衰減測量

衰減測量時對電信號通過系統或設備所受衰減值的測量。是衡量通信設備或器件傳輸電性能的重要技術手段。

基本介紹

• 中文名：衰減測量
• 外文名：attenuation measurement
• 套用學科：通信
• 重要意義：衡量通信設備和器件傳輸的電性能

定義

衰減測量是信號通過傳輸系統的無源網路後電平降低程度的測量。在一個阻抗匹配的無反射的傳輸系統中，某種元件或器件插入前後負載上得到的功率之比的分貝值稱為衰減，常用分貝（dB）表示。這個無量綱參量表征元件、器件的傳輸特性。

分類

根據條件的不同，衰減有固有衰減、工作衰減、介入衰減以及傳輸衰減四種。

衰減作用分類

任何一個網路對電磁波的衰減作用都可分成兩部分：一是衰減材料吸收和耗散的能量，稱耗散衰減；另一部分是被它反射的能量，稱反射衰減。在一個阻抗不匹配的系統中，元件、器件插入前後負載上得到的功率之比的分貝值，稱為插入損耗。對於不同失配情況的傳輸系統，同一個元件、器件的插入損耗是不同的。
在雷達、通信、導航等系統中，都要考慮功率在傳輸中的損耗問題和接收信號的靈敏度問題，因而需要進行衰減測量和計量。在電子儀器和電子元件、器件的研製生產中,衰減是一項重要的技術指標。在建立功率、噪聲標準以及其他無線電和微波參量的計量中，也經常靠衰減計量技術測定有關的技術性能指標。

測量

一般的 衰減測量主要有三種方法：替代法、阻抗法和絕對法。

替代法

替代法是在實踐中套用最廣的一種衰減測量方法。按標準衰減器的工作頻率又分為直流替代法、低頻替代法、中頻替代法、高頻替代法和調製副載波法。前兩種方法由於檢波元件的線性範圍所限，一般僅適用於測量0.01～30分貝範圍內的小衰減量。
①　直流替代法：用測熱電阻或二極體作為檢測元件，將微波功率的變化變換成直流功率的變化，用電阻分壓器作為標準衰減器，測定被測衰減量。
②　低頻替代法：對高頻或微波信號源進行低頻調幅。調製信號通過被測元件後經檢波器變換成低頻信號，用低頻標準衰減器衰減量的變化替代被測衰減量。
③　中頻替代法：用外差混頻法將高頻信號或微波信號線性地變成中頻信號，用中頻標準衰減器的衰減量替代被測衰減量。中頻替代法有串聯和並聯兩種工作方式。串聯中頻替代法是將被測衰減器與標準衰減器串聯；並聯中頻替代法是將標準衰減器的參考通道與測量通道相併聯（圖1）。並聯法的明顯優點是量程大、誤差小，所以套用也最廣泛。一般衰減檢定裝置用截止式衰減器作為標準，中頻為30兆赫（或60兆赫），量程達100分貝,在50分貝內的準確度達±0.01分貝/10分貝～±0.001分貝/10分貝。隨著鎖相技術和頻率合成技術的發展，低中頻替代技術得到廣泛套用。用二個同步鎖相信號源或二個微波頻率綜合器進行差拍混頻，將中頻降低到幾十千赫以下，用音頻的感應分壓器作標準衰減器，可將衰減測量的精確度提高約一個數量級。採用中頻矢量替代法，量程可達140分貝左右。
④　高頻替代法：將被測衰減量與工作在同一頻率的高頻標準衰減器的衰減量進行比較。這種方法的優點是對檢測系統的線性沒有要求。
⑤　調製副載波法：把來自同一信號源的連續波信號分成兩路，主載波通道是連續波信號，副載波通道是經低頻調製的含有副載波分量的調製信號，這一通道的信號通過被測件後與主通道的連續波信號在檢波器上進行相關合成檢波。在一定條件下，檢波輸出的低頻信號幅度正比於副載波信號的幅度。因此可用低頻的感應分壓器作標準衰減器，用替代法實現衰減測量。這種方法常用於校準精密的波導迴轉式衰減器。

阻抗法

根據傳輸線中的反射或駐波與被測衰減量的關係來實現衰減測量。阻抗法的優點是不需要標準衰減器。阻抗法又分為散射參量法、調配反射計法、值法和駐波法。
①　散射參量法：任意一個被測件可看作是一個二連線埠網路，可以用網路分析儀或標量分析儀測出網路的散射參數，從而得到被測件的衰減量。網路的散射參量與衰減量A之間的關係是A=A_D+A_R,式中A_D為被測網路的耗散衰減,；A_R為被測網路的反射衰減，。

式中為被測網路的耗散衰減,；為被測網路的反射衰減，。
②　調配反射計法：用精密阻抗測量系統──調配反射計分別測出耗散衰減和反射衰減，從而計算出被測網路的衰減量。
③ 值法:用於精確測量均勻波導段每單位長度上的衰減。用非接觸式短路器放在被測波導內構成一個腔，調節短路器之間的距離得到不同的諧振點。在每個諧振點上測出腔的值，作出1/對1/的圖形,得一條直線，根據它在 1/軸上的截距可以算出波導的單位長度的衰減。
④　駐波法：精確度低，套用較少。

絕對法

利用衰減量與電平的相對變化有一定對應關係的原理來實現衰減測量，又分為功率比法、自校準法和超導量子干涉法。
①　功率比法：按衰減定義來確定被測件的衰減量。用功率計直接測量被測件接入無反射系統前後負載上所得到的功率，按定義算出衰減量。這種方法精確度較低。
②　自校準法：利用功率倍增的方法給出一個準確的比值和相應的衰減值,用於校準被測衰減量。根據所採用的測量電路分別有三臂電橋法、定向耦合器法等。自校準法的缺點是只能測固定的衰減量如3.01分貝，6.02分貝等。
③　超導量子干涉法：利用量子衰減器──基於約瑟夫遜效應製成的超導量子干涉器件測量射頻衰減(圖2)。它是工作在液氦溫度下的超導環，經被測衰減器輸出的射頻信號輸入到超導環的耦合電路時，環中的磁通量發生周期變化，從而使它呈現的微波阻抗也周期地變化。因此，當加入微波信號時，其反射功率隨耦合電路中的電流以貝塞爾函式關係周期地變化。通過對貝塞爾函式零點的檢測，根據貝塞爾函式的根值確定被測衰減量。為了測量62分貝衰減量，必須覆蓋 900個零點。這種方法提供了測量衰減的自然基準。

工作衰減的測量方法

實際測量中，衰減測量以工作衰減為主，測量工作衰減的方法有直接電平測量法和比較法兩種。

（1）直接電平測量法：使用高阻抗電平表，如圖（a）所示。測量四端網路的輸入電平P1和輸出電平P2。必須使用電源內阻Zs=四端網路的輸入阻抗Zin。則（P1-P2）=工作衰減ap。如ZR=Zc，則ap=固有衰減a且Zs=Zin=Zc。

（2）比較法：在圖（b）中，首先將電鍵K倒向“比較”側，電平表LM讀值為A。然後將K倒向“調整”側，調節可變衰減器ATT，使電平表仍指示為A。則ATT的讀值就等於被測四端網路的工作衰減～。如ZR=Zc，必然使Zs=Zin=Zc，ATT的讀值a0就等於被測四端網路的固有衰減a。

直接電平測量法測量簡便，可在不同地點測量輸入、輸出電平，用於通信電路噪聲、串音的測量，其精度低於比較法，決定於所使用的電平表精度。

衰減器

在替代法中用作計量標準的衰減器有以下幾種分類方法：
（1）按工作原理可分為電阻分壓式衰減器、截止式衰減器、迴轉式衰減器和吸收式衰減器。
①　電阻分壓式衰減器：精密電阻分壓器頻率範圍為直流到10千赫左右，精確度為10～10。
②　感應分壓式衰減器：感應分壓器的原理類似自耦變壓器,一般工作頻率為30～10千赫，精確度可達10～10。精確度稍降低時頻率也可達到1兆赫。
③　截止式衰減器（活塞式衰減器）：由一段圓波導構成，兩端分別裝有發射和接收耦合裝置。當頻率低于波導最低截止頻率的電磁波沿波導傳播時，即沿軸向呈指數律衰減。因此，根據兩個耦合裝置間的距離可以精確計算出衰減量。一般採用光學讀數系統，可作為中頻替代法衰減校準裝置中的標準衰減器。中國採用雷射測長和數字讀數系統的高精度截止式衰減器作為中頻衰減標準。
④　迴轉式衰減器：基於衰減量取決於電阻片旋轉角度的原理製成，又稱極化式衰減器。 它由三段波導構成，中間一段是可旋轉的圓波導，兩端是固定的方圓過渡波導，在每段波導中都有一個電阻片用來吸收電場的切向分量。衰減量與中間波導旋轉角度的關係為=-40lgcos。迴轉式衰減器常用作高頻替代法中的標準衰減器。
⑤　吸收式衰減器：利用吸收材料耗散電磁波能量的原理製成的衰減器。
（2）在微波頻段按傳輸線的型式分，有同軸式、波導式兩種。
（3）按工作方式分有固定式、可變式、步進式等型式。
但是這些分類並不是絕對的，由電阻組成的π型或T型網路可以製成同軸固定式或步進式衰減器,其工作頻率在3吉赫以下,用薄膜電阻製成的這類衰減器的工作頻率可由直流到18吉赫，甚至可以到26吉赫，可製成程控步進式衰減器,用於自動測量中。又如利用PIN二極體可以製成電調衰減器，常用於微波信號的穩幅系統中。