微波無源器件實驗報告教材

1、實驗一：衰減器171、實驗設置的意義在射頻和微波傳輸系統(tǒng)中，通常需要控制功率電平，改善動態(tài)范圍，衰減器有 時作為一個去耦元件減小后級對前級的影響，也可以作為比較功率電平相對標準。 從射頻和微波網(wǎng)絡觀點來看，衰減器是一個二端口有耗微波網(wǎng)絡，它屬于通過型 微波元件。2、實驗目的(1) 學會用矢量網(wǎng)絡分析儀測量功率衰減器的 S參數(shù)；(2) 了解衰減器結構特點，設計方法。3、實驗原理功率衰減器是一種能量損耗性射頻/微波元件，它是一個雙端口網(wǎng)絡結構，其 技術指標包括衰減器的工作頻帶、衰減量、功率容量、回波損耗。衰減量：如圖1-1所示，其信號輸入端(Port-1 )的功率為Pi,而其輸出端 (Port-2

2、 )的功率為P2。若R、P2以分貝毫瓦(dBm來表示，且衰減器之功率衰 減量為A(dB),則兩端功率間的關系，可寫成：P 2(dBm) = P 1(dBm) - A (dB) 亦即 A(dB) = 10log P2(mW) P (mW)Port-2P2Port-1P1 功率衰減器圖1-1功率容量：衰減器是一種能量損耗性射頻/微波元件，能量損耗后會變成熱能。 可以想像，材料結構確定后，衰減器的功率容量也就確定了。如果讓衰減器的承 受功率超過這個極限，衰減器就會燒毀?；夭〒p耗：回波損耗就是衰減器的駐波比。集中參數(shù)衰減器是利用電阻構成 T型或n形網(wǎng)絡來實現(xiàn)的，其設計方法說明 如下：(1) 固定型(F

3、ixed Attenuator )此型電路僅利用電阻來設計。按結構可分成T形及n形,如圖1-2(a)(b)所示。圖1-2(a) T 形功率衰減器；(b)Rsn形功率衰減器P2Rp其中乙、Z2即是電路輸入/輸出端的特性阻抗。根據(jù)電路兩端使用的阻抗不同，可分為同阻抗式、異阻抗式同阻抗式(a)T形同阻抗式(乙=Z2=Z0):-1010RpRs1 = Rs2 二 Zo(b) n形同阻抗式a1010A=10 10異阻抗式(乙工Z2)(a) T形異阻抗式RP = 2 尸產(chǎn):-1H 亠1Rs 1 = Z 1Rp - 1-Rp（b） n形異阻抗式:-=1010RS*一1)1Z22品丄弋Rs 、-1Rp1 二Z

4、11 a +11Rp 2 =嚴I八1rs丿4、實驗設備AV 36580矢量網(wǎng)絡分析儀，衰減器。5、實驗內(nèi)容測量衰減器的S參數(shù)。6、實驗步驟1. 熟悉和學習矢量網(wǎng)絡分析儀的使用。2. 測試衰減器的電壓駐波比、插入損耗等參數(shù)。矢量網(wǎng)絡分析儀的使用：（1）開機：連接電源線到接線板，保證電源良好接地，打開后面板電源 開關；前面板電源指示燈為橙色后開前面板電源， 指示燈變?yōu)榫G色。（2） 系統(tǒng)進入 WINDOWS界面。連接兩根測試電纜；連接 N SMA轉(zhuǎn) 接器。（3） 設置頻率（激勵功能框）：按起始頻率：100MHz（或根據(jù)要求設定）； 終止頻率：3GHz（或根據(jù)要求設定）（4）校準（響應功能框）：校準亠

5、 校準件亠AV31121A 機械校準 f 全雙端口 SOLT f 前向反射（端口 1） f 連接開路器，按 開路器 f連接短路器，按短路器f 連接負載，按負載完成端口 1反射校準，按照上述步驟重復做端口 2校準，完成后按 完成發(fā)射測量，按完成反射測量。直接連接兩根測試電纜f按傳輸按直通按完成傳輸測 量宀按完成全雙端口。（5）完成全雙端口校準（此時全雙端口 SOLT有下劃線）（6）按提示存校準數(shù)據(jù)（7） 連接被測件；端口 1連接被測件輸入端，端口 2連接被測件輸出端。 見圖1.1衰減器inOUT2網(wǎng)絡分析儀輸出端圖1.1衰減器測試圖（8） 測量（響應功能框）： 測量f S11 S22 S21 幅

6、度f（9）設置顯示格式（響應功能框）：f格式f對數(shù)或駐波比-比例參考位置：設置為5f 參考值：設置為0 （駐波比設置為1）- 比例：設置為10 （駐 波比設置為0.5）（9）設置光標：（光標/分析功能框）：按光標f 分別標記光標1 （頻 率 1.5GHz）、2（頻率 100MHz ）、3（頻率 3GHz）分別在屏幕上觀察記錄測試數(shù)據(jù)。（10） 測量（響應功能框）：測量S21幅度或相位（11） 設置顯示格式：響應功能框f 格式 對數(shù)f 比例亠參考位置：設置為5f 參考值：設置為0 一比例：設置為1分別在屏幕上觀察記錄測試數(shù)據(jù)。七、實驗結果1、將衰減器測試結果填入下表中頻率（GHz）S 參數(shù)（dB

7、）0.11.531 Si1 丨丨 S22 1丨S21丨實驗二：功率分配器1、實驗設置的意義在射頻/微波電路中，為了將功率按一定的比例分成二路或多路，需要使用功 率分配器；功率分配器反過來使用就是功率合成器，在近代射頻 /微波大功率放大 器中廣泛地使用功率分配器，而且通常成對使用。功率分配器的技術指標有：頻 率范圍，承受功率，插入損耗、分配比、隔離度和端口輸入駐波比。2、實驗目的（1）了解功率分配器的結構原理，頻率特性；（2）掌握功率分配器參數(shù)測試原理；（3）學會使用矢量網(wǎng)絡分析儀完成功率分配器的測試。3、實驗原理在射頻/微波電路中為了將功率按一定比例分成兩路或多路，需要使用功率分 配器，功率分

8、配器反過來使用就是功率合成器。功率分配器是一個多端口網(wǎng)絡結 構。其技術指標包括工作頻帶、承受功率、分配比、插入損耗、隔離度、VSW等。如圖2-1所示為三端口網(wǎng)絡結構，其信號輸入端（Port-1 ）的功率為Pl,而其他 兩個輸出端（Port-2及Port-3 ）的功率分別為R及R。理論上，由能量守恒定律 可知 r=F2+P3。若P2=P3并以毫瓦分貝（dBm來表示三端功率間的關系，則可寫成：F2（dBm） = P 3（dBm） = Pin （dBm） - 3 （dB）。Port-1P1Port-2P2Port-3P3圖2-1 功率分配器當然P2并不一定要等于P3,只是相等的情況最常被使用于實際電

9、路中。因此,功率分配器在大致上可分為等分型（P2= P3）及比例型（P2=k P3）等兩種類型。4、實驗設備AV 36580矢量網(wǎng)絡分析儀，功率分配器模塊，50Q負載5、實驗內(nèi)容(1) 測量各端口電壓駐波比(2) 測量插入損耗和有效帶寬 F。(3) 測量功率分配器兩輸出分配比及相位(4) 測量功率分配器隔離度；6、測試方法與實驗步驟1、熟悉和學習矢量網(wǎng)絡分析儀的使用。2、測試功率分配器的電壓駐波比、插入損耗、傳輸相位、隔離等 S參數(shù)3、矢量網(wǎng)絡分析儀校準過程與衰減器校準過程相同4、 功率分配器端口定義見圖2.1,測試連接見圖2.2網(wǎng)絡分析儀輸出端5喊姆匹配，負載3 _J_網(wǎng)絡分析儀輸入端OUT

10、 OUT in功率分配器圖2.2功分器S參數(shù)測試框圖矢量網(wǎng)絡分析儀的輸入端與功率分配器的1端口(輸入端)連接；矢量網(wǎng)絡分析儀的輸出端與功率分配器的 2端口(其中的一個輸出端)連接；3端口 (另一個輸出端)接50Q匹配負載。設定網(wǎng)絡分析儀的頻率范圍 START為2.1GHz; STOP為2.3GHz。通過改變 、S22、及$的相位，可分別測試 功率分配器端口 1和端口 2的電壓駐波比或回損耗、插入損耗、相位等。將測 試值填入表2.1中。改變連接見圖2.3網(wǎng)絡分析仗輸出呷引創(chuàng) 1 |網(wǎng)絡分析牧輸入端OUT OUT in功率分配器圖2.3功分器隔離度測試框圖功率分配器的輸入端連接不變，矢量網(wǎng)絡分析儀

11、輸出端與功率分配器另一輸出端口 3連接，2端口接50Q匹配負載。同樣方法測試端口 3的S參數(shù)：、S31、S31的相位等。分別在屏幕上觀察記錄測試數(shù)據(jù)。5、測試功率分配器隔離度。見圖2.4321B頊姆匹配負載OUTOUTin網(wǎng)絡分析儀輸入端網(wǎng)絡分析仗輸出端功率分配器圖2.4功分器隔離度測試框圖網(wǎng)絡分析儀的輸入與輸出端分別與功率分配器的兩個輸出端相連接。功率 分配器的輸入端接50Q匹配負載。此時的S21 （實際的S23）即為功率分配器隔 離度。在屏幕上觀察記錄測試數(shù)據(jù)。七、測試結果1.將測試結果填入下表中頻率(GHz)S 參數(shù)(dB) J2.52.62.7 Sii 丨?22 丨 33 S21I相位

12、()S31S31相位()丨23丨兩路幅度差兩路相位差實驗三：定向耦合器1、實驗設置的意義在射頻和微波傳輸系統(tǒng)中 , 通常需要準確測試某一功率值 , 或者將某一輸入 功率按一定比例分配到各分支電路中去。例如功率量值傳遞系統(tǒng)、相控陣雷達發(fā) 射機功率分配、多路中繼通信機中本振源功率分配等。定向耦合器由于本身插入 損耗小、頻段寬、能承受較大的輸入功率、可根據(jù)需要擴展量程、使用方便靈活、 成本低等優(yōu)點 , 而廣泛應用于射頻和微波傳輸系統(tǒng)中。由于定向耦合器是射頻和 微波系統(tǒng)中應用最廣泛的元件，更是近代掃頻反射計的核心部件，因此，熟悉定 向耦合器的特性，掌握其測量方法很重要射頻和微波技術實驗的基本教學要求是

13、了解射頻和微波的傳輸特性，掌握射 頻和微波功率、頻率、波導波長、駐波比及衰減、相位等的測量方法，了解射頻 和微波技術的簡單應用。定向耦合器本身的特性參量定義簡單，被測量均為基本 測量量，測量理論與方法簡單且容易接受；儀器使用方法簡單，不必經(jīng)過調(diào)諧等 繁瑣過程，有助于學生把精力放在對射頻和微波實質(zhì)的理解和射頻和微波技術的 應用上。開設以定向耦合器為主線的實驗十分必要，有助于引導學生初步領會技 術開發(fā)的思路，也有利于提高學生思維的開闊性和系統(tǒng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和開拓 精神。2、實驗目的（1）掌握定向耦合器的原理及基本方法；（2）學會用矢量網(wǎng)絡分析儀測量定向耦合器的參數(shù)。3、實驗原理定向耦合器是一種有

14、方向性的無源射頻和微波功率分配器件， 其構成通常有 波導、同軸線、帶狀線及微帶等幾種類型，其種類通常有單定向耦合器和雙定向 耦合器之分。 本實驗涉及的是單定向耦合器。 定向耦合器包含主線和副線兩部分， 在主線中傳輸?shù)纳漕l和微波功率經(jīng)過小孔或間隙等耦合機制， 將一部分功率耦合 到副線中去， 由于波的干涉和疊加， 使功率僅沿副線中的一個方向 （稱“正方向”） 傳輸，而在另一方向 （稱“反方向” ）幾乎沒有 （或極少）功率傳輸。理想的定向耦 合器一般為互易無損四端口網(wǎng)絡，如圖 3-1 所示。主線 1、2 和副線 3、4通過耦 合機構彼此耦合。圖3-1定向耦合器網(wǎng)絡定向耦合器的特性參量主要是： 耦合度

15、， 方向性， 輸入駐波比， 帶寬范圍，在這里我們主要說明的是定向耦合器的耦合度和方向性。耦合度及其測量：定向耦合器的耦合度是指輸入信號耦合到副臂端的程度，即輸入至主線的功率與副線中正向傳輸?shù)墓β手?，也稱過渡衰減。耦合度 C用 當主臂終端接無反射匹配負載時，入射信號與輸出信號 （副臂）之比取對數(shù)之值表 示：C=101og=20log 生 3)式中R、U分別為主線輸入端的功率及電壓；P3、U3分別為副線正方向傳輸?shù)墓β?及電壓。方向性及其測量：方向性是指從匹配負載端往輸出端漏出信號的程度 ，也就 是副線中正方向傳輸?shù)墓β逝c反方向傳輸?shù)墓β手然蛘蝰詈隙扰c反向耦合度 的對數(shù)之差。一般來講，方向性

16、越大越好，方向性越大，表明其隔離性越好。常 用的定向耦合器,方向性均在15dB以上。定向耦合器的方向性D以正向耦合度與反向耦合度的對數(shù)之差表示：D =10log 旦(dB) =20log U1(dB)P4U 4式中R、Ub分別為耦合至副線正方向傳輸?shù)墓β始半妷海?P4、U分別為耦合至副線 反方向傳輸?shù)墓β始半妷?。有時，反映定向程度的指標也用隔離度來表示。隔離度表示輸入至主線的功 率與副線反方向傳輸?shù)墓β手鹊膶?shù)即1 =101。唔（dB）=20log 士（dB）根據(jù)以上定義可知：D =10logPl =10log-Pl -10log巳二 1 -CP4P4P3故定向耦合器的方向性等于隔離度與耦合

17、度之差。定向耦合器還有一些技術指標：定向耦合器的插損一般都較小 ，所以對測試 結果的影響很小可以忽略不計。定向耦合器的駐波系數(shù)一般不大 ，能承受的功率 一般都較大，這是一般類似器件難以達到的。4、實驗設備AV 36580矢量網(wǎng)絡分析儀、定向耦合器、50Q的終端負載。5、實驗內(nèi)容測量定向耦合器的方向性、隔離度、耦合度。6、實驗方法和步驟(1) 矢量網(wǎng)絡分析儀的校準方法同衰減器校準(2) 將定向耦合器模塊按下圖連接。(3) 矢量網(wǎng)絡分析儀的中心頻率 f=1500MHz SPEN為3000MHz將矢量網(wǎng)絡分析儀的1端口與被測件1端口連接，矢量網(wǎng)絡分析儀的2端口與被測件2端口 連接，被測件3、4端口連

18、接50Q匹配負載終端，分別觀察矢量網(wǎng)絡分析儀的 S11、 S22、S21曲線，即測量的定向耦合器輸入、輸出端口電壓駐波比及插入損耗。(3) 將定向耦合器模塊2端口與3端口對換連接，即3端口接矢量網(wǎng)絡分析儀的2端口，2端口接50Q匹配負載終端，即可測量定向耦合器的耦合度C(S31)及3端口電壓駐波比S33o(4) 將定向耦合器模塊3端口與4端口對換連接，即4端口接矢量網(wǎng)絡分析 儀的2端口，3端口接50Q匹配負載終端，即可測量定向耦合器的隔離度l(S41)， 其方向性D=l-C,7、實驗結果將測試數(shù)據(jù)填入下表中、頻率、(GHz) S 參數(shù)(dB)、0.1MHz1.531 Si11 S2211 S33 丨1 S21 丨丨S31丨丨S41丨實驗四：環(huán)行器1、實驗設置的意義環(huán)行器又叫隔離器，其突出特點是單向傳輸高頻信號能量。它控制電磁波沿 某一環(huán)行方向傳輸。這種單向傳輸高頻信號能量的特性，多用于高頻功率放大器 的輸出端與負載之間，起到各自獨立、互相“隔離”的作用。負載阻抗在變化甚 至開路或短路的情況下都不影響功放的工作狀態(tài)，從而保護了功率放大器。因此 環(huán)行器在射頻/微波應用中具有非常重要的作用。2、實驗目的(1) 了解環(huán)行器的基本原