（无线电物理专业论文）基于双魔t和双晶体检波器的多状态反射计的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外。本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： b 期：蛙。垒丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留，使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 论文作者签名： ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：日期：蜮，o 山东大学硕士学位论文 中文摘要 微波测量技术的发展与微波仪器的发展息息相关，而高精度和快捷的微波 测量往往依赖于精密仪器的研制与开发六端口测量技术，是基于功率计的一 种能够准确铡量微波元件复反射系数等微波参数的有效方法；同时能够广泛地 应用到诸如微波计量、安全检测和工业检测等许多领域因此，六端口测量技 术，从提出以来一直受到各国科研人员的关注，成为最重要的微波测量工具之 一从广泛的意义上讲，基于六端口基本原理，研制双魔t 多状态反射计，并 配以计算机和接口电路来实现数据的自动采集与处理，能够实现微波元器件的 复反射系数等相关微波参数的自动测量或半自动测量具有一定的使用价值和 实际意义 本文的前三章阐述了六端口测量技术的现实意义、当前国内外的研究现 状、本文所傲的工作、所用到的数学知识和该技术的基本原理及概况第四章 阐述了晶体检波器的定标方法，在小信号时本文对检波电压幅值直接作为功率 值、功率衰减定标法和直接定标法三种方法进行实际测量和分析比较，认为在 小信号时将检波电压幅值直接作为功率值引起的误差范围是可接受的，同时指 出了直接定杯法是较理想的适用于晶体检波器的定标方法第五章和第六章阐 述了多状态反射计的设计方案，系统校准方法和实际测试结果：对于多状态反 射计的设计方案，本文详细地阐述了各个部分的组成及相应的电路设计在第 六章，本文基于六端口理论中的绝对功率法和相对功率法演绎出适合多状态反 射计的绝对功率和相对功率两种系统校准方法，并且基于这两种校准方法使用 了功率计和晶体检波器在线定标两种功率指示方式分别进行了实际测试，同时 在不同频率下进行了检验性的实际测试，最后利用校准方法的几何解释对各状 态圆的位置关系进行了初步的研究，并提出了数据评估因子 本论文的内容重点是： 使用实验室常见的微波元件( 包括魔t ，晶体检波器、匹配负载和 可变短路器等) 构建多状态反射计并且借助计算机处理数据，能 山东犬拳碗士拳位论文 够较快捷和易予操作地进行微最测量与数耀分析；弱畦测差维果精 确度较高，并且积景了大羹具有参考价值的实验数据，可以作为工 程技术人员进行实际测量的参考依据 2 晶体检波器代替功率计作为功率指示计能够保证利用晶体检波器 作为指示计的测量结果仅仅次千基子功率计的铡量结果。对于晶体 检波器约定标方法。本文就功宰衰减定标法和直接定标法两种方法 避行7 较系统，全嚣她研究与分柝比较，以更有敬地提舞定标署n 系 统筏准的蔺荔性和准确佳 一 对予双魔t 构建豹多状态六端日电路，在瘴? 的工传频率藏基魂我 们遴行了不葡颧率下的实际弱量。研究了魔t 的调配频率和其它额 率下的精度变化规律，认为该反射计的铡量精度霄戳接近予甚至达 劐六端口测量系统的理想性能指标。 4 本文基于六端口理论中的绝对功率法和稻对功率法演绎出适合多状 态发射计的绝对功率 去和相对功率法两种校准方珐；同时在相对功 率法中，尽管假定系统状态改变时有些系统常数仍保持不变。但测 量耱度明显高予绝j | 功率法的溯试耱度。 5 奉文基于六端口测量搜术的几何解释，利用状态圆的位置关系分析 7 斑双瘴l 构建的多状态反射计所具有豹皇身媾性，并且基于各状 态潍嚣心的位爱关系 入了数嚣游估因子，能够骞散地毋髅测量数 据娃保证该系统铡置的高耩瘦 本文豹剖薪之憝在予： 1 利用晶体检波器在线定标方法，使用双魔，构建的多状态反射计进行 实繇铡耋，铡耋结果耱度较高。 2 结合各种系统校准方法，滨绎出适合多状态反射计的绝对功率法粒稚 对劝率法，并基于两种校准方法的几何解释提供了数据评能因子 山东戈拳硕士掌位论文 1m,-i ii i i = _ 日e 目s ! z e s s j 皇 奉论文豹苓足之处在予，系统授准方法仅仅限子两种方法，灏试负载便霞 限于胃变短路器，牧有涉及到其它实际应用。 关键词： 六端口铡量技术；多状态反射计；复反射系数；晶体检波器： 系统梭准；绝对功率法；相对功率法；状态圆：魔t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e mo fm i c r o w a v em e a s u r e m e n ti sb ec l o s e l yl i n k e d w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o w a v e d e v i c e s ，f u r t h e r m o r em i c r o w a v e m e a s u r e m e n t sw i t hh i g hp r e c i s ea n ds p e e d i n e s sa l w a y sd e p e n do nt h er e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o no fp r e c i s ed e v i c e s s i x p o r tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do np o w e r s i sa 虹n do fe f f e c t i v em e t h o dw h i c hi sa b l et op r e c i s e l ym e a s u r et h er e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t so fm i c r o w a v eu n i t s a tt h es a j et i m et h i st e c h n o l o g yc a nb ew i d e l y a p p l i e di nm a n yd o m a i n s 。s u c ha sm i c r o w a v em e a s u r e m e n t ，s e c u r i t yd e t e c t i o n ， i n d u s t r i a ld e t e c t i o n 。a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h es i x p o r tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y h a sb e e nf o c u s e do nb ym a n yr e s e a r c h e r si nm a n yc o u n t r i e ss i n c ei tw a sp r o p o s e d ， a n dh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o o l sf o rm i c r o w a v em e a s n r e m e n t s p e a k i n g f r o m c o m p r e h e n s i v em e a n i n g ，s t u d y o nm u l t i s t a t er e f i e c t o m e t e r c o m p o s e do f d o u b l em a g i c - i s ，w h i c hi sb a s e do ns i x p o r tp r i n c i p l e ，t os o m ee x t e n t h a su s ev a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rt h i sd e v i c ee q u i p p e dw i t hc o m p u t e r a n di n t e r f a c ec i r c u i tc a nc o l l e c ta n dp r o c e s sd a t aw i t ha u t o m a t i o n ，a n di tc a l l m e a s u r ew i t hh a l f - a u t o m a t i o nm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o nm e a s u r e m e n tt h e m i c r o w a v ep a r a m e t e r so f m i c r o w a v eu n i t s ，s u c ha sc o m p l e xr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t s ， a n ds o o n 1 靠t h ef i r s tt h r e ec h n p t e r st h i sp a p e re x p o u n d sf u n d a m e n t a lt h i n g s ，s u c ha s t h er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo fs i x p o r tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , r e s e a r c hs t a t u si n q u oa b o u tt h i sw o r ka tp r e s e n t 。t a s k sih a v ed o n e ，m a t h e m a t i c sk n o w l e d g eu s e di n t h i sp r o c e s s 。f u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n do v e r v i e wo ft h i st e c h n o l o g y i nt h ef o r t h 6 山东大学硕士掌位论文 c h a p t e rt h i sp a p e re x p o u n d st h ec o r r e c t i o nm e t h o d so fd i o d ed e t e c t o r s w h e n s i g n a li s l i t t l et h r e ep o w e r i n d i c a t i n gw a y s v o l t a g ev a l u e sd e t e c t e db yd i o d e d e t e c t o r sj u s tb e i n gu s e da sp o w e r s ，t h em e t h o do fp o w e r - a t t e n u a t i n gc o r r e c t i o n ， a n dt h em e t h o do f s t r a i g h t c o r r e c t i o n a r em e n t i o n e da n dc o m p a r e d ，t h e c o n c l u s i o nd e r i v e df r o mc o m p a r i s o ni st h a tw h e ns i g n a li sl i t t l ea n dv o l t a g ev a l u e s d e t e c t e db yd i o d ed e t e c t o r sa r ej u s tu s e da sp o w e r s ，e r r o rr a n g ec a u s e db yt h i sw i l l b es ol i t t l et ob ea c c e p t e d ，a tt h es a m et i m et h ep a p e rh i g h l i g h t st h em e t h o do f s t r a i g h tc o r r e c t i o na st h em o s ti d e a lc o r r e c t i o nm e t h o do fd i o d ed e t e c t o r s i nt h e l a s tt w oc h a p t e r st h i sp a p e re x p o u n d sd e s i g n i n gs c h e m eo fm u l t i - s t a t e ，m e t h o d so f s y s t e mc a l i b r a t i o na n dr e s u l t so fp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t a st ot h ed e s i g n i n g s c h e m eo fm u l t i s t a t er e f l e c t o m e t e r ，t h ep a p e re x p o u n d sc o m p o n e n t so fv e r yp a r t a n dc o r r e s p o n d i n gc i r c u i t s i nt h es i x t hc h a p t e r b a s e do nb o t ht h ea b s o l u t ep o w e r m e t h o da n dt h er e l a t i v ep o w e rm e t h o ds u g g e s t e db ys i x p o r tt h e o r i e s ，t h ep a p e r d e d u c e st h e c o r r e s p o n d i n gm e t h o d st o b ea c c o m m o d a t e dt ot h em u l t i - s t a t e r e f l e c t o m e t e r ，w h i l eb a s e do nt h ec a l i b r a t i o nm e t h o d sa b o v e ，t w op o w e r - i n d i c a t i n g w a y s p o w e rm e t h o da n dd i o d e d e t e c t o rc o r r e c t e do n l i n e a r ea p p l i e dt o p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ，a tt h es a m et i m ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t sa r ee x e c u t e df o r p r o o f - t e s t u n d e rd i f f e r e n t f r e q u e n c i e s ，a t l a s t g e o m e t r yi n t e r p r e t a t i o n o f c a l i b r a t i o nm e t h o di s a p p l i e dt oe l e m e n t a r yr e s e a r c h o nt h er e l a t i v el o c a t i o n r e l a t i o n s h i po fs t a t ec i r c l e s ，a n d8p a r a m e t e rt oe v a l u a t em e a s u r e m e n td a t ai s p o i n t e do u t e m p h a s e so ft h ep a p e r sc o n t e n ta r cr e n d e r e da sb e l o w ： 1 t h em u l t i s t a t e r e f l e c t o m e t e ri s c o m p o s e d o ft h ec o m m o nm i c r o w a v e d e v i c e s ( i n c l u d i n gm a g i c - t d i o d ed e t e c t o r , m a t c h e dl o a d ，c h a n g e a b l es h o r t d e v i c e ，a n ds oo n ) i nt h el a b ，w i t ht h eh e l po fc o m p u t e rd a t aa r ep r o c e s s e d ，a n d m i c r o w a v em e a s u r e m e n t sa n dd a t a a n a l y s e sa r ep e r f o r m e d w i t hm o r e a u t o m a t i o n ，s p e e d i n e s sa n d e a s et oo p e r a t e t h ep r e c i s i o n so fm e a s u r e m e n td a t a 7 山东大学硕士学位论文 a r em u c hh i g h a n dm u c hm e a s u r c m c n td a t aw i t hr e f e r e n c ev a l u ea r ec o l l e c t e d ， s ot h ep a p e rc a nb er e g a r d e da snh a n d b o o kf o re n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g y p e r s o n s 2 t h em u l t i s t a t er e f l e c t o m e t e r u s e sd i o d ed e t e c t o r sa sp o w e ri n d i c a t o r s d i s p l a c i n gp o w e r s ，a n de n s u r e s t h a tp r e c i s i o n so fr e s u l t sw i t hd i o d ed e t e c t o r s a r em u c hl e s st h a nt h o s eo fr e s u l t sw i t hp o w e r s a st ot h ec o r r e c t i o nm e t h o d s o fd i o d ed e t e c t o r s ，t h i sp a p e rh a sm a d ec o m p a r a t i v e l ys y s t e m a t i ca n do v e r a l l r e s e a r c h ，c o m p a r e da n da n a l y z e dp o w e r a n e n u a t e d c o r r e c t i o nm e t h o da n d s t r a i g h tc o r r e c t i o nm e t h o dt oe f f e c t i v e l yi m p r o v e t h es i m p l i c i t ya n de x a c t n e s s o fc o r r e c t i o na n ds y s t e mc a l i b r a t i o n 3 a sf o rm u l t i s t a t ea n ds i x p o r tc i r c u i t r yc o n s t r u c t e db y d o u b l em a g i c 。t s ， p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t sa r ep e r f o r m e d u n d e rd i f f e r e n tf r e q u e l l l c i e sw i t h i n w o r k i n gf r e q u e n c ys c o p eo fd o u b l em a g i c - i s ，l a wo fc h a n g i n gp r e c i s i o na r e r e s e a r c h e du n d e rm a t c h e df r e q u e n c ya n do t h e rf r e q u e n c i e so fm a g i c - i s t h e c o n c l u s i o nt h a tt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h i ss y s t e mw i l lb ec l o s et oo r e v e nr e a c ht h ei d e a lp e r f o r m a n c ei n d i c e so fs i x p o r tm e a s u r e m e n ts y s t e mh a s b e e nm a d e 4 b a s e do na b s o l m ep o w e rm e t h o da n dr e l a t i v ep o w e rm e t h o ds u g g e s t e db y s i x p o r tt h e o r i e s ，t h i sp a p e rd e d u c e dt h ec o r r e s p o n d i n g m e t h o d st os u i tt h e m u l t i s t a t er e f l e c t o m e t e r a tt h es a m et i m ei nt h er e l a t i v ep o w e rm e t h o d ， t h o u g hp r e s u m p t i o nt h a ts o m es y s t e mc o n s t a n t sk e e p f i x e d n e s sw h e ns y s t e m s t a t ew i l lb ec h a n g e di sm a d e ，t h em e 栅e m e mp r e c i s i o ni so b v i o u s l yb e t t e r t h a nt h o s eo ft h er e l a t i v ep o w e rm e t h o d 8 5 b a s e do nt h eg e o m e t r yi n t e r p r e t a t i o no fs i x - p o r tm e 私l l r c m e n tt e c h n o l o g y ， t h i s p a p e rh a sa n a l y z e d t h es e l fc h a r a c t e ro fm u l t i - s t a t e r e f l e c t o m e t e r c o n s t r u c t e db yd o u b l em a g i c - tt h r o u g ht h el o c a t i o nr e l a t i o n s h i po fs t a t e 山东大学硕士学位论文 c i r c l e s a tt h es a m et i m eb a s e do np o s i t i o nr e l a t i o n s h i po fc e n t e r so fs t a t e c i r c l e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa ne v a l u a t i n gp a r a m e t e rf o rm e a s u r e m e n td a t a , w h i c he n a b l e su st oe f f e c t i v e l ye v a l u a t em e a s u r e m e n td a t at oe n s u r eh i g h p r e c i s i o no fs y s t e mm e a s u r e m e n t i n n o v a t i o n so ft h ep a p e ra r er e n d e r e d 髂b e l o w ： i o n l i n ec o r r e c t i o nm e t h o do fc r i t i c a l d e t e c t o ri s u s e d ，p r a c t i c a l m e a s u r e m e n t sa r ep e r f o r m e dw i t hm u l t i s t a t er e f l e c t o m e t e rc o n s t r u c t e db y d o u b l em a g i c - i s ，t h ep r e c i s i o n so fm e a s u r e m e n tr e s u l t sa r em u c hh i g h 2 t h ea b s o l u t ep o w e rm e t h o da n dt h er e l a t i v ep o w e rm e t h o da r er e d u c e dt o s u i tt h em u l t i s t a t er e f l e c t o m e t e ri na c c o r d a n c ew i t hm a n yk i n d so fs y s t e m c a l i b r a t i o nm e t h o d s ，b a s e do nt h eg e o m e t r yi n t e r p r e t a t i o no fc a l i b r a t i o n m e t h o d sad a t u m - e v a l u a t i n gp a r a m e t e ri sp r o v i d e d s o m es h o r t c o m i n g sc a l la l s ob ef o u n di nt h i sp a p e r , s u c ha sj u s tt w os y s t e m c a l i b r a t i o nm e t h o d s ，j u s tt h ec h a n g e a b l es h o r td e v i c eu s e da snt e s t e dl o a d ， a n dn oo t h e rp r a c t i c a lm e a s u r e m e n ti n v o l v e d k e yw o r d s ：s i x - p o r tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ；m u l t i - s t a t er e f l e c t o m e t e r ；c o m p l e x r e f l e c t i o nc o n s t a n t ；d i o d ed e t e c t o r ；s y s t e mc a l i b r a t i o n ；a b s o l u t ep o w e r m e t h o d ；r e l a t i v ep o w e rm e t h o d ；s t a t ec i r c l e ；m a g i c t 山衰大学硕士学位论文 第1 章引言 微波的弱功率应用，主要体现在对电量和非电量的测量；基于微波弱功率 的测量技术水平高低和微波测量仪器的先进与否紧密相关，因此研制出精确度 高，切实可行的测量设备以提高微波实验水平，具有一定现实意义 第1 节研制六端口测量设备的现实意义 目前，微波测量技术的发展与微波仪器的发展息息相关，同时微波仪器的 发展趋势是宽频带、自动化、智能化和具有自身接口碍1 计算机辅助测试系 统( c a t ) 能够较高精确度地自动测量阻抗和网络参数等微波参数，其测量速 度比常规测量有大幅度地提高自动网络分析仪( a n a ) 大都利用某种变频方 式将微波信号变换到低频上进行幅度和相位测量，测试结果精密度高，测试速 度快；但是其设计方案需要相当复杂的电路和技术，造价昂贵六端口测量技 术自1 9 7 2 年由美国科学家恩格( e n g e n ) 和霍尔( h o e r ) 提出以来，因其自身 的优点而备受青睐，一直受到微波溯量领域人士的关注因此在现代微波测量 技术中，自动网络分析仪和六端口测量技术是两种最重要的微波测量工具“1 六端口技术能够适应于低频至毫米波以至于光频范围的宽频带测量，能够 高精度和自动化地进行测量，能够直接采用任意的微波六端口网络，并用以幅 度测量代替相位测量，极大地降低了对微波元器件加工精度的要求 六端口技术能够测量待测负载的复反射系数，能够测量功率、传输相位和 散射参数等几乎所有的微波参数它不仅可以作为计量标准使用，也可以用于 微波实验室甚至工厂生产线上作自动网络分析，成为一种低价格、高性能的广 泛使用的测试系统 比较成熟的六端口测量技术已经在汽车雷达防撞系统的研制开发方面得 到了实际应用利用六端口测量技术中以幅度测量代替相位测量的优势，并结 合多普勒效应，可以实时和准确地确定行驶汽车之间的距离和相互方位，从而 避免撞车和追尾等各种交通事故的发生基于六端口技术的汽车雷达防撞系统 山东大学硕士学位论文 市场前景光明，因此目前该项研究，是国内外高校积极研发的一个重要课蹶 现代高速率通信，要求必须有宽频带的终端接收机，基于六端口技术的接 收装置是接收结构的理想替代品，这是近几年国内外期刊积极探讨的重要课 题 根据六端口技术的自身优点和研究此课题的长远意义，利用实验室现有的 微波设备与器件，组成能够达到一定测量精度要求，并且能够真正用于教学和 科研的测量装置；利用当前已有的六端口技术演绎出切实可行的系统校准方 法，并且考察该系统和微波元器件在测试过程中应注意的事项以降低误差和提 高测量精度，从而保证科研和实验中测量结果的可信赖度 第2 节六端口技术国内外研究的现状 在国内外学术期刊所发表的有关研究六端口技术的大量著作中，基本上可 以归纳为以下四大类 第一类是关于六端口测量系统的构建： 早期的六端口测量系统是利用3 d b 定向耦合器( 也称为正交混合接头) 、同 相公分器或者同相反相混合接头等微波元器件构建而成。 随着混合微波集成电路( 又称咖i c ) 和单片微波集成电路( 又称w m i c ) 技术的成熟，出现了微带六端口测量系统佰、；该测量系统具有较好的稳定性， 测试结果精确度高 上述两种六端口系统需要四个功率计或者四个检波器来获取功率值总的 来说，构建上述六端口测量系统所需要的微波元件较多。同时需要四路信号采 集电路，因此构建系统的成本较高，但系统校准和测试过程较简单 后来，出现了利用五端口节构建的六端1 3 反射计系统1 和将六端口反射计 等效为四端口反射计的多状态六端口反射计“1 多状态六端1 ：3 反射计将功率计 l i 山东大掌硕士拳位论文 的数目由4 个减少为2 个和信号采集的电路路数由四路变为两路，电路结构较 简单和造价较低廉，但是系统校准和实际铡试过程比较繁琐 此外，还有利用双六端口构建的网络分析仪“” 第二粪是研究六端口测量技术的系统校准方法和系统常数的自校正方法 的著作： 最初，有诸如相对功率法、绝对功率法、w - s - h 法和r b 法等常规校准方 法；有如h o e r 法等数值解法；有利用双线性变换等数学工具的图解校准方法 等等“以上几种校准方法，一般使用五个标准负载来进行系统校准 随着制作工艺水平的提高，出现了根据六端口系统自身特有的网络散射参 数而设计的系统校准方法。 另外，为了降低系统校准时给实际测量带来的误差，出现了系统常数的自 校正方法，如l b 自校准法、- 一s 自校准法和单标准自校准法等等1 当然，多状态六端口反射计的系统校准方法是具有自身特色的校准方法， 在某种程度上区别于常规系统校准方法 第三类是晶体检波器代替功率计以实现自动测量的著作： 一般晶体检波器的电压一电流特性曲线是非线性的，因此在对六端口测量 系统校准前，有必要对晶体检波器进行定标其定标方法有由精密衰减器控制 的衰减法、分段定标法“钉和相对功率的衰减法等。 第四类是六端口测量技术具体应用的著作： 测量介质材料的介电常数m 1 和磁导率，测量某种材料的含水量泔4 1 等当 然这类应用的系统校准方法和一般的六端口测量系统校准不同，但有一定的相 似之处 山东大学顽士学位论文 第3 节本文所做的工作 本文研究了一种测量复反射系数的六端口测量技术多状态反射计，这 种反射计以六端口理论为基础，采用双魔t 构建多状态六端口电路，利用晶体 检波器在线定标代替功率计作为功率指示计。采用演绎的绝对功率法和相对功 率法进行系统校准，并基于两种校准方法的几何解释研究了状态圆的位置关 系对该多状态反射计的系统校准和实际测量等进行了编程，形成了一整套易 于操作的系统软件 对于晶体检波器的定标方法，本文对功率衰减定标法和直接定标法进行了 研究，并分别利用这两种定杯方法分别进行了实际测试，同时将两者的测试结 果进行对比分析，力求找出适合多状态反射计的晶体检波器定标方法。 对于多状态反射计的校准方法，本文基于六端口理论中的绝对功率法和相 对功率法演绎出了适合该反射计本身的系统校准方法，并利用这两种校准方法 分别进行了实际测试和分析比较；同时对于每种校准方法，都采用了功率计法 和晶体检波器在线定标两种功率指示方式进行实际测试。 本文对由双魔t 和晶体检波器构建的多状态反射计在不同频率下进行了实 际测试得出了使用该系统进行实际测试的注意事项。基于六端口测量技术的 几何解释，利用状态圆的位置关系分析了该反射计所具有的自身特性，同时基 于各状态圆的圆心的位置关系引入了数据评估因子，能够有效地评估测量数据 以保证该系统测量的高精度性 山东大学硕士学位论文 第2 章数学准备知识 在六端口测量技术中，特别是在系统校准中。经常会遇到一些解线性方程 组的问题在解线性方程组的解法中，有数值解法( 如：高斯消元法) 和克莱 姆法等，但是，为了减少实际测量中引入的误差，有必要使用最小二乘法来优 化系数矩阵 第1 节克莱姆法则 对于片个未知数的n 个线性方程组“： c l t , x f + d 1 2 x 2 + + d | r = b l n ：芦i + o ：x 2 + + o ：n x r = b ： o _ 芦i + o t 2 x2 + + o _ x - = b n i 口j ，口 口h 。i 口，口口。 4 产i i | 口- ，口。? 口。 ( 1 ) 当h d 时，方程组( 2 1 1 ) 有唯一解 毛= 而i a , i r 加九j ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) h l 表示系数行列式中第t 列元素由常数列匿 取代所得的行列式那么对于 一个可操作的六端口测量系统的校准过程中的线性方程组，理应属于这种情 况 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 肖h ；口时，方程组( 2 1 1 ) 无解或者无穷多解 第2 节最, j 、- - 乘法解线性方程组 设有肘个数据点 k ，儿) ，并给定n 个线性独立函数饥似片为了求解 ，个 系数，使用由线性组合形成的函数荆，表示为： f c x ) = c ，f a x ) j - 求解最小误差平方和，表示为： ( 2 2 1 ) m mn e 0 ，c ：，c ，) = z c f ( x 。) 一以) = “c ，( 以) ) 一儿) ( 2 2 2 ) k - i i “j - l 为了求解的最小值，每个偏导数必须为零( 即- a e ；0 ，f ：j ，z ，n ) ，这样 卯 就可以得到如下方程组： m ( cj ，j x t ) ) 一y 。) ( f i ( x t = o i = 1 , 2 n ( 2 2 3 ) k - i i = 1 交换式( 2 2 3 ) 中的求和顺序，可得一个mx m 线性方程组，其中未知数 为系数k ， ，该线性方程组称为正规方程组： m = z 亿肌，= 1 , 2 ，n ( 2 2 4 ) k 1 式( 2 2 4 ) 是一个有膨个未知数肘阶线性方程组，将之表示为矩阵形式， 比较形象直观首先构造矩阵，和其转置矩阵，r ： 咖 i 似 i 似z 。州 r m m 山东大学硕士学位论文 f = l i l x i ) “x | 卜 l x | f | i x2 ) f ! x ：) f n x l 。- f , c x | ，z x ) ，n x - 1 ) j l x q ) j l ( x h ) n i h ) l | x 1 ) l x 1 ) l l x m 1 ) ，l x h ) 1 2 ( x 1 ) 1 2 t x l f t t x h 1 ) f t ( x h ；：lo w | x | ) f ”1 x ! ) j q 1 x h 1 f n 1 x h f w l x i ) f h x2 ) q x u l ，n l x w 那么式( 2 2 4 ) 就可以表示为： f 7 f c = f y ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 因此，利用最小二乘法求解线性方程组“川，首先构造出相应的独立函数 并将之表示为，同时计算出f f 7 和，7 y ，然后可以利用克莱姆法则求解线性 方程组：该种方法能够保证测量误差降低到最小 第3 章六端口技术的基本原理及其概况 六端口技术是7 0 年代发展起来的一项微波测量技术，它的诞生和发展历 程是现代科学技术，尤其是计算机技术应用于微波网络分析领域所取得的成 果经过三十多年的各国科学工作者的研究和实践，在理论分析和设计、系统 构成、定标方法以及误差分析等方面均趋于成熟。目前该技术已经广泛地应用 于微波计量、安全防护和工业检测部门 第1 节任意六端口理论 简单地说，六端口测量系统是一个由波导元器件和微带线等构成的，具有 六个臂或者六个端口的波导结：其中两个端口接信号源和待测负载( 或标准负 载) ，其余的四个端口则接功率计或者检波器。用于提取随待测负载不同而不 同的功率值或电压幅值；通过适当的系统校准，若测试端接未知负载，则根据 1 6 山东大学硕士学位论文 四个检波器( 功率计) 的读数就可以确定测试端未知负载的幅度和相位 这种六端口测量技术在测量思想和测量方法方面。与传统微波网络参数测 量方法相比，具有独特的优越性 o ；日 图3 - 1 - 1 六端口技术的测量思想框图 寻；日 图3 - 1 - 2传统测量思想框图 如果待测量( 如复反射系数) 看作是测量系统的输入，用矢量x 表示；把 测量系统的检测量( 如功率) 看作是系统的输出，用矢量y 表示；则六端口测 量技术与传统测量思想可以用图3 - 1 - 1 和图3 - 1 - 2 表示 在图3 - 1 2 中，传统的测量技术不可避免地存在以下几个缺点： 1 由于从；恢复到；是采用硬件方法，因此，由；变换到歹的硬件数 学模型不可能很复杂，必须十分简单，最好是线性。这就要求必 须有理想元件双定向耦合器法就是典型的例子对于这种方法， 输入；是反射系数的模值，输出y 是两个检波器的读数，x 变换到 ；硬件是反射计，歹变换到；硬件是比值计组成反射计的定向耦 合器必须提高方向性和强耦合度 2 理想器件是难以实现的，为了让不理想的元件具有理想的性能，这 就需要用可变调配器按一定的程序细心地反复地进行调配，如调配反 射计法，这就导致了测量技术的繁琐化 1 7 山东大学硕士掌位论文 3 如果从x 变换到y 的硬件难以以简单的数学模型实现，那么y 恢复 到x 的硬件结构相应地就要十分复杂，如矢量网络分析仪中为了提 取相应相位信息而采用复杂的变频技术 4 此外。为了能够利用硬件精确地从y 变换