【無線射頻電路】-自動(dòng)平衡的射頻小電壓標(biāo)準(zhǔn)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----自動(dòng)平衡的射頻小電壓標(biāo)準(zhǔn)本文介紹的"自動(dòng)平衡的射頻小電壓標(biāo)準(zhǔn)'勝利地應(yīng)用于766廠研制的DO-29型校正接收機(jī)中，也可直接用來校準(zhǔn)射頻電壓表及其它無線電設(shè)備。

該標(biāo)準(zhǔn)使用了經(jīng)過改進(jìn)的鎮(zhèn)流電阻座，充分發(fā)揮了測(cè)量射頻小電壓的優(yōu)點(diǎn)；使用了電調(diào)衰減器，實(shí)現(xiàn)了電橋的自動(dòng)平衡。因此其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，具有精度高、性能穩(wěn)定、使用便利、體積、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其主要指標(biāo)如下：

頻率范圍：100～1000MHz（DO29機(jī)只要求470～1000MHz）

標(biāo)準(zhǔn)電壓：300mV

工作誤差：2%

使用條件：+5℃～+35℃

一、工作原理

1、鎮(zhèn)流電阻座

鎮(zhèn)流電阻片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由兩根細(xì)而短（直徑1.8～2m,長(zhǎng)2mm）的鉑金絲粘結(jié)在一個(gè)被銀的云母片上，其剖面部分是被銀的電極，每節(jié)鉑金絲的直流電阻約為140，記為RT1、RT2。該鎮(zhèn)流電阻片裝在一個(gè)同軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，如圖2所示，稱之為鎮(zhèn)流電阻座。對(duì)于鎮(zhèn)流電阻RT1、RT2來說，它是垂直置于TEM型場(chǎng)的同軸線中，而且較薄，因此我們認(rèn)為TEM型波在此結(jié)構(gòu)中傳輸未受干擾。其中隔直流電容使得鎮(zhèn)流電阻上的直流不與射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓一道輸出。此電容足夠大（6800pf)，故不會(huì)使得射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓產(chǎn)生誤差。由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，鎮(zhèn)流電阻片所在的截面（稱之為標(biāo)準(zhǔn)面）與比較面（即實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)電壓面）有3mm的距離，這將使射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓產(chǎn)生誤差。當(dāng)然在DO-29型校正接收機(jī)中可以在輸入開關(guān)端加長(zhǎng)3mm來修正，但作為一個(gè)單獨(dú)的射頻小電壓標(biāo)準(zhǔn)來說，確是一個(gè)系統(tǒng)誤差。

我們?cè)谑褂面?zhèn)流電阻時(shí)，將RT1、RT2并聯(lián)應(yīng)用。這樣，鎮(zhèn)流電阻的一端可以接地，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，電氣連接便利，避開了電氣懸地時(shí)易燒壞的缺點(diǎn)，而且可以承接較大的電流。雖然鎮(zhèn)流電阻的靈敏度有所下降，但我們使用的電橋及平衡指示電路的靈敏度很高，故對(duì)本電壓標(biāo)準(zhǔn)精度無影響。

構(gòu)成鎮(zhèn)流電阻之鉑金絲的電阻具有正溫度系數(shù)。圖3中RT、R2、R3、R4構(gòu)成一個(gè)電橋，當(dāng)電橋上只加有直流電壓E1而沒有射頻電壓時(shí)，調(diào)整R4使電橋平衡，則鎮(zhèn)流電阻RT上汲取的電壓功率為（其中RT=RT1//RT2）。

再轉(zhuǎn)變R1，使鎮(zhèn)流電阻上的直流電壓下降到E2，同時(shí)接通射頻振蕩器，調(diào)整R5以掌握加在鎮(zhèn)流電阻上的射頻電壓，使電橋其次次平衡。那么我們認(rèn)為，第一次平衡時(shí)鎮(zhèn)流電阻上的直流功率和射頻功率之和，即有如下關(guān)系：

(1)

其中：

E1為第一次平衡時(shí)鎮(zhèn)流電阻上所加的直流電壓。

E2為其次次平衡時(shí)鎮(zhèn)流電阻上所加的直流電壓。

Erf為其次次平衡時(shí)鎮(zhèn)流電阻上所加的射頻電壓。

由式（1）可得:

(2)

由式（2）可以看出：假如我們要獲得一個(gè)預(yù)定的射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓，則可以先在電橋上設(shè)定一個(gè)已知的足夠大的直流電壓E1（這個(gè)直流電壓應(yīng)大于所需的射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓之值），然后依據(jù)所需射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓，利用式（2）算出E2之值，按上述原理其次次平衡時(shí)的射頻電壓就是利用這個(gè)關(guān)系，取E1=0.7070V，E2=0.6402V，剛輸出的射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓。本小電壓標(biāo)準(zhǔn)就是利用這個(gè)關(guān)系，取E1=0.7070V，E2=0.6402V，則輸出的射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓Erf=300mV。

為了獲得一個(gè)精度高的射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓，假如電橋的靈敏度相當(dāng)高的話，只要將兩次直流電壓E1、E2精確地測(cè)試就可以了。這就是鎮(zhèn)流電阻能給出射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)。

2、電路簡(jiǎn)介

射頻小電壓標(biāo)準(zhǔn)電原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。它是由電橋、平衡指示及掌握電路、射頻振蕩器、電調(diào)衰減器和鎮(zhèn)流電組座組成。射頻振蕩器應(yīng)在全頻段內(nèi)輸出功率大于25mW，波動(dòng)不大于6dB，諧波小于26dB，頻率范圍100～1000MHz（實(shí)際頻率上限還可提高），在此條件下對(duì)射頻信號(hào)幾乎不產(chǎn)生失真，為自動(dòng)平衡掌握供應(yīng)了條件。鎮(zhèn)流電組電橋的原理與前節(jié)所述大致相同。

如圖4所示，鎮(zhèn)流電組座之RT通過電調(diào)衰減器與R3、R4、R5組成電橋，電壓表CB1指示鎮(zhèn)流電組上的直流電壓（即前述的E1、E2之值）。其次次平衡時(shí)鎮(zhèn)流電組上有射頻電壓，它通過電調(diào)衰減器中的L2、C5、C6構(gòu)成的低通道濾波器，電橋的其余各臂不會(huì)再有射頻電壓。平衡指示電路接在電橋的對(duì)角線上，CB2平衡電表指示電橋是否平衡。當(dāng)直流電壓+E接通，開關(guān)放在DC時(shí)，則直流電壓通過R1進(jìn)入電橋。調(diào)整R1和R5就可以使電壓表上指示0.7070V，且電橋平衡，此時(shí)鎮(zhèn)流電組上的電壓E1=0.7070V。然后將開關(guān)放在AC檔，此時(shí)將接在電橋A點(diǎn)的電阻R2接地，這明顯降低了A點(diǎn)的阻抗，因此A點(diǎn)電壓下降，假如調(diào)整其阻值恰當(dāng)?shù)脑挘憧墒规?zhèn)流電阻上的直流電壓為0.6402V。與此同時(shí)，射頻振蕩器的電壓加到了電調(diào)衰減器，并經(jīng)過電調(diào)衰減器加到了鎮(zhèn)流電阻上。可以設(shè)想，假如適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電調(diào)衰減器的衰減量，可以使得電橋達(dá)到其次次平衡。那么，鎮(zhèn)流電阻上的射頻電壓即為我們所需的射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓300mV。平衡指示及掌握電路就是完成自動(dòng)掌握電調(diào)衰減器，使電橋其次次平衡的電路，電調(diào)衰減器的衰減曲線如圖5所示。當(dāng)電橋處在其次次平衡時(shí)，圖4中B點(diǎn)的輸出電壓為-V，電調(diào)衰減器的衰減量為B，射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓為300mV。當(dāng)鎮(zhèn)流電阻上的射頻電壓不為300mV時(shí)，則電橋不平衡。設(shè)射頻電壓高了，則鎮(zhèn)流電阻汲取的功率多，電阻較平衡時(shí)大，電橋平衡被破壞，平衡表CB2指針將會(huì)偏轉(zhuǎn)，同時(shí)E在B點(diǎn)上增加一個(gè)E電壓，即-VB+=-VBO+E，那么電調(diào)衰減器的衰減量增大，降低了鎮(zhèn)流電阻上的射頻電壓，直至此射頻電壓為標(biāo)準(zhǔn)的300mV。同理，假如射頻標(biāo)準(zhǔn)電壓較300mV低，也可以通過平衡指標(biāo)及掌握電路來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。明顯，所構(gòu)成的自動(dòng)掌握環(huán)路應(yīng)有足夠的電調(diào)范圍和較快的響應(yīng)速度（或時(shí)間）。

二、誤差分析

一個(gè)電壓標(biāo)準(zhǔn)的誤差不僅與標(biāo)準(zhǔn)的誤差有關(guān)，而且與它所構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)及操作有關(guān)?，F(xiàn)將本小電壓標(biāo)準(zhǔn)的誤差作簡(jiǎn)要的分析。

1、鎮(zhèn)流電阻引起的頻響誤差

1）由于鎮(zhèn)流電阻的電感引起的頻響誤差f

從圖1中可以看出，鎮(zhèn)流電阻是由兩根短而細(xì)的鉑金絲構(gòu)成，在射頻應(yīng)等效為純電阻和電感的串聯(lián)。這樣一來，鎮(zhèn)流電阻的阻抗隨頻率而變化，使本小電壓標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)生頻響誤差。當(dāng)f=500MHz時(shí)f=0.22%，當(dāng)f=1000MHz時(shí)f=0.85%。

2）由于趨膚效應(yīng)引起的誤差

計(jì)算表明，此項(xiàng)誤差可予忽視。

2、傳輸效應(yīng)誤差

鎮(zhèn)流電阻座的標(biāo)準(zhǔn)面與比較面有3mm距離，比較面上的電壓不是標(biāo)準(zhǔn)面上的標(biāo)準(zhǔn)電壓，由此引起的誤差稱為傳輸效應(yīng)誤差傳。當(dāng)f=1000MHz時(shí)，3mm距離引起的誤差傳0.2%。

3、由于直流電壓E1、E2測(cè)量不準(zhǔn)引起的誤差

從式（2）得知，照傳統(tǒng)方式，E1、E2的誤差方向是不定的，由此引起的誤差應(yīng)為E。一般來講，E為直流電壓誤差的2倍，但在該小電壓標(biāo)準(zhǔn)中，采納了自動(dòng)平衡及掌握電路，該項(xiàng)誤差要小得多。引起直流電壓不準(zhǔn)的緣由主要有：

1）測(cè)試過程中，操在校正直流電壓時(shí)產(chǎn)生的直流電壓誤差。本小電壓標(biāo)準(zhǔn)不大于0.2%。

2）在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)（+5℃～+35℃)直流電表指示誤差小于0.2%。

3）接線直流電阻引起的誤差為0.228%。

上述三項(xiàng)誤差引起的直流電壓精度約為0.63%，故E=0.425%。

4、鎮(zhèn)流電阻辨別率引起的誤差

該項(xiàng)誤差遠(yuǎn)小于0.1%，可以忽視。

5、射頻失真引起的誤差

當(dāng)射頻電壓的波形失真時(shí)，則鎮(zhèn)流電阻在工作過程中受到所需的標(biāo)準(zhǔn)電壓（即基波）和諧波的"加熱'，而送出的標(biāo)準(zhǔn)電壓是預(yù)定的射頻頻率電壓，即為校正電壓，這樣一來由于諧波作用便產(chǎn)生誤差，其值約為0.1%。

6、由于信號(hào)泄漏引起的誤差

在本小電壓標(biāo)準(zhǔn)中，采納了較為嚴(yán)密的防漏措施，隔離度大于80dB，故此項(xiàng)誤差可以忽視。

7、電源穩(wěn)定性引起的誤差

本電壓標(biāo)準(zhǔn)要求電源穩(wěn)定性為0.01%，由此而引起的誤差可以忽視。

8、自動(dòng)平衡及掌握電路波紋引起的誤差

由于自動(dòng)平衡及掌握電路在掌握過程中總有一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，再則電橋和平衡及掌握電路的靈敏度都很高，易受到干擾，因此在電調(diào)衰減器的掌握端（即圖4中的B點(diǎn)）除了掌握衰減的直流外還疊加了一個(gè)波紋電壓，我們將它掌握在遠(yuǎn)小于1mV，故所引起的誤差可以忽視。

以上是本小電壓標(biāo)準(zhǔn)的誤差主要來源。就其誤差性質(zhì)來說，分隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差兩種，有的誤差是完全可以修正的。我們采納了各項(xiàng)誤差肯定值相加的方法，則得1.575%，考慮到大量生產(chǎn)、使用的牢靠性和測(cè)試（比對(duì)）的可能性，故確定本小電壓標(biāo)準(zhǔn)精度為2%，由此可見富有量較大。

三、比對(duì)結(jié)果

為了驗(yàn)證本標(biāo)準(zhǔn)的精度，我們?cè)啻斡帽∧る娮枳M(jìn)行過比對(duì)。我們認(rèn)為，要獲得一個(gè)高精度的射頻電壓標(biāo)準(zhǔn)，電壓標(biāo)準(zhǔn)本身的精度要足夠高是不言而喻的，然而用來作為比對(duì)的射頻電壓標(biāo)準(zhǔn)的精度，過渡指示器的精度、整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是特別重要的。

現(xiàn)將78年7月在北京郵電科學(xué)討論院計(jì)量室用GDB-1直流替代的薄膜電阻座的電壓校準(zhǔn)裝置進(jìn)行比對(duì)的結(jié)果列于下表。

編號(hào)\精度\頻率500MHz600MHz700MHz800MHz900MHz1000MHz6井-0.3%-0.5%-0.4%-0.8%-0.97%-0.9%10井0.07%-0.13%-0.2%-0.17%-0.07%-0.03%四、結(jié)束語

我們認(rèn)為，本小電壓標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到預(yù)定要求，具有精度高、體積小、成本低、性能穩(wěn)定、使用便利等特點(diǎn)。與國(guó)內(nèi)同類型的射頻小電壓標(biāo)準(zhǔn)比，達(dá)到了先進(jìn)水平。

本小電壓標(biāo)準(zhǔn)不僅可用作DO-29校準(zhǔn)接收機(jī)的電壓標(biāo)準(zhǔn)，而且可以直接校準(zhǔn)各種電子測(cè)量?jī)x器、設(shè)備的射頻電壓。特殊是用來校準(zhǔn)電壓表，比過去任何校準(zhǔn)電壓表的裝置都便利，速度特快，幾分鐘即可完成。為適應(yīng)當(dāng)前無線電技術(shù)快速進(jìn)展的需要，我們預(yù)備