專利名稱：一種同軸阻抗標準器的定標方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種阻抗標準器的定標方法，特別是一種同軸阻抗標準器的定標方法。 阻抗參數用于描述系統(tǒng)的匹配性能，影響著系統(tǒng)的效率和整體指標，在微波系統(tǒng) 設計中是非常重要的參數之一。同軸無支撐精密空氣線以內外導體尺寸固定、空氣介質填 充等特點被用作同軸阻抗標準器，其特性阻抗定義越準確，用其校準后的網絡分析儀測量 精度越高。 目前普遍采用的定標方法是由長度計量中心對同軸無支撐空氣線的內導體外徑 和外導體內徑進行精密測量，當內外導體間填充介質為空氣時，由外導體內徑和內導體外 徑求得其特性阻抗。但這種定標方法忽略了內外導體的偏心、階越電容、趨膚效應等因素對 同軸無支撐空氣線特性阻抗的影響，降低了同軸阻抗標準器的定標準確度。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于避免以上現有技術的不足提供一種同軸阻抗標準器的定標方法。
本發(fā)明的技術方案為 —種同軸阻抗標準器的定標方法，包括如下步驟
第一步測量幾何量 將同軸無支撐精密空氣線和可與其相連的兩個連接器送長度計量一級站，分別對 外導體內徑、內導體外徑和偏心量進行測量；
第二步計算趨膚效應的影響量 趨膚效應對同軸無支撐精密空氣線引入的是一個矢量阻抗， 式(一)中，d為內導體外徑，D為外導體內徑，AZf為趨附效應引入的阻抗影響 量，c為自由空間傳播速度，等于2.99793X 108米/秒，f為頻率，P為電阻率，P。為自由 空間磁導率，等于"X10—7; 根據第一步得到的外導體內徑D和內導體外徑d的測量結果，代入式(一)可以 得到趨附效應引入的特性阻抗誤差AZf ;
第三步計算階越電容的影響量 同軸無支撐精密空氣線內導體外徑和外導體內徑存在微小突變，即內外導體存在 不連續(xù)面，表現為電容特性；分為兩種情況進行分析，第一、內導體認為是理想的，外徑尺寸 不變，外導體內徑不連續(xù)；第二、外導體認為是理想的，內徑尺寸不變，內導體外徑不連續(xù)。 根據第一步測量數據，對上述兩種情況分別建立計算模型及等效電路，當同軸無支撐空氣 線內外導體間距不大于兩個不連續(xù)面之間的距離時，每個不連續(xù)面可以進行獨立處理，用
背景技術：
4a和t來描述；式(二)用于內導體計算，其中rl、r2和r3為第一步內導體測試數據，見 圖5;式(三)用于外導體計算，其中rl、r2和r3為第一步外導體測試數據，見圖6。根據 計算得到的a和t，采用表格查詢法求得各不連續(xù)面的階越電容； a-I^I^碎(二) r3 —rl rl
r ，， r2-rl r3 一 a =-t 二 一 ( 二 )
r3 — rl rl
和外導體總 由階越電容 對內外導體各不連續(xù)面的階越電容求和得到內導體總的階越電容Cd 的階越電容CdD，兩者是并聯關系，可求得內外導體不連續(xù)面的總階越電容Cd Cd引入的阻抗誤差AZ。為 式(四)中，Z為內外導體計算得到的特性阻抗，c為自由空間傳播速度，等于
2. 99793Xl()8米/秒； 第四步計算偏心量的影響量 偏心量引入的特性阻抗變化量A Ze為 AZe = ^、 -:^^)(五)
2;r V eD' -d' 式(五)中，d為內導體外徑，D為外導體內徑，e為內外導體的偏心量，P 、 e為 填充介質的磁導率和介電常數，c等于2. 99793 X 108米/秒； 根據第一步外導體內徑、內導體外徑和偏心量的測量數據，代入式(五)可計算得 到同軸阻抗標準內外導體偏心引入的特性阻抗誤差AZe ;
第五步計算特性阻抗 同軸無支撐精密空氣線內外導體間填充介質為空氣，由外導體內徑和內導體外徑 可以計算其特性阻抗為 z^丄Jtln^(六) 式(六)中，D為外導體內徑，d為內導體外徑，ii為填充介質磁導率，e為填充 介質介電常數； 第六步計算修正后的特性阻抗標準值 式(一)、式(四)和式(五)分別得到了趨膚效應、階越電容、偏心量對同軸無支 撐空氣線引入的特性阻抗變化量，分別表示為AZf、 AZ。、 A&，按式(七)得到修正后的特 性阻抗標準值Z， Z err = Z+ A Zf+ A Zc+ A Ze (七) 所述外導體內徑測量方法為在外導體兩端徑向方向分別選取至少兩個不同深度 的切面測量外導體內徑，得到4個測量結果，取測量結果的平均值作為外導體內徑值。
所述內導體外徑測量方法為將內導體垂直方向放置，在有效幾何長度上均勻取 至少IO個位置，分別測量內導體外徑，得到IO個測量結果，取測量結果的平均值作為內導 體外徑值。 所述偏心量測量方法選取兩個能夠與同軸無支撐精密空氣線兩端相連的連接
5器，測試兩個連接器的偏心量，取其均值或最大值作為同軸無支撐精密空氣線的偏心量。
本發(fā)明除了考慮同軸無支撐精密空氣線的外導體內徑和內導體外徑外，還將內外 導體的偏心、階越電容、趨膚效應等因素的影響量給予修正，有效的提高了同軸阻抗標準器 的定標準確度。 圖1為同軸無支撐空氣線內導體理想外導體內徑不連續(xù)的計算模型； 圖2為同軸無支撐空氣線內導體理想外導體內徑不連續(xù)的等效電路； 圖3為同軸無支撐空氣線外導體理想內導體外徑不連續(xù)的計算模型； 圖4為同軸無支撐空氣線外導體理想內導體外徑不連續(xù)的等效電路； 圖5為同軸無支撐空氣線內導體不連續(xù)面示意圖； 圖6為同軸無支撐空氣線外導體不連續(xù)面示意圖。
具體實施例方式
如圖1-6所示， 一種同軸阻抗標準器的定標方法的具體步驟如下
第一步測量幾何量 選取滿足計量特性要求的長度計量標準分別對同軸無支撐精密空氣線的外導體 內徑、內導體外徑和偏心量進行測量。外導體內徑測量方法在外導體兩端徑向方向分別選 取兩個不同深度的切面測量外導體內徑，得到4個測量結果。內導體外徑測量方法將內導
體垂直方向放置，在有效幾何長度上均勻取io個位置，分別測量內導體外徑，得到IO個測
量結果。偏心量測量方法選取兩個能夠與同軸無支撐精密空氣線兩端相連的連接器，測試
兩個連接器的偏心量即為同軸無支撐精密空氣線的偏心量。
第二步計算趨膚效應的影響量 同軸無支撐精密空氣線通常采用銅鍍金工藝，具有有限的導電率，因此傳輸微波 信號時存在趨膚效應。趨膚效應對同軸無支撐精密空氣線引入的是一個矢量阻抗。 式(一)中，d為外導體內徑，D為外導體內徑，AZf為趨附效應引入的阻抗影響 量，c為自由空間傳播速度，等于2.99793X 108米/秒，f為頻率，P為電阻率，P。為自由 空間磁導率，等于4Ji X10—7。 根據第一步得到的外導體內徑D和內導體外徑d的測量結果，代入式(一)可以 得到趨附效應引入的特性阻抗誤差AZf。從式(一)知趨膚效應引入的特性阻抗誤差與 同軸無支撐精密空氣線的尺寸和頻率成反比。對于固定尺寸的同軸空氣線來說，當頻率越 低，趨膚效應所引入的阻抗誤差越大，反之越小。對于相同頻率，同軸空氣線尺寸越小趨膚 效應引入的誤差越大，尺寸越大趨膚效應弓I入的誤差越小。
第三步計算階越電容的影響量 同軸無支撐精密空氣線內導體外徑和外導體內徑存在微小突變，即內外導體存在 不連續(xù)面，表現為電容特性；分為兩種情況進行分析，第一、內導體認為是理想的，外徑尺寸 不變，外導體內徑不連續(xù)；第二、外導體認為是理想的，內徑尺寸不變，內導體外徑不連續(xù)。
根據第一步測量數據，對上述第一種情況按圖1和圖2建立計算模型及等效電路，對上述第 二種情況按圖3和圖4建立計算模型和等效電路。當同軸無支撐空氣線內外導體間距不 大于兩個不連續(xù)面之間的距離時，每個不連續(xù)面可以進行獨立處理，用a和t來描述；式 (二)用于內導體計算，其中rl、r2和r3為第一步內導體測試數據，見圖5;式(三)用于 外導體計算，其中rl、r2和r3為第一步外導體測試數據，見圖6。根據計算得到的a和t， 采用表格查詢法求得各不連續(xù)面的階越電容； c^I^I^碎(二) r3_rl rla = ￡^Z￡^』(三) r3-rl rl 對內外導體各不連續(xù)面的階越電容求和得到內導體總的階越電容Cdd和外導體總 的階越電容CdD，兩者是并聯關系，可求得總的階越電容Cd。由階越電容Cd引入的阻抗誤差 AZc為 "^.1 + 1/(二.。固 式(四)中，Z為內外導體計算得到的特性阻抗，c為自由空間傳播速度，等于
2. 99793Xl()8米/秒。 第四步計算偏心量的影響量 偏心量引入的特性阻抗變化量A Ze為 AZe =丄J l - ~(五) 式(五)中，d為外導體內徑，D為外導體內徑，e為內外導體的偏心量，ii、 e為 填充介質的磁導率和介電常數，c等于2. 99793X 108米/秒。 根據第一步外導體內徑、內導體外徑和偏心量的測量數據，代入式(五)可計算得 到同軸阻抗標準內外導體偏心引入的特性阻抗誤差AZe。
第五部計算特性阻抗 同軸無支撐精密空氣線內外導體間填充介質為空氣，由外導體內徑和內導體外徑 可以計算其特性阻抗為 Z = :^ln7(A) 式(六)中，D為外導體內徑，d為內導體外徑，為填充介質磁導率，e為填充 介質介電常數。 式(六)為目前普遍采用的同軸阻抗標準器特性阻抗的定標計算公式，它忽略了 趨膚效應、階越電容、偏心量的影響，應對其作進一步修正。式(一)、式(四)和式(五) 分別得到了趨膚效應、階越電容、偏心量對同軸無支撐空氣線引入的特性阻抗變化量，分別 表示為AZf、 AZ。、 A&。按式(七)進行修正，修正后得到的特性阻抗標準值Z，更貼近 于真實值。 Z err = Z+ A Zf+ A Zc+ A Ze(七) 以同軸2.4mm無支撐精密空氣線為例來說明其定標方法，同軸2. 4mm阻抗參數 最高標準器是同軸2. 4mm無支撐精密空氣線，將其和兩個常用的連接器送至國防長度計
7量一級站測量外導體內徑、內導體外徑和偏心量。外導體內徑四次測量結果的平均值為 2. 403mm，內導體外徑十次測量結果的平均值為1. 043mm，偏心量小于15um。由外導體內徑 和內導體外徑得到的阻抗定標值為50. 0425Q 。按照上述步驟分別計算得到趨膚效應、階 越電容、偏心量對同軸無支撐空氣線引入的特性阻抗變化量，分別為0. 6489 Q 、0. 0075 Q 、 0. Oil Q 。修正后的定標值為50. 70 Q ，與網絡分析儀的測量結果50. 89 Q符合更好。
本發(fā)明考慮同軸無支撐精密空氣線的偏心、階越電容、趨膚效應等因素的影響量， 對普遍采用的定標方法給予修正，有效的提高了同軸阻抗標準器的定標準確度。
權利要求
一種同軸阻抗標準器的定標方法，其特征在于，包括如下步驟第一步測量幾何量將同軸無支撐精密空氣線和可與其相連的兩個連接器送長度計量一級站，分別對外導體內徑、內導體外徑和偏心量進行測量；第二步計算趨膚效應的影響量趨膚效應對同軸無支撐精密空氣線引入的是一個矢量阻抗， <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>Z</mi> <mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>c</mi> <mn>2</mn></mfrac><msqrt> <mfrac><mi>p</mi><mi>f</mi> </mfrac></msqrt><mfrac> <msqrt><mi>π</mi><msub> <mi>μ</mi> <mn>0</mn></msub> </msqrt> <mrow><mn>2</mn><msup> <mi>π</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><mi>d</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mn>1</mn><mi>D</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>(一)式(一)中，d為內導體外徑，D為外導體內徑，ΔZf為趨附效應引入的阻抗影響量，c為自由空間傳播速度，等于2.99793×108米/秒，f為頻率，ρ為電阻率，μ0為自由空間磁導率，等于4π×10-7；根據第一步得到的外導體內徑D和內導體外徑d的測量結果，代入式(一)可以得到趨附效應引入的特性阻抗誤差ΔZf；第三步計算階越電容的影響量同軸無支撐精密空氣線內導體外徑和外導體內徑存在微小突變，即內外導體存在不連續(xù)面，表現為電容特性；分為兩種情況進行分析，第一、內導體認為是理想的，外徑尺寸不變，外導體內徑不連續(xù)；第二、外導體認為是理想的，內徑尺寸不變，內導體外徑不連續(xù)；根據第一步測量數據，對上述兩種情況分別建立計算模型及等效電路，當同軸無支撐空氣線內外導體間距不大于兩個不連續(xù)面之間的距離時，每個不連續(xù)面可以進行獨立處理，用α和τ來描述；式(二)用于內導體計算，其中r1、r2和r3為第一步內導體測試數據；式(三)用于外導體計算，其中r1、r2和r3為第一步外導體測試數據；根據計算得到的α和τ，采用表格查詢法求得各不連續(xù)面的階越電容； <mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>r</mi><mn>3</mn><mo>-</mo><mi>r</mi><mn>2</mn> </mrow> <mrow><mi>r</mi><mn>3</mn><mo>-</mo><mi>r</mi><mn>1</mn> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>r</mi><mn>3</mn> </mrow> <mrow><mi>r</mi><mn>1</mn> </mrow></mfrac> </mrow>(二) <mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>r</mi><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>r</mi><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>r</mi><mn>3</mn><mo>-</mo><mi>r</mi><mn>1</mn> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>r</mi><mn>3</mn> </mrow> <mrow><mi>r</mi><mn>1</mn> </mrow></mfrac> </mrow>(三)對內外導體各不連續(xù)面的階越電容求和得到內導體總的階越電容Cd_d和外導體總的階越電容Cd_D，兩者是并聯關系，可求得內外導體不連續(xù)面的總階越電容Cd，由階越電容Cd引入的阻抗誤差ΔZc為 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>Z</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>Z</mi><mo>·</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>c</mi> <mo>·</mo> <msub><mi>C</mi><mi>d</mi> </msub> <mo>·</mo> <mi>Z</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>(四)式(四)中，Z為內外導體計算得到的特性阻抗，c為自由空間傳播速度，等于2.99793×108米/秒；第四步計算偏心量的影響量偏心量引入的特性阻抗變化量ΔZe為 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>Z</mi> <mi>e</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><msqrt> <mfrac><mi>μ</mi><mi>ϵ</mi> </mfrac></msqrt><mi>ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <mrow><mn>4</mn><mi>e</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><mrow> <msup><mi>D</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup><mi>d</mi><mn>2</mn> </msup></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(五)式(五)中，d為內導體外徑，D為外導體內徑，e為內外導體的偏心量，μ、ε為填充介質的磁導率和介電常數，c等于2.99793×108米/秒；根據第一步外導體內徑、內導體外徑和偏心量的測量數據，代入式(五)可計算得到同軸阻抗標準內外導體偏心引入的特性阻抗誤差ΔZe；第五步計算特性阻抗同軸無支撐精密空氣線內外導體間填充介質為空氣，由外導體內徑和內導體外徑可以計算其特性阻抗為 <mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><msqrt> <mfrac><mi>μ</mi><mi>ϵ</mi> </mfrac></msqrt><mi>ln</mi><mfrac> <mi>D</mi> <mi>d</mi></mfrac> </mrow>(六)式(六)中，D為外導體內徑，d為內導體外徑，μ為填充介質磁導率，ε為填充介質介電常數；第六步計算修正后的特性阻抗標準值式(一)、式(四)和式(五)分別得到了趨膚效應、階越電容、偏心量對同軸無支撐空氣線引入的特性阻抗變化量，分別表示為ΔZf、ΔZc、ΔZe，按式(七)得到修正后的特性阻抗標準值Z_errZ_err＝Z+ΔZf+ΔZc+ΔZe (七)
2. 如權利要求1所述的一種同軸阻抗標準器的定標方法，其特征在于，所述外導體內 徑測量方法為在外導體兩端徑向方向分別選取至少兩個不同深度的切面測量外導體內 徑，得到4個測量結果，取測量結果的平均值作為外導體內徑值。
3. 如權利要求1所述的一種同軸阻抗標準器的定標方法，其特征在于，所述內導體外 徑測量方法為將內導體垂直方向放置，在有效幾何長度上均勻取至少IO個位置，分別測 量內導體外徑，得到10個測量結果，取測量結果的平均值作為內導體外徑值。
4. 如權利要求1所述的一種同軸阻抗標準器的定標方法，其特征在于，所述偏心量測 量方法選取兩個能夠與同軸無支撐精密空氣線兩端相連的連接器，測試兩個連接器的偏 心量，取其均值或最大值作為同軸無支撐精密空氣線的偏心量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同軸阻抗標準器的定標方法，包括第一步測量幾何量，第二步計算趨膚效應的影響量，第三步計算階越電容的影響量，第四步計算偏心量的影響量，第五步計算特性阻抗，第六步計算修正后的特性阻抗標準值。本發(fā)明除了考慮同軸無支撐精密空氣線的外導體內徑和內導體外徑外，還將內外導體的偏心、階越電容、趨膚效應等因素的影響量給予修正，有效的提高了同軸阻抗標準器的定標準確度。
文檔編號G01R27/02GK101788610SQ201010109120
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權日2010年2月11日
發(fā)明者宗惠慶, 張國華, 張娜, 成俊杰, 琚小琳, 陳婷, 高春彥 申請人:北京無線電計量測試研究所