基本介紹
- 中文名：電長度
- 外文名：electrical length
- 分類：科學
方法探究,概念,測量方法,測電長度,時域反射法,時域傳輸法,實現方法,工程原理,工程設計,
方法探究
從電長度的概念出發，主要介紹了使用網路分析儀來實現電長度測量的三種方法，分別是頻域電延遲法、時域反射法和時域傳輸法；針對三種不同方法分別做了試驗。
概念
在傳輸線中常用一個稱為電長度的參數來衡量電纜的電氣性能。工廠生產電纜時，因為製造工藝的關係，使得每一批電纜的電氣指標都存在著差別，比如同是一段物理長度一樣的兩條電纜，對同一個高頻信號來說它反映的電性能就不一樣，因此就引入了一個電長度的概念。它反映了在一段單位物理長度內，電纜對某一頻率信號所表現出來的特性。對於特性相同的電纜來說，當它的物理長度相同時，它們的電長度也相同；當它的特性不等時，電纜的物理長度相同而它們的電長度不相同，所以可以用電長度這個指標來衡量電纜性能的一致性。
電長度具體定義為：傳輸線的機械長度 (或幾何長度 )與線上傳輸電磁波的波長比值。它是以波長 λ歸一化到傳輸線長度d/λ (其中d是傳輸線的機械長度 )。
電長度的另一種定義：對於傳輸媒介，電長度用它的物理長度 (即機械長度或幾何長度 )乘以電或電磁信號在媒介中的傳輸時間 (時間為a)與這一信號在自由空間中通過跟媒介物理長度一樣的距離時所需的時間 (時間為b)的比來表示，即
電長度 =物理長度 ×a/b
測量方法
介紹三種用以實現電長度測試的方法。測試所用的儀器是矢量網路分析儀8722ES，被測件選擇一段標準空氣線，其機械長度為289.28mm。
測電長度
頻域電延遲法藉助 8722ES矢量網路分析儀本身的ElectricalDelay功能可直接實現電長度的測試。早期的分析儀是機械式的線延長器，網路分析儀則使用數字方法來實現這一功能。具體原理是模擬一段可變長度的無損傳輸線，可以通過增加或減少分析儀接收機的輸入來補償連線到分析儀上的電纜、SAW(表面聲波 )濾波器等被測件。
1)按下網路分析儀的 Preset鍵，然後進行測試設定。具體步驟為：①按下 Meas鍵選擇測試項目 為Trans：FWDS21 (B/R)；②設定中心頻率 Center和頻段 Span；③設定數據顯示方式 Format為 PHASE；④設定顯示刻度 ScaleRef為 AUTOSCALE。此外，還可以進行其它設定，比如數據的點數、平均和中頻頻寬。
2)用直通件代替被測件接入分析儀並對其進行回響校準。
3)接入被測件，顯示的是線性變化的相位，它是由於被測件的電長度造成的，測試中可通過增加電長度 (電延遲 )進行補償以測出這一變化的相位。
4)按 Marker鍵在中心頻率處放一標記。
5)激活電延遲功能 ：ScaleRef※ELECTRICALDELAY，並轉動網路分析儀前面板的旋鈕以增加電長度，直到螢幕顯示一條很平整的直線。此時螢幕上顯示的數值就是被測空氣線的電長度。
時域反射法
介紹一下矢網的時域功能 (選件010)。通過時域選項可以測試器件的時域回響。測試過程是：測試得到器件的 頻域回響；依靠分 析儀內部 的計算機，運用傅立葉逆變換將頻域信息轉化為時域。 最終得到的結果是器件的時域回響，它顯示了測得的參數值隨時間的變化，這些參數對應頻域中的傳輸測量或反射測量，是頻域數據通過傅立葉變換技術轉換到時域中的時域數據，並以時間為橫軸顯示出來。在電長度中還可以顯示標尺 (或在輸入相對傳播速度時在物理長度中顯示標尺 )。
時域反射法正是利用了矢量網路分析儀的時域功能來實現電長度的測試。具體步驟如下(將機械長度為 289.28mm的空氣線作為被測件 )：
1)設定 8722ES測試參數。首先按下 Meas鍵選擇測試項目為 Ref1：FWDS11 (A/R)；然後設定起始終止頻率分別為7.5GHz、12.5GHz。
2)對矢網進行單連線埠校準。
3)連線儀器與被測件，被測空氣線在末端開路 (或短路 )的情況下進行測試。
4)為得到更好的測試曲線，設定顯示刻度 ScaleRef為 AUTOSCALE，這時得到的是被測件的頻域反射回響。
5)將測試數據從頻域轉換到時域，打開轉換功能，操作如下：System※TRANSFORM MENU※BAND-PASS※TRANSFORM ON。
6)選擇時域特性顯示格式Format為 LIN MAG，並設定起始終止時間，Start為 -1ns，Stop為4ns。
時域傳輸法
時域傳輸法也是利用矢量網路分析儀的時域功能來實現電長度測試的。先在頻域測試得到被測件的頻域回波損耗數據，而後通過傅立葉變換將其轉換到時域，得到被測件的時域回響。具體測試步驟如下：
1)設定8722ES測試參數。首先按下Meas鍵選擇測試項目為Trans：FWDS21 (B/R)，然後設定起始終止頻率分別為7.5GHz和 12.5 GHz，設定顯示刻度ScaleRef為 AUTOSCALE。
2)連線儀器與被測件並將被測件換作直通件，對矢網進行回響 (Response)校準。
3)為得到更好的測試曲線，設定顯示刻度 ScaleRef為 AUTOSCALE，這時得到的是被測件的頻域傳輸回響。
4)將測試數據從頻域轉換到時域，打開轉換功能並設定掃描時間。 操作如下：System※TRANSFORMMENU※BANDPASS※TRANSFORM ON；Start設為 -1ns， Stop設為 4ns。
5)在被測件的時間或長度上觀察時域特性。選取主通道的峰值回響， 按下MarkerSearch鍵，選 擇SEARCH：MAX，此時峰值對應的距離就是所求得電長度的值。
實現方法
在雷達對抗中，相位法干涉儀測 向技術是用於對雷達輻射源進行精確測向的重要技術。在相位法干涉儀測向技術的基礎上，研究了恆電長度單基線乾 涉儀的測向原理，探討了恆電長度單基 線干涉儀在 天線設計中 所涉及的 工程問題，並提出了解決方法，最後通過試驗驗證了恆電長度單基線干涉儀測向工程化的可行性。
工程原理
在工程套用中，要實現干涉儀測向系統基線長度與信號波長比值為常數，最容易想到的就是通過天線設計來實現。如果存在一種天線以任意的比例變換以後仍等於它原來的結構，則它的電性能將與頻率無關，那么通過天線的布陣就可能實現上述構想。實際工程套用中就存在這樣的天線，螺旋圓錐天線就是典型的非頻變天線。
圓錐螺旋天線具有如下3個重要的電特性：
(1)方向特性：
螺旋圓錐天線的輻射特性主要由周長約(0.8～1.3)λ的一組螺旋線決定，也就是說，如果要覆蓋寬頻頻率，各個頻點的輻射特性決定於各自頻率點波長相對應的螺旋臂上(0.8～ 1.3)λ周長的螺旋線。
(2)相位中心：
圓錐螺旋天線的半徑b是個變數，所以在工作頻率一定時，滿足螺旋線1周長度略小於1個波長的位置在圓錐上是確定的。可以認為，圓錐螺旋天線的相位中心即位於此有效輻射區中的圓錐對稱軸上。工程中相位中心的實際位置與圓錐螺旋天線的相位中心所對應的位置略有差異：
(3)工作頻寬：
圓錐螺旋天線的工作頻寬主要由其幾何參數決定。天線的上限工作頻率由圓錐小端半徑決定。
工程設計
天線是實現恆電長度單基線干涉儀測向關鍵。天線設計對恆電長度單基線干涉儀測向的影響以及解決辦法。
1、天線工程製作的影響：
在天線的工程設計中，不可能完全保證工程設計同理論設計完全一致，在實際工程設計中必須疊加諸如由設計、選料、生產和製作等過程引起的偏差因素，綜合對選料、生產、工藝等方面的測算，這個最大偏差包含安裝角度偏差、孔位偏差、螺旋線相對於軸心的偏差等，這些都屬於機械的偏差，此外還有計算偏差 、線路不均勻 、饋電電流不平衡等引起的偏差，這些偏差造成天線設計的電性能偏移了理論設計值；同時，該製作偏差必然導致天線的一致性存在差異，這也將間接影響天線布陣的效果以及工程化指標的實現。
2、天線互耦的影響：
在經典天線理論中，陣列天線的輻射方向圖可表示為陣因子和單元因子的乘積，但實際上由於陣列單元之間存在互耦，位於陣列中不同區域的各單元所處環境是不同的，因而幾何尺寸相同的單元天線所形成的單元方向圖並不相同。但是在天線布陣形式確定的情況下，其方向圖卻是一定的，沿著這個思路將變化的方向圖按照理論值進行修正，就可以達到無互耦時的效果。
校正方法需要綜合考慮陣元位置誤差(天線加工和布陣引起)和陣元間互耦效應的影響，並將流形向量視為以陣元位置參數和陣元間互耦參數為參量而以入射角參數為變數的函式。最後，通過測得校正數據，並由其估計多個方位的流形向量，求取陣元位置參數和包含通道幅度相位參數與陣元間互耦參數的校正矩陣。
