何一个环节的不合理设置都会直接影响到最终测量结果的准确性，这和生活中的木桶原理有着异曲同工之妙。

收发信机的测量则与器件有很大的不同，整机和器件的测量有着不同的观察角度。在整机中，各种器件的性能指标以及系统的互联已经被调节到最佳状态，而测试者主要关心的是整机指标而不是器件指标。以无线电监测站为例，其中所配置的仪表基本上是基于整机测量考虑的，如宽带的信号发生器和频谱分析仪等；而器件制造商则主要以矢量网络分析仪为主。

测试路径（测试附件和系统）

任何一个被测器件都位于信号发生器和分析仪之间，而连接被测器件和仪器之间的桥梁就是测试附件或测试系统。千万不要忽视这些测试附件，有条件时最好能固化这些测试附件，使之成为一个标准化的测量系统。仪器供应商在提供整机时，最多会提供与仪器的最高工作频率相符的测试电缆。而在真正的测试过程中，会遇到各种不同的情况而需要采用不同的附件，所有这些附件都会影响到测量结果的准确性，这就需要测试者对相关的测试附件有深入的了解。常用的测试附件也有路由器件和调控器件两大类。

选择正确的测试电缆和连接器

在选择测试系统中电缆的规格时，除了要考虑插入损耗和 VSWR 以外，电缆的稳定性一定要好。在射频和微波频段，常用的电缆有半刚性电缆、半柔性电缆和柔性编织电缆等。

半刚性电缆不容易被轻易弯曲成形，其外导体采用铝管或铜管制成，射频泄漏非常小（至18 GHz时小于−120 dB），在测试系统中造成的信号串扰可以忽略不计，而且无源互调特性也非常理想，因而在标准化的测试系统中被大量采用。

半柔性电缆的性能指标接近于半刚性电缆，而且可以手工成形，但其稳定性略差。由于这种电缆很容易成形，也就容易变形，尤其是在长期使用的情况下。

绝大部分测试电缆采用柔性电缆，其成本也较为昂贵。柔性电缆要易于多次弯曲而且还能保持性能，这是作为测试电缆的最基本要求。

柔性电缆必须保持在弯曲条件下幅度和相位的稳定。通常，单股内导体的电缆有利于幅度的稳定，多股内导体的电缆有利于相位的稳定，可见仅这两项指标就难以两全了。无论弯曲性能多好，电缆制造商总是不希望使用者在过度弯曲的情况下使用柔性测试电缆；在电缆的手册上，通常会给出静态和动态的弯曲半径，如果使用者不能确定电缆的弯曲半径，通常在动态应用时推荐的弯曲半径不应该小于电缆直径的10倍。

柔性电缆的设计从某种程度上违背了低无源互调的设计原则，所以柔性电缆很少有低无源互调型号的。此外，过度弯曲也会导致其无源互调指标的更加恶化。

为了便于弯曲，柔性电缆采用编织层作为外导体，在这种结构下，电磁波会从缝隙中泄漏出来，虽然有些高端的微波测试电缆采用箔状材料作为外导体，其射频泄漏指标仍然不如半刚性电缆。不过作为射频和微波测量应用，−90 dB 到−100 dB的泄漏指标已经足够了，大部分的微波电缆都可以做到这个水平。

为了降低电缆的插入损耗和提高截止频率，高端的微波电缆几乎都采用低密度的聚四氟乙烯介质，这也是影响电缆成本的原因之一。由于加工的原因，可以发现并不是每一批次出厂的电缆的介电常数都是一致的。不过笔者认为，在选择测试电缆时，并不需要一味地追求低损耗，因为测试电缆的损耗是可以被校准的，很多仪器都有补偿功能，可以直接将电缆的插入损耗输入仪器，即使没有，用人工方法也很容易做到这一点。倒是有一点需要注意，在宽带或者自动化测试场合，电缆的频响特性会直接影响到测试结果的幅度精度，有条件和必要时可以采用均衡技术加以补偿，或者在自动化测试软件中逐个频点加以补偿。

要注意观察接头和电缆连接部位的工艺，这会影响到电缆的使用寿命。在这个部位，电缆和接头之间有一个硬接触点，很容易造成电缆的断裂。这并不是简单采用普通的热缩套管就可以解决问题的。接头的材料也是决定测试电缆寿命的主要因素，一般来说，采用铜外导体接头的使用寿命小于不锈钢材料。在满足规定力矩的前提下，前者的寿命是500次，后者是1 000次。这项指标的定义是在到了寿命后，接头的出厂指标开始下降，而不是说这个接头就要报废了。正常情况下，电缆接头的寿命要远大于上述指标。笔者做过试验，当连接器插拔 2 400次时，其插入损耗和VSWR指标仍在出厂指标规定的范围内（详见第1章）。

总的来说，柔性测试电缆的各项指标都要考虑到，选择一条柔性测试电缆要兼顾频率、损耗、VSWR、接头材料、使用寿命、射频泄漏、无源互调和成本等诸方面因素，而不是单纯从价格来考虑。随着材料和工艺的改进以及市场竞争的加剧，微波测试电缆的成本也在逐步降低。

并不是每条测试电缆组件都能适合被测器件的接口，所以经常需要用到射频转接器来完成转接。通常，VSWR指标是射频转接器选择的主要依据，无论怎样强调射频转接器的 VSWR 指标都不为过。以 S 参数测量为例，当一个矢量网络分析仪经过校准后，通常可以将内置定向电桥的方向性校准到40 dB以上。在测试时，如果在仪器和被测器件之间插入一个VSWR=1.06的转接器，则系统的方向性会降低到 28 dB。如果被测器件的真实 VSWR=1.5，则最终测试结果可能在1.378～1.638之间。这个例子可以充分说明射频转接器的重要性。

用衰减器和放大器来修正测试通路

在射频和微波测量中，衰减器可能是除了电缆以外应用最广泛的器件之一了。在前面，我们已经提到了固定衰减器的一些应用。为了精确控制信号幅度的大小，可调衰减器是一种比较理想的选择。可调衰减器分为手动步进衰减器和可编程衰减器两种。手动步进衰减器的步进量是0.1 dB，0.5 dB，1 dB和10 dB，功率容量通常可以做到2 W，衰减量范围可做到0～110 dB，可以满足大动态范围的测量。而可编程衰减器的功率比较小，采用PIN二极管转换型的可编程衰减器的线性也不如手动步进衰减器。需要特别说明的是，可调衰减器的功率容量通常都比较小，这是因为在转换衰减量程时，衰减器处于失配状态，发射机的保护电路往往会由此而触发。当然，大功率的可调衰减器也并非不能实现，可以采用大功率“热”开关和负载及固定衰减器来组合实现；但是这种大功率衰减器的造价较高，这成为了推广应用的瓶颈。通常推荐采用固定和可调衰减器配合使用的方法，而在自动化测量系统中，则需要采用可编程衰减器。

与衰减器相反，在某些微弱信号的检测场合（如微波电磁环境测量）中，需要用低噪声放大器来提高被测信号的电平。在低噪声放大器的选择和应用中要考虑工作频率及带宽、噪声系数、增益及平坦度、输出、VSWR和OIP3等指标。

放大器的工作频率和带宽要视具体测试目标而定，通用的测试（如电磁环境测量）尽可能选择宽带放大器以扩展频谱观察的视角，一个超宽带低噪声放大器的工作频率可覆盖0.1～40 GHz。

噪声系数是低噪声放大器的重要指标，通常认为噪声系数越低越好，但这项指标与成本和带宽有关，需要综合考虑。

低噪声放大器的 VSWR 指标不佳，为了补偿这方面的不足，可以在放大器的输出端接一个小衰减量的衰减器。注意尽量不要将衰减器接在放大器的输入端，那样会使其噪声系数恶化。

要选择三阶截获点（OIP3）指标高的放大器作为测量放大器，同时要注意最大工作电平在1 dB压缩点以下，这样有利于降低放大器的谐波和杂散。

通常可将各种滤波器与低噪声放大器配合使用，以提高系统的动态范围和测试结果的可信度。

正确理解和使用测试滤波器

在测试和测量中，滤波器的基本作用是保留需要的信号，滤除不需要的信号。

从发射端来看，滤波器可以保证输出信号的频谱纯度，如滤除信号源或放大器的输出谐波和杂散；而从接收端来看，滤波器可以滤除不需要的信号，从而提高测试设备（如频谱分析仪）的动态范围，保证其工作在最佳的输入电平下。根据不同的测试要求，可以采用低通、高通、带通或带阻滤波器来完成。

与其他无源器件不同的是，滤波器在阻带频段内是失谐的，其 VSWR 的理论值为无穷大，所以在使用时要特别小心，尤其是在大功率状态下。首先要注意的是假设滤波器直接接在发射机输出端时，需要在滤波器和发射机之间采取匹配措施，因为假设发射机工作在滤波器的阻带范围内时，会引起发射机的失配保护。如果要在一个很宽的频率范围内测量传导杂散，最好是先用网络分析仪校准一下测试范围内的S21参数，因为滤波器的设计中，由于分布参数频率相关的周期性，使得在设计通带一定距离处又产生了通带（与通带中心频率呈整倍数关系），这就是所谓的滤波器的寄生通带。一般来说，寄生通带所产生的响应与主通带的相差甚远，无需特别考虑，但如果需测量的频率正好落在寄生通带内，则需特别考虑。不正确的理解认为带阻滤波器在阻带以外的响应都是平坦的，这会导致传导杂散的测量误差。

如果要在频谱分析仪前面采用可调滤波器（这种方法因为有很大的灵活性而被广泛使用），一定要注意频谱分析仪的安全电平，以免由于误动作而造成频谱分析仪的故障。

测试仪器

常用的射频和微波测量仪器有信号发生器、功率计、频谱分析仪和网络分析仪等。

信号发生器分为连续波信号发生器和矢量信号发生器，视测试需要选择。信号发生器的主要指标有相位噪声、输出信号的幅度精度、频谱纯度和频率精度等。

功率计分为通过式和终端式两大类，前者可以在线测量大功率VSWR，但是精度却不如终端式功率计，通过式功率计的精度通常为±5%，而终端式功率计则可以达到±1%的精度。所以，通常用终端式功率计来校准信号发生器和频谱分析仪，以提高系统的测量精度；而通过式功率计则常常用于工程测量。

频谱分析仪的幅度测量精度目前已经可以做到±0.5 dB，但即使如此，要准确测量发射机的输出功率还是要由终端式功率计来完成，频谱分析仪的幅度测量精度与其参数（如RBW、SPAN、ATTEN、Detecter等）的设置有关，也与被测信号的大小有关。频谱分析仪的指标很多，其中一项重要的衡量指标就是显示平均噪声电平（DANL），它决定了频谱分析仪测量微弱信号的能力。

有关测试仪器的选择可以参照相关制造商的产品目录，在此不再赘述。

测试环境

前面从被测器件、测试路径和测试仪器的本质和特性方面谈到了如何保证射频和微波测量的准确性，仅仅掌握这些还不足以完成一项正确的射频和微波测量，测试环境也是需要考虑的因素。这里所说的测试环境是指测试中的电磁兼容性、测试通路的设计和具体的连接操作这几方面。

测试通路的设计要考虑三个问题：从哪里取被测信号？取多大幅度的信号？取样信号的带宽又是多少？以蜂窝基站测试为例，对于运营商而言，他们最关心的是频道内和频带内的指标，所以，在每个发射机的输出口，通常都接有一个定向耦合器，这个耦合器必然是窄带的，成本和测试目标决定了这个取样耦合器的设计性能。但是这个测试点对于无线电监测站则并不适用，他们所关心的是从9 kHz到12.75 GHz这么宽的频率范围的传导杂散指标，要做到这一点需要付出不菲的代价。首先，必须从主馈线中取出测试信号，因为传导杂散就是从这条通路上辐射出去的；其次，要取出这么宽的信号必须采用宽带的定向耦合器或者宽带的衰减器，同样测试电缆和连接器也必须是宽带的；最后，要计算取样信号的幅度大小以适应频谱分析仪的要求，如果需要检测微弱信号，还可能要增加滤波器和低噪声放大器来配合完成测试。

测试系统的连接操作决定了被测器件的位置、各器件之间的隔离、接头的连接力矩等因素。当测试系统中存在大功率时，大功率通路最好远离检测出来的小信号通路，接头的连接最好借助力矩扳手来完成。

采用测试系统进行测试

当然，要完成准确的射频和微波测量，最佳的方法是将测试系统加以固化。如果你经常在实验室搭建射频测试电路，你会发现即使一个看上去并不复杂的测试系统（如放大器的互调测量），各种器件也会摊满一桌子！而在整个测试过程中，你还要小心翼翼地保持每个器件都处于静止状态。即使这样，下一次你再重复同样的测试时，结果已经与上次不同了。

在一个理想的测试系统中，所有的测试器件都被固化在一个机箱内，整个系统只有被测器件的输入和输出两条柔性电缆，而系统的所有插入损耗均已经用网络分析仪进行测试并已经被自动化测试软件校准。在固化的测试系统中，可以采取高隔离的半刚性电缆，不用担心器件之间的互相串扰；同样，器件之间的连接也由力矩扳手一次完成，这样就大大提高了测试的可重复性和保持测试结果的一致性。

本书内容导读

如果将射频和微波器件比喻为砖瓦，则射频和微波测试系统就是建筑物，对器件的属性了解越深，相当于拥有更多的砖瓦并灵活加以运用，可以建造出牢固而美观的建筑，也就是可以搭建出各种实用的测试系统。当笔者设计出一套新的测试系统并实现了预期的测试目标时，常常体会某种乐趣，就像音响发烧友自行组建成一套高保真音响时的那种乐趣一样。在本书中，这种思路贯穿始末。

本书分为上、下两篇（见图0.2）：上篇（第1～6章）为器件篇，介绍测试和测量应用的各种射频和微波器件；下篇（第7～12章）为应用篇，讨论各种射频测试和测量方法。

第1章介绍各种射频同轴电缆和连接器的结构、技术指标和特点等。通过两个实验分别描述常用射频转接器的插拔寿命和同轴电缆的弯曲寿命。在第2版中，增加了一些如何正确使用测试电缆组件和连接器的经验谈，涉及一些保证测量精度的重要措施。

第2章介绍射频衰减器和负载的指标、类型和应用。另外，还较为详细地描述衰减器的功率系数问题，这有助于提高大功率测量的精度。第2版中增加了一个衰减器电路的实际应用案例。

第3章介绍定向耦合器和Wilkinson功率分配/合成器的指标、类型和应用。另外，还描述定向耦合器的方向性对于反射测量精度的影响。

第4章介绍滤波器的指标、类型和应用。其中有关滤波器应用方法的描述对于各种发射机的杂散测试具有实用价值。在第2版中，增加了一个实际案例详细介绍了滤波器的特性。

第5章介绍铁氧体环流器和隔离器的指标及应用，重点描述环流器和隔离器的非线性特性，即无源互调特性。

第6章介绍低噪声放大器和功率放大器的指标以及它们在测试和测量中的应用。

第7章讨论大功率在线测量技术，重点讨论定向耦合器的方向性指标对于反射功率测量精度的影响。定向耦合器是大功率在线测量技术的核心器件，对这种器件的充分了解有助于对大功率在线测量技术的理解。

第8章讨论在大功率条件下测量放大器或无源器件标量S参数的方法。

第9章主要讨论发射天线的测量，包括输入驻波、故障点定位、无源互调和隔离度的测量。

第10章从工程应用的角度较为详细地讨论无源互调的定义、类型、对通信系统的危害以及测量方法，还对一些新的无源互调问题（如多载频、反向互调的测量）进行更进一步的讨论，最后分析无源互调的测量精度。无源互调是近些年来的新话题；这一章或许是当前描述无源互调技术的较为详细的文章，对工程应用具有实用意义。

第11章讨论发射系统的杂散产生原因、对通信系统的影响和测量方法，与第10章（无源互调测量）有些关联性。

第12章简要讨论功率放大器的测量问题，包括谐波、杂散、反向互调和输出匹配的测量。

射频和微波测量是富于挑战性和充满乐趣的工作，其涉及的内容非常广泛，在以后的章节中，将围绕着上述几个问题展开讨论，希望得到广大同行的批评指导。