什么是衰减测量?

什么是衰减测量?

[拼音]：shuaijian celiang

[外文]：attenuation measurement

信号通过传输系统的无源网络后电平降低程度的测量。在一个阻抗匹配的无反射的传输系统中，某种元件或器件插入前后负载上得到的功率P1P2之比的分贝值称为衰减，常用A表示，


（分贝）。这个无量纲参量表征元件、器件的传输特性。任何一个网络对电磁波的衰减作用都可分成两部分：一是衰减材料吸收和耗散的能量，称耗散衰减；另一部分是被它反射的能量，称反射衰减。在一个阻抗不匹配的系统中，元件、器件插入前后负载上得到的功率之比的分贝值，称为插入损耗。对于不同失配情况的传输系统，同一个元件、器件的插入损耗是不同的。

在雷达、通信、导航等系统中，都要考虑功率在传输中的损耗问题和接收信号的灵敏度问题，因而需要进行衰减测量和计量。在电子仪器和电子元件、器件的研制生产中，衰减是一项重要的技术指标。在建立功率、噪声标准以及其他无线电和微波参量的计量中，也经常靠衰减计量技术测定有关的技术性能指标。

衰减测量方法

衰减测量主要有三种方法：替代法、阻抗法和绝对法。

替代法（比较法）

用标准衰减器的精确已知衰减量，按一定的方法替代被测衰减量并加以比较，以确定被测衰减量。替代法是在实践中应用最广的一种衰减测量方法。按标准衰减器的工作频率又分为直流替代法、低频替代法、中频替代法、高频替代法和调制副载波法。前两种方法由于检波元件的线性范围所限，一般仅适用于测量0.01～30分贝范围内的小衰减量。

（1）直流替代法：用测热电阻或二极管作为检测元件，将微波功率的变化变换成直流功率的变化，用电阻分压器作为标准衰减器，测定被测衰减量。

（2）低频替代法：对高频或微波信号源进行低频调幅。调制信号通过被测元件后经检波器变换成低频信号，用低频标准衰减器衰减量的变化替代被测衰减量。

（3）中频替代法：用外差混频法将高频信号或微波信号线性地变成中频信号，用中频标准衰减器的衰减量替代被测衰减量。中频替代法有串联和并联两种工作方式。串联中频替代法是将被测衰减器与标准衰减器串联；并联中频替代法是将标准衰减器的参考通道与测量通道相并联（图1）。并联法的明显优点是量程大、误差小，所以应用也最广泛。一般衰减检定装置用截止式衰减器作为标准，中频为30兆赫（或60兆赫），量程达100分贝，在50分贝内的准确度达±0.01分贝/10分贝～±0.001分贝/10分贝。随着锁相技术和频率合成技术的发展，低中频替代技术得到广泛应用。用二个同步锁相信号源或二个微波频率综合器进行差拍混频，将中频降低到几十千赫以下，用音频的感应分压器作标准衰减器，可将衰减测量的精确度提高约一个数量级。采用中频矢量替代法，量程可达140分贝左右。

（4）高频替代法：将被测衰减量与工作在同一频率的高频标准衰减器的衰减量进行比较。这种方法的优点是对检测系统的线性没有要求。

（5）调制副载波法：把来自同一信号源的连续波信号分成两路，主载波通道是连续波信号，副载波通道是经低频调制的含有副载波分量的调制信号，这一通道的信号通过被测件后与主通道的连续波信号在检波器上进行相关合成检波。在一定条件下，检波输出的低频信号幅度正比于副载波信号的幅度。因此可用低频的感应分压器作标准衰减器，用替代法实现衰减测量。这种方法常用于校准精密的波导回转式衰减器。

阻抗法

根据传输线中的反射或驻波与被测衰减量的关系来实现衰减测量。阻抗法的优点是不需要标准衰减器。阻抗法又分为散射参量法、调配反射计法、Q值法和驻波法。

（1）散射参量法：任意一个被测件可看作是一个二端口网络，可以用网络分析仪或标量分析仪测出网络的散射参数，从而得到被测件的衰减量。网络的散射参量与衰减量A之间的关系是A=AD+AR，式中AD为被测网络的耗散衰减，


；AR为被测网络的反射衰减，


。

（2）调配反射计法：用精密阻抗测量系统──调配反射计分别测出耗散衰减和反射衰减，从而计算出被测网络的衰减量。

（3）Q值法:用于精确测量均匀波导段每单位长度上的衰减。用非接触式短路器放在被测波导内构成一个腔，调节短路器之间的距离 l得到不同的谐振点。在每个谐振点上测出腔的Q值，作出1/Q对1/l的图形，得一条直线，根据它在 1/Q轴上的截距可以算出波导的单位长度的衰减α。

（4）驻波法：精确度低，应用较少。

绝对法

利用衰减量与电平的相对变化有一定对应关系的原理来实现衰减测量，又分为功率比法、自校准法和超导量子干涉法。

（1）功率比法：按衰减定义来确定被测件的衰减量。用功率计直接测量被测件接入无反射系统前后负载上所得到的功率，按定义算出衰减量。这种方法精确度较低。

（2）自校准法：利用功率倍增的方法给出一个准确的比值和相应的衰减值，用于校准被测衰减量。根据所采用的测量电路分别有三臂电桥法、定向耦合器法等。自校准法的缺点是只能测固定的衰减量如3.01分贝，6.02分贝等。

（3）超导量子干涉法：利用量子衰减器──基于约瑟夫逊效应制成的超导量子干涉器件测量射频衰减(图2)。它是工作在液氦温度下的超导环，经被测衰减器输出的射频信号输入到超导环的耦合电路时，环中的磁通量发生周期变化，从而使它呈现的微波阻抗也周期地变化。因此，当加入微波信号时，其反射功率随耦合电路中的电流以贝塞尔函数关系周期地变化。通过对贝塞尔函数零点的检测，根据贝塞尔函数的根值确定被测衰减量。为了测量62分贝衰减量，必须覆盖 900个零点。这种方法提供了测量衰减的自然基准。

标准衰减器

在替代法中用作计量标准的衰减器有以下几种分类方法。

按工作原理可分为电阻分压式衰减器、截止式衰减器、回转式衰减器和吸收式衰减器。

（1）电阻分压式衰减器：精密电阻分压器频率范围为直流到10千赫左右，精确度为10-6～10-7。

（2）感应分压式衰减器：感应分压器的原理类似自耦变压器，一般工作频率为30～10千赫，精确度可达10-8～10-9。精确度稍降低时频率也可达到1兆赫。

（3）截止式衰减器（活塞式衰减器）：由一段圆波导构成，两端分别装有发射和接收耦合装置。当频率低于波导最低截止频率的电磁波沿波导传播时，即沿轴向呈指数律衰减。因此，根据两个耦合装置间的距离可以精确计算出衰减量。一般采用光学读数系统，可作为中频替代法衰减校准装置中的标准衰减器。中国采用激光测长和数字读数系统的高精度截止式衰减器作为中频衰减标准。

（4）回转式衰减器：基于衰减量取决于电阻片旋转角度的原理制成，又称极化式衰减器。 它由三段波导构成，中间一段是可旋转的圆波导，两端是固定的方圆过渡波导，在每段波导中都有一个电阻片用来吸收电场的切向分量。衰减量与中间波导旋转角度θ的关系为A＝-40lgcosθ。回转式衰减器常用作高频替代法中的标准衰减器。

（5）吸收式衰减器：利用吸收材料耗散电磁波能量的原理制成的衰减器。

在微波频段按传输线的型式分，有同轴式、波导式两种。

按工作方式分有固定式、可变式、步进式等型式。

但是这些分类并不是绝对的，由电阻组成的π型或T型网络可以制成同轴固定式或步进式衰减器，其工作频率在3吉赫以下，用薄膜电阻制成的这类衰减器的工作频率可由直流到18吉赫，甚至可以到26吉赫，可制成程控步进式衰减器，用于自动测量中。又如利用PIN二极管可以制成电调衰减器，常用于微波信号的稳幅系统中。