常见微波电子测量仪器安全输入电平以及与系统集成的关系

1 概述

无论是信号发生类微波电子测量仪器，还是信号分析类微波电子测量仪器，安全输入电平都是一个重要且容易被忽略的指标。它虽然不像输出功率、相位噪声和增益等关键指标那样显著，但是它直接决定了仪器能否安全使用。

另外，在系统集成中，测试安全性、大功率 S 参数测试和衰减器等微波部件指标选择等也与安全输入电平有着千丝万缕的联系。

2 常见微波电子测量仪器的安全输入电平指标

常见微波电子测量仪器有信号发生器、信号 / 频谱分析仪、噪声系数分析仪、噪声源、功率计和矢量网络分析仪。不同种类的仪器安全输入电平指标不尽相同，因此，在使用过程中须倍加注意。需要说明的是，以下所列出的安全输入电平与仪器厂家、型号密切相关，可以参考借鉴，但具体数值需查阅相关的产品资料。

信号发生器的作用是输出频率、功率、调制格式可变的各类激励信号，但依然存在安全输入电平指标，衡量了承受最大反向输入信号的能力。信号发生器输出端从外到内分别是程控步进衰减器、耦合检波电路、调制滤波组件和频率合成电路等，上述微波电路和组件不能承受过大的射频功率和直流信号，一般指标为射频信号功率不大于0.5W（射频）和0V（DC）。

信号 / 频谱分析仪几乎是最常见的微波 测量仪器，有“微波万用表”之称，主要用于谐波、杂散、相位噪声和模拟 / 数字调制质量等 从外到内分别是程控步进衰减器、滤波组件和混频电路等，上述微波电路和组 但是，需要注意的是，信号 / 频谱分析仪有两种工作模式，分别是 流耦合模式。在直流耦合模式下，最大承受射频信号功率般为 1W，同时不能输入直流；在交流耦 式下，因为有隔直电容的存在，在最大承受射频信号功率为 1W的同时，一般允许上限为50V 的直流输入

噪声源主要用于输出稳定的宽谱白噪声，是噪声系数测试中的激励装置，核心器件为雪崩二极管，在进行隔离处理后输出 [1]。噪声源安全输入电平上限一般为0.5W（射频）和16V（DC）。

噪声系数分析仪作为噪声系数测试中的高灵敏度接收装置，内部组成与信号 / 频谱分析仪较为类似，但是在具体实现上略有区别，安全输入电平上限一般为15dBm（射频）和±20V（DC）。

功率计包含主机和功率探头两部分，主要用来测试峰值功率、平均功率、顶降和过冲等功率和波形参数，与被测件相连的部分为功率探头。按照测试功能，功率探头主要分为平均功率探头和峰值功率探头，内部核心器件为检波二极管，如双低势垒肖特基二极管 ]。功率探头的测试上限为 20dBm，安全输入电平上限一般为23dBm（平均功率）、30dBm（峰值功率，持续时间＜1μs）和5V（DC）。

矢量网络分析仪号称“微波仪器之王”，内部包含信号源、多通道相参接收机、信号提取电路以及复杂的校准过程，主要用于实现接收增益、群延时、幅相一致性、带外抑制等 S 参数测试。矢量网络分析仪的对外射频接口主要分成两大类，一类是测试端口，即英文标识为“PORT N^η 的端口，另一类是跳线端口，即每个测试端口旁边与三根跳线相连的端口。

测试端口是矢量网络分析仪的主要端口，每个测试端口与一个测试定向耦合器进行连接，并分成两个信号传输路径。一是从测试定向耦合器耦合端口、衰减器，最后进入测试接收机通道。二是从测试定向耦合器直通输出端口、衰减器，源输出定向耦合器输出端口、耦合端口最后进入参考接收机通道。近年来，矢量网络分析仪的测试功能不断丰富，增加了频谱、噪声系数、交调等测试功能，这也导致内部组成也发生了较大变化。根据选配的测试功能选件，测试端口的安全水平电平上限一般为20dBm ～30dBm（射频）和7V ～50V（DC）。

正常情况下，跳线端口并不外露，只是在必要情况下才拆除跳线，与其它部分相连，这体现了矢量网络分析仪的开放性和扩展性。跳线端口共有 6 个，分别是源输出端口和源输出定向耦合器输入端口（与测试端口相连）、源输出定向耦合器耦合端口和参考接收机输入端口以及测试定向耦合器耦合端口和测试接收机输入端口。也就是说，6 个跳线端口功能不同，当然，与之连接的功能电路单元也大相径庭，从而每个端口的安全输入电平也差别较大。

源输出端口类似信号发生器输出端口，安全输入电平上限一般为30dBm（射频）、7V（DC）。

源输出定向耦合器输入端口与测试端口相连，安全输入电平上限一般为30dBm（射频）和7V ～40V（DC）。为减低成本，一些矢量网络分析仪在混频模式下只能设置端口 1 为源端口，因此，端口 1 的源输出定向耦合器耦合端口与其它端口不同，增加了电子开关等微波部件来方便连接参考混频器等部件，也就降低了其安全输入电平上限指标，端口1 一般为15dBm（射频）和7V（DC），其它端口一般为30dBm（射频）和7V（DC）。

不同参考接收机输入端口的安全输入电平上限指标除直流输入外基本相同，典型值为 15dBm（射频）和7V/15V（DC）。

不同测试定向耦合器耦合端口的安全输入电平上限指标基本相同，典型值为30dBm（射频）、7V（DC）。

测试接收机输入端口与参考接收机输入端口性质相同，典型值为15dBm（射频）和7V（DC）。

上分析，常见微波电子测量仪器安全输入电平指标如表1 所示。

表1 常见微波电子测量仪器安全输入电平指标明细表

3 与系统集成的关系

在大功率微波部组件（如 T/R 组件、功放组件）测试系统集成中，信号功率往往比较大，测试仪器无法直接测试，需要采用衰减或耦合等方式调理后才能输入至不同的仪器进行测试，但是通过上面的分析可知，不同的仪器安全输入电平上限不尽相同，这就需要根据不同的测试需求和场景采取不同的系统集成技术和手段。

3.1 测试通道连通性检查

对于 T/R 组件测试来说，由于端口复用（发射输出和接收输入复用）、收发一体、大小功率并存等特点，这就决定了与发射输出端口相连的测试仪器不但有连接衰减器的功率计、信号 / 频谱分析仪、矢量网络分析仪等测试仪器，而且还有不能连接衰减器的信号发生器、噪声源和矢量网络分析仪另一个端口。上述测试测试仪器通过一个收发转换开关全部连接在一起，一旦该开关切换错误，就可能导致大功率发射信号进入信号发生器和噪声源等，从而因功率过载而烧毁。

为了避免上述问题，在启动 T/R 组件发射测试 的连通状态，确保收发转接开关在发射位置。检查的基本过程为： 率（功率设置值参考式（1），然后切换包含收发转换开关在内的 矢量网络分析仪可以测试出功率符合要求的发射信号，则证明 换故障，则应控制发射信号功率在不会烧毁仪器的量级，即不超过功率计、 量 络 析仪的安全输入电平上限的最小值，并留有一定余量。

P_t=P_H+IL_OUT-G+IL_IN.......................................（1）

其中，

Pt- 信号发生器设置功率，dBm 安全输入上限最小值，dBmIL_our^- 输出测试通道插入损耗，dBG- 被测件增益，dBIL_IN^- 输入测试通道插入损耗，dB2.0大动率C参数外置测述铁股找建

3.2 大功率S 参数外置测试链路搭建

大功率发射测试往往也伴随大功率发射激励需求，但是对于大功率 S 参数测试来说，不能简单地对激励信号放大，还需要考虑对于输入端口驻波比测试和放大器温漂对测试的影响等问题，这就需要构建大功率 S 参数测试外置测试链路。

矢量网络分析仪源输出信号经过源输出端口进入放大器进行放大，放大后的信号再经过外置定向耦合器进行分离，耦合端输出信号经衰减后输入至参考接收机输入端口，这样就可以实时跟踪输入至被测件的激励信号功率变化情况，有利于提高测量准确度。定向耦合器直通输出端口与源输出定向耦合器输入端口进行连接，保证了输入至被测件激励信号功率满足需求。另外，放大器置于测试链路的前端，不会因反向隔离作用导致无法测试输入端口驻波比。

其实，还有一个问题需要解决，那就是衰减器的衰减量。如果放大器 P-1 为 2W，定向耦合器耦合度为15dB，那么耦合端口的功率为 18dBm，这其实已经超过了端口 1 参考接收机输入端口的安全输入电平。另外，还需要注意的是，接收机输入压缩点一般也低于 0dBm，那么，兼顾安全和线性测试需求，衰减器衰减量至少要超过20dB 甚至30dB 才能适应测试需求。

图1 大功率激励信号产生连接示意框图

3.3 衰减器衰减量和耦合器耦合度选择

从本质上讲，衰减器衰减量和耦合器耦合度选择是一个问题。在大功率微波部组件测试系统中，应该根据被测信号功率、通道插入损耗和不同仪器的安全输入电平上限选择不同大小的衰减量，如功率计端口的衰减器就要比信号 / 频谱分析仪端口的衰减器衰减量至少大 10dB。此外，可以采用两级衰减的方式，如在测试链路的公共端连接一个20dB 衰减器，再在功率计端口单独连一个10dB 衰减器。

当然，衰减器衰减量和耦合器耦合度也不能盲目增大，否则也会因信噪比降低而恶化测量准确度指标。

4 小结

综上所述，在了解不同微波电子测量仪器安全输入电平指标的基础上，我们应深刻认识到微波电子测量仪器安全输入电平的重要作用，并在日常使用和系统集成过程中实施有针对性的策略。

参考文献：

[1] 唐靖超 ， 姜万顺 ， 邓建钦 ， 等 . 微波毫米波与太赫兹噪声源发展现状 [J]. 太赫兹科学与电子信息学报 ，2024，22（02）：168-175.

[2] 全国无线电计量技术委员会. 射频与微波功率计校准规范：JJF 1885-2020[S]. 中国标准出版社，2020

作者简介：张晨（1987.06-），男，汉族，山东青岛人，助理工程师，大专学历，研究方向：微波测试；王勇（1982.02-），男，汉族，安徽蚌埠人，工程师，本科学历，研究方向：微波测试