[科普中国]-电长度

定义：微带传输线的物理长度与所传输电磁波波长之比为电长度，用L（L上一横）=L/λ。其中λ为波长，L为传输线的物理长度。

电长度测量方法探究从电长度的概念出发，主要介绍了使用网络分析仪来实现电长度测量的三种方法，分别是频域电延迟法、时域反射法和时域传输法；针对三种不同方法分别做了试验。1

电长度的概念在传输线中常用一个称为电长度的参数来衡量电缆的电气性能。工厂生产电缆时，因为制造工艺的关系，使得每一批电缆的电气指标都存在着差别，比如同是一段物理长度一样的两条电缆，对同一个高频信号来说它反映的电性能就不一样，因此就引入了一个电长度的概念。它反映了在一段单位物理长度内，电缆对某一频率信号所表现出来的特性。对于特性相同的电缆来说，当它的物理长度相同时，它们的电长度也相同；当它的特性不等时，电缆的物理长度相同而它们的电长度不相同，所以可以用电长度这个指标来衡量电缆性能的一致性。1

电长度具体定义为：传输线的机械长度 (或几何长度 )与线上传输电磁波的波长比值。它是以波长 λ归一化到传输线长度d/λ (其中d是传输线的机械长度 )。

电长度的另一种定义：对于传输媒介，电长度用它的物理长度 (即机械长度或几何长度 )乘以电或电磁信号在媒介中的传输时间 (时间为a)与这一信号在自由空间中通过跟媒介物理长度一样的距离时所需的时间 (时间为b)的比来表示，即

电长度 =物理长度 ×a/b1

电长度测量方法介绍三种用以实现电长度测试的方法。测试所用的仪器是矢量网络分析仪8722ES，被测件选择一段标准空气线，其机械长度为289.28mm。1

频域电延迟法测电长度频域电延迟法借助 8722ES矢量网络分析仪本身的ElectricalDelay功能可直接实现电长度的测试。早期的分析仪是机械式的线延长器，网络分析仪则使用数字方法来实现这一功能。具体原理是模拟一段可变长度的无损传输线，可以通过增加或减少分析仪接收机的输入来补偿连接到分析仪上的电缆、SAW(表面声波 )滤波器等被测件。

1)按下网络分析仪的 Preset键，然后进行测试设置。具体步骤为：①按下 Meas键选择测试项目 为Trans：FWDS21 (B/R)；②设置中心频率 Center和频段 Span；③设置数据显示方式 Format为 PHASE；④设置显示刻度 ScaleRef为 AUTOSCALE。此外，还可以进行其它设置，比如数据的点数、平均和中频带宽。

2)用直通件代替被测件接入分析仪并对其进行响应校准。1

3)接入被测件，显示的是线性变化的相位，它是由于被测件的电长度造成的，测试中可通过增加电长度 (电延迟 )进行补偿以测出这一变化的相位。

4)按 Marker键在中心频率处放一标记。

5)激活电延迟功能 ：ScaleRef※ELECTRICALDELAY，并转动网络分析仪前面板的旋钮以增加电长度，直到屏幕显示一条很平整的直线。此时屏幕上显示的数值就是被测空气线的电长度。1

时域反射法测电长度介绍一下矢网的时域功能 (选件010)。通过时域选项可以测试器件的时域响应。测试过程是：测试得到器件的 频域响应；依靠分 析仪内部 的计算机，运用傅立叶逆变换将频域信息转化为时域。 最终得到的结果是器件的时域响应，它显示了测得的参数值随时间的变化，这些参数对应频域中的传输测量或反射测量，是频域数据通过傅立叶变换技术转换到时域中的时域数据，并以时间为横轴显示出来。在电长度中还可以显示标尺 (或在输入相对传播速度时在物理长度中显示标尺 )。

时域反射法正是利用了矢量网络分析仪的时域功能来实现电长度的测试。具体步骤如下(将机械长度为 289.28mm的空气线作为被测件 )：

1)设置 8722ES测试参数。首先按下 Meas键选择测试项目为 Ref1：FWDS11 (A/R)；然后设置起始终止频率分别为7.5GHz、12.5GHz。

2)对矢网进行单端口校准。

3)连接仪器与被测件，被测空气线在末端开路 (或短路 )的情况下进行测试。1

4)为得到更好的测试曲线，设置显示刻度 ScaleRef为 AUTOSCALE，这时得到的是被测件的频域反射响应。

5)将测试数据从频域转换到时域，打开转换功能，操作如下：System※TRANSFORM MENU※BAND-PASS※TRANSFORM ON。

6)选择时域特性显示格式Format为 LIN MAG，并设置起始终止时间，Start为 -1ns，Stop为4ns。1

时域传输法测电长度时域传输法也是利用矢量网络分析仪的时域功能来实现电长度测试的。先在频域测试得到被测件的频域回波损耗数据，而后通过傅立叶变换将其转换到时域，得到被测件的时域响应。具体测试步骤如下：

1)设置8722ES测试参数。首先按下Meas键选择测试项目为Trans：FWDS21 (B/R)，然后设置起始终止频率分别为7.5GHz和 12.5 GHz，设置显示刻度ScaleRef为 AUTOSCALE。

2)连接仪器与被测件并将被测件换作直通件，对矢网进行响应 (Response)校准。1

3)为得到更好的测试曲线，设置显示刻度 ScaleRef为 AUTOSCALE，这时得到的是被测件的频域传输响应。

4)将测试数据从频域转换到时域，打开转换功能并设置扫描时间。 操作如下：System※TRANSFORMMENU※BANDPASS※TRANSFORM ON；Start设为 -1ns， Stop设为 4ns。

5)在被测件的时间或长度上观察时域特性。选取主通道的峰值响应， 按下MarkerSearch键，选 择SEARCH：MAX，此时峰值对应的距离就是所求得电长度的值。1

一种基于恒电长度干涉仪测向的工程实现方法在雷达对抗中，相位法干涉仪测 向技术是用于对雷达辐射源进行精确测向的重要技术。在相位法干涉仪测向技术的基础上，研究了恒电长度单基线干 涉仪的测向原理，探讨了恒电长度单基 线干涉仪在 天线设计中 所涉及的 工程问题，并提出了解决方法，最后通过试验验证了恒电长度单基线干涉仪测向工程化的可行性。

恒电干涉仪测向技术的工程原理在工程应用中，要实现干涉仪测向系统基线长度与信号波长比值为常数，最容易想到的就是通过天线设计来实现。如果存在一种天线以任意的比例变换以后仍等于它原来的结构，则它的电性能将与频率无关，那么通过天线的布阵就可能实现上述设想。实际工程应用中就存在这样的天线，螺旋圆锥天线就是典型的非频变天线。

圆锥螺旋天线具有如下3个重要的电特性：

(1)方向特性：

螺旋圆锥天线的辐射特性主要由周长约(0.8～1.3)λ的一组螺旋线决定，也就是说，如果要覆盖宽带频率，各个频点的辐射特性决定于各自频率点波长相对应的螺旋臂上(0.8～ 1.3)λ周长的螺旋线。

(2)相位中心：

圆锥螺旋天线的半径b是个变数，所以在工作频率一定时，满足螺旋线1周长度略小于1个波长的位置在圆锥上是确定的。可以认为，圆锥螺旋天线的相位中心即位于此有效辐射区中的圆锥对称轴上。工程中相位中心的实际位置与圆锥螺旋天线的相位中心所对应的位置略有差异：

(3)工作带宽：

圆锥螺旋天线的工作带宽主要由其几何参数决定。天线的上限工作频率由圆锥小端半径决定。

恒电长度单基线干涉仪测向工程设计天线是实现恒电长度单基线干涉仪测向关键。天线设计对恒电长度单基线干涉仪测向的影响以及解决办法。

1、天线工程制作的影响：

在天线的工程设计中，不可能完全保证工程设计同理论设计完全一致，在实际工程设计中必须叠加诸如由设计、选料、生产和制作等过程引起的偏差因素，综合对选料、生产、工艺等方面的测算，这个最大偏差包含安装角度偏差、孔位偏差、螺旋线相对于轴心的偏差等，这些都属于机械的偏差，此外还有计算偏差 、线路不均匀 、馈电电流不平衡等引起的偏差，这些偏差造成天线设计的电性能偏移了理论设计值；同时，该制作偏差必然导致天线的一致性存在差异，这也将间接影响天线布阵的效果以及工程化指标的实现。

2、天线互耦的影响：

在经典天线理论中，阵列天线的辐射方向图可表示为阵因子和单元因子的乘积，但实际上由于阵列单元之间存在互耦，位于阵列中不同区域的各单元所处环境是不同的，因而几何尺寸相同的单元天线所形成的单元方向图并不相同。但是在天线布阵形式确定的情况下，其方向图却是一定的，沿着这个思路将变化的方向图按照理论值进行修正，就可以达到无互耦时的效果。

校正方法需要综合考虑阵元位置误差(天线加工和布阵引起)和阵元间互耦效应的影响，并将流形向量视为以阵元位置参数和阵元间互耦参数为参量而以入射角参数为变量的函数。最后，通过测得校正数据，并由其估计多个方位的流形向量，求取阵元位置参数和包含通道幅度相位参数与阵元间互耦参数的校正矩阵。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所