微波谐振腔品质因数测量方法改进研究

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1、第40卷第1期2010年1月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．1Jan．2010微波谐振腔品质因数测量方法改进研究程泉明，许家栋，韦高，刘萌萌(西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129)摘要：提出一种用于测量微波谐振腔品质因数的标量反射系数平均法。建立简化的等效电路模型，对不同算法进行研究，发现修正标量反射系数法不受离散误差影响但比矢量法误差大，得到标量反射系数平均法，并利用矢量网络分析仪实测了底置式谐振腔，实验结果表明，标量发射系数平均法在准确性和稳定性方面均有一定的优越性

2、。关键词：标量反射系数平均法；品质因数；谐振腔；微波测量中图分类号：0242．2文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)01—0108．03引言品质因数Q是微波谐振腔的一个重要参数，它表征一个微波谐振腔的频率选择性的优劣以及谐振腔的储能与损耗之间的关系。它定义为在谐振时腔中储能W与一个周期内腔中损耗能量睇之比的2wt倍‘¨，即n，'形u=2订瓦谐振腔品质因数的测量主要采用扫频测量，包括传输法和反射法。反射法由于系统简单，单端口测量引入误差较小，已经成为目前工程上普遍采用的一种Q值测量方法。本文将针对其中的三种算法传统标量反

3、射系数法、修正标量反射系数法和矢量反射系数法在理论和实测中进行研究，提出了一种改进的标量反射系数平均法。1算法分析标量反射系数法是将待测腔作为单口网络接在网络分析仪的测量端口，在其谐振点附近测出反射系数I厂I随频率厂变化的曲线，进而求得谐振腔品质因数Qo。传统法[21从谐振曲线的半功率点人手，算式为：Qo=fo／a,(2)其中，af=五-f,，是腔体吸收功率的半功率带宽，即门∽)，厂∽)对应于曲线上的反射系数：嘶矿坩圳：：掣(3)其中，ro为谐振时的反射系数。修正法‘31可选取任意测量点的fr(A)I和l厂(f2)l，算式为：(B

4、(4)其中，p0和P分别为谐振时和谐振频率附近任意f处的驻波比，口是腔体与外电路的耦合度。矢量反射系数法H1即临界点法，采用矢量网络分析仪来测量输入阻抗圆图，根据圆图上的两个临界点、一个谐振频率点和一个失谐交叉点来计算Q。。设谐振腔的等效输入阻抗z在直角坐标系下的曲线如图1所示，图I谐振腔等效阻抗曲线图工和五分别对应阻抗虚部最大值和最小值的频率囊和五为曲线交点的频率。根据矢量反射法，测出收稿日期：2009—08—14作者简介：程泉明(1982一)，男，山东烟台人，硕士研究生，研究方向为微波测量。2010年1月程泉明等：微波谐振腔品质因数

5、测量方法改进研究·109·Z～六后，微波谐振器的品质因素Q。为：fo=∽+五)／2Q。=IxILlI^一五I吒／IZ一五I其中，S11(dB)曲线，分别采用传统标量法、修正标量法(取(5)测量点l厂∽)I=I，∽)

6、-2IFoI／31)和矢量法计算(6)Q值并做出曲线如下：菇2=b-2a-l+q／(b-二2～a。-十1。)2J-4(b+a)(a-1)(7)3一厶LD十BI

7、)口=1+—f2+fi22+2f—以-4fgr42(ff3+fr／4+f：f3+fzf4+4fxf4)(8)口。l+——(8)6=(等警)2㈣况=∽一五)编(10)D

8、I=(1+6女／2)／(1+艿I)i11)传统标量法选取半功率点作为测量点，若腔体受外界干扰较大会引入误差，修正标量法可灵活选取测量点，从而消除外界干扰的影响。矢量法较标量法复杂。但包含的信息大于标量法．测量的精度会高一此。2算法改进研究理论匕建立微波谐振器等效电路模型‘51如图2所示。23图2微波谐振路等效电路为获得与实测高Q腔相近的Q值，取R。=1000Q，Lo=1pH，R。=2Q，X。=0．016p,H，一般情况下磊=R，=50Q，选取8—12G范围内八个谐振频率点生成删譬坦寸露剐圻磲凝啖姝曲图3理论Q值对比图曲线横轴为八个谐振频

9、率点，纵轴为三种方法Q值(‘O’为传统标量法、‘+’为修正标量法、‘△’为矢量法)与理论Q值(10000～20000)的差值，从图中可以看出，传统标量法误差较大，修正标量法和矢量法较准确。传统标量法和矢量法差值曲线有弯折，是离散误差所致。可见，矢量法最准确，但易受离散误差的影响，而修正标量法不受离散误差的影响，却没有矢量法精度高。标量反射系数平均法是在修正标量法的基础上，选取s11(dB)曲线上各个位置作为测量点算出对应的Q值，找出Q值变化比较小的一段将其平均值作为最终的Q值，理论上应有更高的精度且不受离散误差和随机误差的影响。以谐振腔

10、的一个谐振点的实测Sll(如图4)为例，说明研究方法。捌◇啦篷啖缺如图4实测S11图5各测量点的Q值曲线图6实测Q值对比图选取各个测量点算出的Q值曲线如图5所示，由图可知，测量点临近0dB处，由于外界耦合的