高频相移器测试方法研究

孟令刚，赵晓嫣

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

高频相移器测试方法研究

孟令刚，赵晓嫣

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

为解决高频相移器的溯源问题，在介绍相移器工作原理基础上，分析高频相移器的相移准确度、绝对相位测量准确度、插入损耗和电压驻波比等性能指标。利用网络分析仪、校准件、低失真信号发生器和高准确度相位计搭建相移器的测试平台，阐述相移器的基本校准方法和校准步骤。通过建立不确定度传播率的数学模型，分析相移器的相移参数测量的不确定度分量来源，从而对被测相移器核心参数的准确度进行不确定度分析和评估。实现高准确度相移器的溯源方法，提高信号相移控制的准确度。

相移；相位测量；插入损耗；不确定度

0 引 言

相位是无线电计量领域的重要参数之一。与衰减测量相比，相位测量的准确度更难以控制。相移器是测量相位的重要仪器和基本器件，其中高频相移器广泛应用于各种通信、微波和雷达系统[1]。随着电子技术的发展，相位测量方法和测量技术也逐渐完善，就技术手段而言，主要有FPGA/CPLD，DSP以及PLD/PLL技术。在相位测量领域，美国一直处于领先水平，主要有Agilent、Tektronix及DRANETZ实验室，德国、英国也有较高的水平。由于我国相位测量起步较晚，国内主要有天津中环电子、中国计量院和国防科工委等研究机构，主要针对低频相位计的测量。因此，为了保证高频相移器的测量准确性，本文在对高频相移器原理分析的基础上，对此类仪器校准方法进行研究，并进一步探讨其核心参数的不确定度分析和评估，为同类仪器的校准和测试提供必要的技术依据[2]。

1 测试原理及方法

高频相移器是用来改变传输信号相位的器件，一般分为模拟式和数字式两大类。模拟式相移器相移量连续可调，数字式相移器的相位控制只能阶跃变化。相移器位数越多，对相位的控制越精细，相移器本身的控制电路与结构也越复杂[3]。

相移器的作用是为了改变信号的相位。当信号通过长度为l的均匀传输线时，就会产生相应的相位移量，其相移为

当机械长度改变Δl时，产生的相移差值为

可见，要改变Δφ，只能有两个途径[4]：改变传输线长度l或改变波长λg，而λg主要取决于介电常数ε。因此为了满足特定的需求，通常会要求微波信号的相位在特定范围内改变，这就需要设计专门的相移器[5]。实际上，相移器正是通过改变电介质对微波信号传导的影响或改变波长来实现对信号相位的调节。对相移器的基本要求是信号通过时产生相位移量可以调节，尽量少的产生插入损耗[6]。

2 校准方法

2.1 主要性能指标

相移器主要的性能指标有：工作带宽、功率范围、相移范围、相位误差、插入损耗、电压驻波比等。

2.2 校准方法研究

以narda的高频相移器3752为例，探讨高频相移器的校准方法。校准所用到的设备主要有网络分析仪、校准件、低失真信号发生器、相位计。

2.2.1 相移准确度

相移量是相移器的核心技术参数，是评价相移器质量优劣的主要指标。目前网络分析仪已经能够实现准确度0.2°的相位测量，基本能够满足大部分相移器的测量要求。

首先，使用网络分析仪前必须用校准件进行校准，这一点对相位测量来说非常重要。在高频段，测量系统和测量线、转接头能够引入不可忽略的相位测量误差。其次，选择需要检的频率点，将相移器调制0位，从网络分析仪读取相位初始值φ0，调节相移器至规定的相位值（比如30°)，记录此时相位值φ1，相移值Δφ=φ1-φ0。调节相移器至不同相位值，分别记录各点相位值，从而得出各点的相移值[7]。然后，针对不同的频段，重复上述步骤，得到不同频段的相移量测量值。

由于目前生产的相位计均为低频相位计，在高频段相位测量领域，只能应用网络分析仪进行相位测量。网络分析仪是集相位发生器和相位计为一体的微波测量仪器，目前能够满足高频段相位测量的需求。

2.2.2 绝对相位测量准确度

绝对相位测量与相移量测量类似，不同的是，绝对相位的测量仅仅需要记录不同相位的实测值，并不需要减去零位相位值。

2.2.3 插入损耗

理想的相移器是在改变信号相位移的同时，尽可能少的产生插入损耗。相移器的插入损耗，是此类仪器校准的重点部分。采用直接测量的方式，用网络分析仪对相移器的插入损耗进行测试。网络分析仪使用前必须使用校准件进行校准[8]。

校准插入损耗实际上就是对仪器传输系数的校准。当对传输参数S12，S21测量时，通过内部的射频开关将测试系统配置为传输测试系统，如图1所示。

图1 传输参数测量系统

当测量传输参数时，被测件（DUT)插接在端口1（PORT1)和端口2（PORT2)之间，通过射频开关切换可以测量S12或S21。

以S21为例，得到：

通过在端口1和端口2之间的短接，校准后可以消除系数，由此得到测量结果T/R的复数比值，从而得到被测件的传输参数S21。

经上述校准后，插入损耗的测量不确定度主要来源于网络分析仪准确度、被测件的测量重复性和测量端口失配等。

2.2.4 电压驻波比

电压驻波比产生主要源于接口阻抗不匹配，是与回波损耗相关联的技术指标。网络分析仪是校准此项参数的常用设备。电压驻波比测量过程与插入损耗相似，在此不做详细论述。

3 不确定度分析

相移器主要是用来改变传输信号相位的仪器，所以这里仅就核心参数相移准确度校准不确定度进行分析。

3.1 数学模型及不确定度传播率

3.1.1 数学模型

式中：S1——网络分析仪的显示值；

S2——相移器的标称值；

δS——相移器的示值误差。

3.1.2 不确定度传播率

式中，灵敏系数c1=∂S/∂S1=1，c2=∂S/∂S2=1。

3.2 标准不确定度的来源及评定

相移器相移参数测量的不确定度分量来源主要有测量重复性引入的标准不确定度、标准器测量准确度和相移的分辨率引入的不确定度。

3.2.1 测量重复性引入的标准不确定度u（S1)

测量重复性不确定度采用A类方法评定。用网络分析仪对相移器在2GHz频率点重复测量10次，每次测量前均进行校准，得到测量列，如表1所示。

表1测量数据

根据贝塞尔公式

3.2.2 标准器引入的标准不确定度u（S2)

采用B类方法评定。当频率2GHz时，网络分析仪的相位测量不确定度u=0.2°，u（S2)=0.2°。

3.2.3 相移器失配引入的不确定度u（S3)

微波测量系统通常都存在失配问题。引起失配的因素很多，阻抗失配引起电压驻波是其中的一个重要因素[9]。采用B类方法评定。当频率2GHz时，由于失配引入的最大误差为0.4°，服从反正弦分布，所以此项不确定度分量u（S3)=0.3°。

3.2.4 相移器分辨率引入的不确定度u（S4)

采用B类方法评定。相移器最小读数刻度为1°，在±0.5°的区间内电平值以等概率任取一值。该测量值落在该区间为均匀分布，取包含因子为则

3.3 合成标准不确定度与扩展不确定度

合成标准不确定度为

扩展标准不确定度为

4 结束语

本文介绍了高频相移器的工作原理和技术指标，搭建了相移器的测试平台，并以narda 3 752高频相移器为例，详细说明主要技术参数的测量方法，通过分析测量不确定度的来源，进而详细论述了具体的评定过程。文中的关于高频相移器的校准方法和不确定度评定方法的研究，可为国家制订统一的校准规范提供技术方法和实验数据参考。

[1]汤世贤.微波测量[M].北京：北京理工大学出版社，1990：50-74.

[2]张光义，王德纯.空间探测相控阵雷达[M].科学出版社，2001：15-90.

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[7]Joines W T.A continuously variable dielectric phase shifter（correspondenc)[J].Microwave Theory an Techniques，1971，8（19)：729-732.

[8]Liu Y，Borgioli A.K-bnad 3-bit low-loss distributed MEMS phase shifter[J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters，2000，10（10)：116-127.

[9]刘庆想，葛名立，袁成卫，等.一种新型高功率微波相移器[J].强激光与粒子束，2005（4)：569-574.

The calibration method and uncertainty analysis for HF phase shifter

MENG Linggang，ZHAO Xiaoyan
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

Phase shifters are important instruments to measure the phase.To solve the traceability of high-frequency phase shifters，the working principle of phase shifters was introduced in this article and the main technical index analyzed，including phase shifting accuracy，phase measuring accuracy，insertion loss and voltage standing-wave ratio.A network analyzer，along with a calibration kit，a low distortion signal generator and a high precision signal generator，was used to build a phase measuring platform.And the basic calibration method and calibration steps were expounded.The uncertainty analysis and evaluation were carried out for the accuracy in core parameters of the measured phase shifter by establishing a mathematical model for uncertainty propagation rate and by analyzing the source of uncertainty components measured with the phase shift parameters of the phase shifter.Hence，the source of the high-frequency phase shifter has been traced and the accuracy in signal phase-shift control has been improved.

phase shifter；phase measuring；insertion loss；uncertainty

A

：1674-5124（2015）10-0027-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.006

2015-02-17；

：2015-04-02

孟令刚（1980-)，男，河北唐山市人，工程师，硕士，主要从事无线电专业的计量校准工作。