《3cm波段波导转换器损耗测量方法与实验研究》

引言

3cm波段（对应频率范围约8.2~12.4GHz，属X波段）是微波工程中核心应用频段，波导转换器作为衔接不同波导接口、模式或频段的关键元件，其损耗特性直接决定雷达、通信及测试系统的功率传输效率与信号完整性。精准测量波导转换器的插入损耗，是器件性能评估与系统设计优化的核心前提。本文围绕3cm波段波导转换器损耗测量，从原理、实验方案到结果分析展开深入研究。

一、测量原理与理论基础

波导转换器的损耗以插入损耗（Insertion Loss, IL）为核心指标，定义为器件插入前后系统输出与输入功率比的对数形式：
[ IL = 10\lg\left(\frac{P{\text{in,直通}}}{P{\text{out,插入}}}\right) ]

在微波测试中，矢量网络分析仪（VNA）通过测量传输参数( S_{21} )的dB值量化损耗。测量需先对测试链路（含波导夹具、同轴-波导转换器等）校准，消除链路固有损耗干扰，再以“直通-插入”对比法提取器件净损耗。

ln575.cn

二、实验系统搭建与校准

1. 核心器件选择

波导与转换器：3cm波段对应标准矩形波导WR-90（内壁22.86mm×10.16mm），测试器件为矩形-矩形渐变波导转换器（模式匹配型）；
测试仪器：Keysight N5224B VNA（覆盖10MHz~43.5GHz）、WR-90同轴-波导转换器（衔接VNA与波导系统）、高精度匹配负载（驻波比≤1.02）。

2. 系统校准

采用波导SOLT校准法（Short、Open、Load、Through）对波导测试夹具全二端口校准，确保VNA测得( S )参数仅反映被测器件特性。校准后直通链路（无转换器）的( S_{21,\text{ref}} )接近0dB（理想无耗），实际因波导传输损耗呈微小负值（如WR-90每米损耗约0.5dB，短链路可忽略）。

三、损耗测量流程与数据处理

直通基准测量：移除转换器，连接输入/输出波导形成直通链路，测量8.2~12.4GHz全频段( S_{21,\text{ref}} )，记录频率-损耗曲线。
器件插入测量：接入被测转换器，保持环境稳定，测量( S_{21,\text{meas}} )。
损耗计算：转换器插入损耗为( IL = S{21,\text{ref}} - S{21,\text{meas}} )，需在9GHz、10GHz、11GHz、12GHz等特征频率点重复测量取平均，降低随机误差。