专利名称：一种同轴阻抗标准器的定标方法
技术领域：
本发明涉及一种阻抗标准器的定标方法，特别是一种同轴阻抗标准器的定标方法。 阻抗参数用于描述系统的匹配性能，影响着系统的效率和整体指标，在微波系统 设计中是非常重要的参数之一。同轴无支撑精密空气线以内外导体尺寸固定、空气介质填 充等特点被用作同轴阻抗标准器，其特性阻抗定义越准确，用其校准后的网络分析仪测量 精度越高。 目前普遍采用的定标方法是由长度计量中心对同轴无支撑空气线的内导体外径 和外导体内径进行精密测量，当内外导体间填充介质为空气时，由外导体内径和内导体外 径求得其特性阻抗。但这种定标方法忽略了内外导体的偏心、阶越电容、趋肤效应等因素对 同轴无支撑空气线特性阻抗的影响，降低了同轴阻抗标准器的定标准确度。
发明内容
本发明目的在于避免以上现有技术的不足提供一种同轴阻抗标准器的定标方法。
本发明的技术方案为 —种同轴阻抗标准器的定标方法，包括如下步骤
第一步测量几何量 将同轴无支撑精密空气线和可与其相连的两个连接器送长度计量一级站，分别对 外导体内径、内导体外径和偏心量进行测量；
第二步计算趋肤效应的影响量 趋肤效应对同轴无支撑精密空气线引入的是一个矢量阻抗， 式(一)中，d为内导体外径，D为外导体内径，AZf为趋附效应引入的阻抗影响 量，c为自由空间传播速度，等于2.99793X 108米/秒，f为频率，P为电阻率，P。为自由 空间磁导率，等于"X10—7; 根据第一步得到的外导体内径D和内导体外径d的测量结果，代入式(一)可以 得到趋附效应引入的特性阻抗误差AZf ;
第三步计算阶越电容的影响量 同轴无支撑精密空气线内导体外径和外导体内径存在微小突变，即内外导体存在 不连续面，表现为电容特性；分为两种情况进行分析，第一、内导体认为是理想的，外径尺寸 不变，外导体内径不连续；第二、外导体认为是理想的，内径尺寸不变，内导体外径不连续。 根据第一步测量数据，对上述两种情况分别建立计算模型及等效电路，当同轴无支撑空气 线内外导体间距不大于两个不连续面之间的距离时，每个不连续面可以进行独立处理，用
背景技术：
4a和t来描述；式(二)用于内导体计算，其中rl、r2和r3为第一步内导体测试数据，见 图5;式(三)用于外导体计算，其中rl、r2和r3为第一步外导体测试数据，见图6。根据 计算得到的a和t，采用表格查询法求得各不连续面的阶越电容； a-I^I^碎(二) r3 —rl rl
r ，， r2-rl r3 一 a =-t 二 一 ( 二 )
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和外导体总 由阶越电容 对内外导体各不连续面的阶越电容求和得到内导体总的阶越电容Cd 的阶越电容CdD，两者是并联关系，可求得内外导体不连续面的总阶越电容Cd Cd引入的阻抗误差AZ。为 式(四)中，Z为内外导体计算得到的特性阻抗，c为自由空间传播速度，等于
2. 99793Xl()8米/秒； 第四步计算偏心量的影响量 偏心量引入的特性阻抗变化量A Ze为 AZe = ^、 -:^^)(五)
2;r V eD' -d' 式(五)中，d为内导体外径，D为外导体内径，e为内外导体的偏心量，P 、 e为 填充介质的磁导率和介电常数，c等于2. 99793 X 108米/秒； 根据第一步外导体内径、内导体外径和偏心量的测量数据，代入式(五)可计算得 到同轴阻抗标准内外导体偏心引入的特性阻抗误差AZe ;
第五步计算特性阻抗 同轴无支撑精密空气线内外导体间填充介质为空气，由外导体内径和内导体外径 可以计算其特性阻抗为 z^丄Jtln^(六) 式(六)中，D为外导体内径，d为内导体外径，ii为填充介质磁导率，e为填充 介质介电常数； 第六步计算修正后的特性阻抗标准值 式(一)、式(四)和式(五)分别得到了趋肤效应、阶越电容、偏心量对同轴无支 撑空气线引入的特性阻抗变化量，分别表示为AZf、 AZ。、 A&，按式(七)得到修正后的特 性阻抗标准值Z， Z err = Z+ A Zf+ A Zc+ A Ze (七) 所述外导体内径测量方法为在外导体两端径向方向分别选取至少两个不同深度 的切面测量外导体内径，得到4个测量结果，取测量结果的平均值作为外导体内径值。
所述内导体外径测量方法为将内导体垂直方向放置，在有效几何长度上均匀取 至少IO个位置，分别测量内导体外径，得到IO个测量结果，取测量结果的平均值作为内导 体外径值。 所述偏心量测量方法选取两个能够与同轴无支撑精密空气线两端相连的连接
5器，测试两个连接器的偏心量，取其均值或最大值作为同轴无支撑精密空气线的偏心量。
本发明除了考虑同轴无支撑精密空气线的外导体内径和内导体外径外，还将内外 导体的偏心、阶越电容、趋肤效应等因素的影响量给予修正，有效的提高了同轴阻抗标准器 的定标准确度。 图1为同轴无支撑空气线内导体理想外导体内径不连续的计算模型； 图2为同轴无支撑空气线内导体理想外导体内径不连续的等效电路； 图3为同轴无支撑空气线外导体理想内导体外径不连续的计算模型； 图4为同轴无支撑空气线外导体理想内导体外径不连续的等效电路； 图5为同轴无支撑空气线内导体不连续面示意图； 图6为同轴无支撑空气线外导体不连续面示意图。
具体实施例方式
如图1-6所示， 一种同轴阻抗标准器的定标方法的具体步骤如下
第一步测量几何量 选取满足计量特性要求的长度计量标准分别对同轴无支撑精密空气线的外导体 内径、内导体外径和偏心量进行测量。外导体内径测量方法在外导体两端径向方向分别选 取两个不同深度的切面测量外导体内径，得到4个测量结果。内导体外径测量方法将内导
体垂直方向放置，在有效几何长度上均匀取io个位置，分别测量内导体外径，得到IO个测
量结果。偏心量测量方法选取两个能够与同轴无支撑精密空气线两端相连的连接器，测试
两个连接器的偏心量即为同轴无支撑精密空气线的偏心量。
第二步计算趋肤效应的影响量 同轴无支撑精密空气线通常采用铜镀金工艺，具有有限的导电率，因此传输微波 信号时存在趋肤效应。趋肤效应对同轴无支撑精密空气线引入的是一个矢量阻抗。 式(一)中，d为外导体内径，D为外导体内径，AZf为趋附效应引入的阻抗影响 量，c为自由空间传播速度，等于2.99793X 108米/秒，f为频率，P为电阻率，P。为自由 空间磁导率，等于4Ji X10—7。 根据第一步得到的外导体内径D和内导体外径d的测量结果，代入式(一)可以 得到趋附效应引入的特性阻抗误差AZf。从式(一)知趋肤效应引入的特性阻抗误差与 同轴无支撑精密空气线的尺寸和频率成反比。对于固定尺寸的同轴空气线来说，当频率越 低，趋肤效应所引入的阻抗误差越大，反之越小。对于相同频率，同轴空气线尺寸越小趋肤 效应引入的误差越大，尺寸越大趋肤效应弓I入的误差越小。
第三步计算阶越电容的影响量 同轴无支撑精密空气线内导体外径和外导体内径存在微小突变，即内外导体存在 不连续面，表现为电容特性；分为两种情况进行分析，第一、内导体认为是理想的，外径尺寸 不变，外导体内径不连续；第二、外导体认为是理想的，内径尺寸不变，内导体外径不连续。
根据第一步测量数据，对上述第一种情况按图1和图2建立计算模型及等效电路，对上述第 二种情况按图3和图4建立计算模型和等效电路。当同轴无支撑空气线内外导体间距不 大于两个不连续面之间的距离时，每个不连续面可以进行独立处理，用a和t来描述；式 (二)用于内导体计算，其中rl、r2和r3为第一步内导体测试数据，见图5;式(三)用于 外导体计算，其中rl、r2和r3为第一步外导体测试数据，见图6。根据计算得到的a和t， 采用表格查询法求得各不连续面的阶越电容； c^I^I^碎(二) r3_rl rla = ￡^Z￡^』(三) r3-rl rl 对内外导体各不连续面的阶越电容求和得到内导体总的阶越电容Cdd和外导体总 的阶越电容CdD，两者是并联关系，可求得总的阶越电容Cd。由阶越电容Cd引入的阻抗误差 AZc为 "^.1 + 1/(二.。固 式(四)中，Z为内外导体计算得到的特性阻抗，c为自由空间传播速度，等于
2. 99793Xl()8米/秒。 第四步计算偏心量的影响量 偏心量引入的特性阻抗变化量A Ze为 AZe =丄J l - ~(五) 式(五)中，d为外导体内径，D为外导体内径，e为内外导体的偏心量，ii、 e为 填充介质的磁导率和介电常数，c等于2. 99793X 108米/秒。 根据第一步外导体内径、内导体外径和偏心量的测量数据，代入式(五)可计算得 到同轴阻抗标准内外导体偏心引入的特性阻抗误差AZe。
第五部计算特性阻抗 同轴无支撑精密空气线内外导体间填充介质为空气，由外导体内径和内导体外径 可以计算其特性阻抗为 Z = :^ln7(A) 式(六)中，D为外导体内径，d为内导体外径，为填充介质磁导率，e为填充 介质介电常数。 式(六)为目前普遍采用的同轴阻抗标准器特性阻抗的定标计算公式，它忽略了 趋肤效应、阶越电容、偏心量的影响，应对其作进一步修正。式(一)、式(四)和式(五) 分别得到了趋肤效应、阶越电容、偏心量对同轴无支撑空气线引入的特性阻抗变化量，分别 表示为AZf、 AZ。、 A&。按式(七)进行修正，修正后得到的特性阻抗标准值Z，更贴近 于真实值。 Z err = Z+ A Zf+ A Zc+ A Ze(七) 以同轴2.4mm无支撑精密空气线为例来说明其定标方法，同轴2. 4mm阻抗参数 最高标准器是同轴2. 4mm无支撑精密空气线，将其和两个常用的连接器送至国防长度计
7量一级站测量外导体内径、内导体外径和偏心量。外导体内径四次测量结果的平均值为 2. 403mm，内导体外径十次测量结果的平均值为1. 043mm，偏心量小于15um。由外导体内径 和内导体外径得到的阻抗定标值为50. 0425Q 。按照上述步骤分别计算得到趋肤效应、阶 越电容、偏心量对同轴无支撑空气线引入的特性阻抗变化量，分别为0. 6489 Q 、0. 0075 Q 、 0. Oil Q 。修正后的定标值为50. 70 Q ，与网络分析仪的测量结果50. 89 Q符合更好。
本发明考虑同轴无支撑精密空气线的偏心、阶越电容、趋肤效应等因素的影响量， 对普遍采用的定标方法给予修正，有效的提高了同轴阻抗标准器的定标准确度。
权利要求
一种同轴阻抗标准器的定标方法，其特征在于，包括如下步骤第一步测量几何量将同轴无支撑精密空气线和可与其相连的两个连接器送长度计量一级站，分别对外导体内径、内导体外径和偏心量进行测量；第二步计算趋肤效应的影响量趋肤效应对同轴无支撑精密空气线引入的是一个矢量阻抗， <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为内导体外径，D为外导体内径，ΔZf为趋附效应引入的阻抗影响量，c为自由空间传播速度，等于2.99793×108米/秒，f为频率，ρ为电阻率，μ0为自由空间磁导率，等于4π×10-7；根据第一步得到的外导体内径D和内导体外径d的测量结果，代入式(一)可以得到趋附效应引入的特性阻抗误差ΔZf；第三步计算阶越电容的影响量同轴无支撑精密空气线内导体外径和外导体内径存在微小突变，即内外导体存在不连续面，表现为电容特性；分为两种情况进行分析，第一、内导体认为是理想的，外径尺寸不变，外导体内径不连续；第二、外导体认为是理想的，内径尺寸不变，内导体外径不连续；根据第一步测量数据，对上述两种情况分别建立计算模型及等效电路，当同轴无支撑空气线内外导体间距不大于两个不连续面之间的距离时，每个不连续面可以进行独立处理，用α和τ来描述；式(二)用于内导体计算，其中r1、r2和r3为第一步内导体测试数据；式(三)用于外导体计算，其中r1、r2和r3为第一步外导体测试数据；根据计算得到的α和τ，采用表格查询法求得各不连续面的阶越电容； <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)对内外导体各不连续面的阶越电容求和得到内导体总的阶越电容Cd_d和外导体总的阶越电容Cd_D，两者是并联关系，可求得内外导体不连续面的总阶越电容Cd，由阶越电容Cd引入的阻抗误差ΔZc为 <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为内外导体计算得到的特性阻抗，c为自由空间传播速度，等于2.99793×108米/秒；第四步计算偏心量的影响量偏心量引入的特性阻抗变化量ΔZe为 <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为内导体外径，D为外导体内径，e为内外导体的偏心量，μ、ε为填充介质的磁导率和介电常数，c等于2.99793×108米/秒；根据第一步外导体内径、内导体外径和偏心量的测量数据，代入式(五)可计算得到同轴阻抗标准内外导体偏心引入的特性阻抗误差ΔZe；第五步计算特性阻抗同轴无支撑精密空气线内外导体间填充介质为空气，由外导体内径和内导体外径可以计算其特性阻抗为 <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为外导体内径，d为内导体外径，μ为填充介质磁导率，ε为填充介质介电常数；第六步计算修正后的特性阻抗标准值式(一)、式(四)和式(五)分别得到了趋肤效应、阶越电容、偏心量对同轴无支撑空气线引入的特性阻抗变化量，分别表示为ΔZf、ΔZc、ΔZe，按式(七)得到修正后的特性阻抗标准值Z_errZ_err＝Z+ΔZf+ΔZc+ΔZe (七)
2. 如权利要求1所述的一种同轴阻抗标准器的定标方法，其特征在于，所述外导体内 径测量方法为在外导体两端径向方向分别选取至少两个不同深度的切面测量外导体内 径，得到4个测量结果，取测量结果的平均值作为外导体内径值。
3. 如权利要求1所述的一种同轴阻抗标准器的定标方法，其特征在于，所述内导体外 径测量方法为将内导体垂直方向放置，在有效几何长度上均匀取至少IO个位置，分别测 量内导体外径，得到10个测量结果，取测量结果的平均值作为内导体外径值。
4. 如权利要求1所述的一种同轴阻抗标准器的定标方法，其特征在于，所述偏心量测 量方法选取两个能够与同轴无支撑精密空气线两端相连的连接器，测试两个连接器的偏 心量，取其均值或最大值作为同轴无支撑精密空气线的偏心量。
全文摘要
本发明涉及一种同轴阻抗标准器的定标方法，包括第一步测量几何量，第二步计算趋肤效应的影响量，第三步计算阶越电容的影响量，第四步计算偏心量的影响量，第五步计算特性阻抗，第六步计算修正后的特性阻抗标准值。本发明除了考虑同轴无支撑精密空气线的外导体内径和内导体外径外，还将内外导体的偏心、阶越电容、趋肤效应等因素的影响量给予修正，有效的提高了同轴阻抗标准器的定标准确度。
文档编号G01R27/02GK101788610SQ201010109120
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者宗惠庆, 张国华, 张娜, 成俊杰, 琚小琳, 陈婷, 高春彦 申请人:北京无线电计量测试研究所