北郵微波射頻測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)

1、微波射頻測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí): 學(xué)院: 2016年 1 月 5日微波射頻測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的熟悉一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解常用微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的組成，熟悉各部分構(gòu)件的工作原理，熟悉其操作和特性。 2、熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.常用微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，簡(jiǎn)要了解其工作原理 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)物圖 主要組成部分及其功能 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：對(duì)RF領(lǐng)域的放大器、衰減器、天線(xiàn)、同軸電纜、濾波器、分支分配器、功分器、耦合器、隔離器、環(huán)形器等RF器件進(jìn)行幅頻特性、反射特性和相頻特性測(cè)量。 同軸線(xiàn)：連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和校準(zhǔn)元件或測(cè)量元件。

2、 校準(zhǔn)元件：對(duì)微波同軸側(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行使用前校準(zhǔn)，以盡量減小系統(tǒng)誤差。 測(cè)量元件：待測(cè)量的原件（如天線(xiàn)、濾波器等），可方便地通過(guò)同軸線(xiàn)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連起來(lái)。2. 掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測(cè)量方法。a) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能（1）CRT顯示器顯示儀器當(dāng)前工作狀態(tài)和測(cè)試結(jié)果。（2）BEGIN（開(kāi)始）在測(cè)量放大器、濾波器、寬帶無(wú)源器件、電纜等被測(cè)時(shí)能快速、簡(jiǎn)便的配置儀器，可引導(dǎo)用戶(hù)完成初始步驟，根據(jù)用戶(hù)的選擇自動(dòng)配置儀器。（3）ENTRY（數(shù)據(jù)輸入）數(shù)字鍵、旋輪和上下鍵，用于數(shù)據(jù)輸入。（4）SYSTEM（系統(tǒng)功能）SAVERECALL：存儲(chǔ)或調(diào)用數(shù)據(jù)。HARD COPY：打印或者

3、存儲(chǔ)測(cè)量曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)。SYSTEM OPTIONS：系統(tǒng)選項(xiàng)。（5）PRESET（復(fù)位）復(fù)位儀器。（6）CONFIGURE（配置）SCALE：設(shè)置垂直方向的分辨率和參考位置等。DISPLAY：顯示設(shè)置。CAL：校準(zhǔn)菜單。MARKER：頻標(biāo)功能鍵。FORMAT：數(shù)據(jù)顯示格式。AVG：平均功能設(shè)置和中頻帶寬設(shè)置。（7）SOURSE（源）FREQ：頻率設(shè)置。SWEEP：設(shè)置掃描方式、掃描時(shí)間。POWER：RF信號(hào)輸出開(kāi)關(guān)或者設(shè)置RF信號(hào)輸出功率。MENU：設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)及單次掃描、連續(xù)掃描或保持等。（8）MEAS（測(cè)量通道）MEAS1：設(shè)置通道1的測(cè)量方式。MEAS2：設(shè)置通道2的測(cè)量方式。（9）軟鍵對(duì)

4、應(yīng)的功能顯示在左邊顯示屏上。（10）亮度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)顯示器亮度。（11）電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)或關(guān)閉整機(jī)電源。（12）U盤(pán)接口Usb盤(pán)接口（13）RF OUT（射頻輸出）射頻信號(hào)輸出口，N型K頭。（14）RF IN（射頻輸入）射頻信號(hào)輸入口，N型K頭。b) S 參數(shù)測(cè)量步驟 將一個(gè)待測(cè)的二端口網(wǎng)絡(luò)通過(guò)同軸線(xiàn)接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，組成一個(gè)微波同軸測(cè)量系統(tǒng)被測(cè)被測(cè) 然后經(jīng)過(guò)SOLT校準(zhǔn),消除系統(tǒng)誤差； 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上調(diào)處S參數(shù)測(cè)量曲線(xiàn)，讀出相應(yīng)的二端口網(wǎng)絡(luò)的S參量，保存為s2p數(shù)據(jù)格式和cst數(shù)據(jù)格式的文件。c) 看開(kāi)路校準(zhǔn)件的電容值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù)) 在校準(zhǔn)菜單下的CalKit（校準(zhǔn)件）選項(xiàng)里，打開(kāi)校準(zhǔn)件

5、的開(kāi)路件對(duì)話(huà)框d) 看短路校準(zhǔn)件的電感值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù)) 在校準(zhǔn)菜單下的CalKit（校準(zhǔn)件）選項(xiàng)里，打開(kāi)校準(zhǔn)件的短路件對(duì)話(huà)框e) 用Smith圓圖顯示所測(cè)結(jié)果以及如何與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 TOOLS工具欄下，下拉選項(xiàng)中可得到simth圓圖的顯示以及轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)f) 如何保存所測(cè)數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式 點(diǎn)擊【文件】【另存為】，然后選擇相應(yīng)的保存目錄 可保存的數(shù)據(jù)格式為.jpg圖片格式。g) 了解儀器提供的校準(zhǔn)方法（SOLT） 儀器提供SOLT校準(zhǔn)方法，TRL校準(zhǔn)方法等集中校準(zhǔn)方法，實(shí)驗(yàn)中使用SOLT校準(zhǔn)方法，即短接、開(kāi)路、負(fù)載和直通。 三、思考題1、是否可以直接進(jìn)行電路參數(shù)的測(cè)量，為什么？如何從測(cè)

6、量的S參數(shù)導(dǎo)出電路參數(shù)。（給出S參數(shù)到Z參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式，以及如何在ADS中應(yīng)用。）答：不可以，因?yàn)槲⒉ㄍS測(cè)量系統(tǒng)只能對(duì)于微波的入射和反射的電壓電流關(guān)系進(jìn)行分析。S參數(shù)到Z參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式如下：z11z12z21z22=z01+s11s12s211+s221-s11-s12-s211-s22-1實(shí)驗(yàn)二 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解常用微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法以及精度。 2、熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的SOLT校準(zhǔn)步驟以及校準(zhǔn)精度驗(yàn)證方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、總結(jié)常用微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，比如TRL和SOLT，了解其校準(zhǔn)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。SOLT校準(zhǔn)能夠提供優(yōu)異的精度和可重復(fù)性。這種校準(zhǔn)

7、方法要求使用短路、開(kāi)路和負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。如果被測(cè)件上有雌雄連接器，還需要分別為雌雄連接提供對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，連接兩個(gè)測(cè)量平面，形成直通連接。SOLT校準(zhǔn)方法使用12項(xiàng)誤差修正模型，其中被測(cè)件的正向有6項(xiàng)，反向有6項(xiàng)。圖2顯示了正向誤差項(xiàng)：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（負(fù)載匹配）、ERF（反射跟蹤）、ETF（發(fā)射跟蹤）和EX（串?dāng)_）。操作正確的話(huà)，SOLT可以測(cè)量百分之一分貝數(shù)量級(jí)的功率和毫度級(jí)相位。常用的校準(zhǔn)套件中都包含SOLT標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。這些校準(zhǔn)件包括各種連接器類(lèi)型，并且價(jià)格相對(duì)便宜，小心使用的話(huà)可以用很多年。有的SOLT校準(zhǔn)套件包含滑動(dòng)負(fù)載，因此可改變路徑的線(xiàn)路長(zhǎng)度，同時(shí)保持恒定的負(fù)載阻

8、抗（通常為50或75）?；瑒?dòng)負(fù)載在高頻時(shí)尤為重要，因?yàn)樵谶@種情況下很難實(shí)施良好的固定負(fù)載。線(xiàn)路長(zhǎng)度的變化會(huì)直接成比例地改變電長(zhǎng)度，導(dǎo)致測(cè)量路徑中發(fā)生相移。通過(guò)在校準(zhǔn)過(guò)程中使用幾種不同長(zhǎng)度 的線(xiàn)路和相應(yīng)的相移，可以更精確地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的方向性（圖3）。雙向直通SOL通常稱(chēng)為“未知直通”。這種方法允許在遵守一些基本原則的條件下，在校準(zhǔn)過(guò)程中使用電纜、電路板線(xiàn)軌或Ecal模塊作 為直通路徑。當(dāng)處理非插入式設(shè)備（具有同性或不兼容的連接器，在校準(zhǔn)期間需要使用適配器才能建立直通連接）時(shí)，未知直通尤為有用。該適配器會(huì)給校準(zhǔn)帶來(lái)一 個(gè)誤差。未知直通因?yàn)闊o(wú)需使用精密的或經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的適配器，并且可以最大限度地減少

9、校準(zhǔn)期間的電纜移動(dòng)，所以非常有用。它通常比其他需要去除適配器的方法更 方便、更精確。 TRL校準(zhǔn)極為精確，在大多數(shù)情況下，精確度甚至超過(guò)SOLT校準(zhǔn)。然而絕大多數(shù)校準(zhǔn)套件中都不包含TRL標(biāo)準(zhǔn)件。在要求高精度并且可用的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件與 被測(cè)件的連接類(lèi)型不同的情況下，一般采用TRL校準(zhǔn)。使用測(cè)試夾具進(jìn)行測(cè)量或使用探頭進(jìn)行晶圓上的測(cè)量，通常都屬于這種情況。因此，某些情況下需要構(gòu)建和 表征與被測(cè)件配置介質(zhì)類(lèi)型相同的標(biāo)準(zhǔn)件。制造和表征三個(gè)TRL標(biāo)準(zhǔn)件比制造和表征四個(gè)SOLT標(biāo)準(zhǔn)件更容易。 TRL校準(zhǔn)還有另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：標(biāo)準(zhǔn)件不需要像SOLT標(biāo)準(zhǔn)件那樣進(jìn)行完整或精確的定義。雖然SOLT標(biāo)準(zhǔn)件是完全按照標(biāo)準(zhǔn)的定

10、義進(jìn)行表征和儲(chǔ)存，而TRL標(biāo)準(zhǔn)件只建 立模型而不進(jìn)行完整表征，但是TRL校準(zhǔn)的精度與TRL標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量和可重復(fù)性成正比。物理中斷（例如傳輸線(xiàn)路彎曲和同軸結(jié)構(gòu)中的焊縫）將會(huì)降低TRL校 準(zhǔn)的精度。接口必須保持清潔并允許可重復(fù)的連接。2、掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的SOLT校準(zhǔn)步驟以及校準(zhǔn)精度驗(yàn)證方法。a) 校準(zhǔn)前測(cè)量各校準(zhǔn)件（開(kāi)路、短路、匹配和直通）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù) 開(kāi)路 短路 匹配 直通b) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SOLT的校準(zhǔn)步驟（1）按CAL鍵激活校準(zhǔn)菜單（2）按StartCal鍵進(jìn)入下一級(jí)校準(zhǔn)菜單（3）按Two-PortP1P2鍵選擇2端口校準(zhǔn)，并進(jìn)入下一級(jí)菜單（4）按TOSM鍵選擇TOSM校準(zhǔn)方式，

11、選擇正確的接頭形式（Connector），注意這里的接頭指的是測(cè)試電纜的接頭形式，不是標(biāo)準(zhǔn)件的接頭形式，以及正確的校準(zhǔn)件（CalibrationKit）的型號(hào)。 （5）點(diǎn)擊“Next”鍵，進(jìn)入校準(zhǔn)菜單，SOLT校準(zhǔn)共有7個(gè)步驟： 在1端口接開(kāi)路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開(kāi)路open”。 在1端口接短路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“短路Short”。 在1端口接負(fù)載校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“負(fù)載Load”。 在2端口接開(kāi)路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開(kāi)路Open”。 在2端口接短路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“短路Short”。 在2端口接負(fù)載校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“負(fù)載Load”。 在1端口和2端口之間接直通校準(zhǔn)件,用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“直通Th

12、rough”,同時(shí)下方的”Apply”鍵也生效。點(diǎn)擊“Apply”，使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)生效。c) 校準(zhǔn)后測(cè)量各校準(zhǔn)件（開(kāi)路、短路、匹配和直通）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù) 開(kāi)路 短路 匹配 直通d) 比較校準(zhǔn)前后校準(zhǔn)件（開(kāi)路、短路、匹配和直通）的S參數(shù)，解釋說(shuō)明各條曲線(xiàn)，并指出所做校準(zhǔn)的精度情況分析比較校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后有效的減少了原來(lái)的誤差，帶寬的微弱變化雖然很小，但是對(duì)于誤差來(lái)說(shuō)還是足夠證明每次連接測(cè)量器件之前校準(zhǔn)步驟都是必要的，而且在校準(zhǔn)過(guò)程中，有校準(zhǔn)之后的圖形可分析：在Smith圓圖上，開(kāi)路和短路不再是一圈圈纏繞的線(xiàn)，已經(jīng)減少到靠近開(kāi)路和短路點(diǎn)的一段線(xiàn)，匹配點(diǎn)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后已經(jīng)非常接近理論上

13、的一個(gè)點(diǎn)而不是一個(gè)區(qū)域。所以，校準(zhǔn)之后的測(cè)量才是符合實(shí)際的近乎標(biāo)準(zhǔn)值，在未校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行的測(cè)量只能大概估計(jì)下元件的類(lèi)型及帶寬，對(duì)于精確的參數(shù)測(cè)量未校準(zhǔn)時(shí)是完全不符合標(biāo)準(zhǔn)的。3、自制TRL校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，編制TRL校準(zhǔn)程序。推導(dǎo)出所用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差模型，并以Matlab畫(huà)圖的形式給出。實(shí)驗(yàn)三 利用微波同軸測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際器件測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、利用SOLT校準(zhǔn)方法進(jìn)行微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn).2、測(cè)量天線(xiàn)和濾波器的實(shí)際性能。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，并通過(guò)測(cè)量結(jié)果了解天線(xiàn)和濾波器的工作原理以及性能a) 天線(xiàn)和濾波器的S參數(shù)測(cè)量曲線(xiàn)天線(xiàn)的S11測(cè)量曲線(xiàn)濾波器的S11測(cè)量曲線(xiàn) 濾波器的S21曲線(xiàn)

14、b) 通過(guò)分析其S參數(shù)，了解天線(xiàn)和濾波器所組成的網(wǎng)絡(luò)的特性。 S11 是S參數(shù)中的一個(gè)，表示回波損耗特性，一般通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數(shù)表示天線(xiàn)的發(fā)射效率好不好，值越大，表示天線(xiàn)本身反射回來(lái)的能量越大，這樣天線(xiàn)的效率就越差。 對(duì)于濾波器來(lái)說(shuō)，通帶增益主要由濾波器的S21參數(shù)確定。阻帶增益也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。通帶反射系數(shù)由濾波器的S11參數(shù)確定。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化的曲線(xiàn)上。S11（S22）參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反

15、射系數(shù)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。對(duì)于天線(xiàn)，由于是單端口器件，故只有S11的結(jié)果，在工作頻率點(diǎn)處，S11（回波損耗）很小，即全部能量發(fā)射出去。對(duì)于濾波器,可以看出，是良好的帶通濾波器，且同頻帶較窄2、在分別經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和沒(méi)有校準(zhǔn)的情況下測(cè)量天線(xiàn)和濾波器的性能，比較兩類(lèi)測(cè)量結(jié)果，a) 未校準(zhǔn)和校準(zhǔn)后天線(xiàn)和濾波器測(cè)量曲線(xiàn)比較天線(xiàn) 未校準(zhǔn)天線(xiàn) 校準(zhǔn)后天線(xiàn) 調(diào)整前后，天線(xiàn)的曲線(xiàn)更平滑了，且方向性變好了，更有助于接收和發(fā)射信號(hào)濾波器 未校準(zhǔn)的S11測(cè)量曲線(xiàn) 校準(zhǔn)后的S11測(cè)量曲線(xiàn)為校準(zhǔn)的S12測(cè)量曲線(xiàn) 校準(zhǔn)后的S12測(cè)量曲線(xiàn) 隔離未校準(zhǔn)前 隔離校準(zhǔn)后耦合未校準(zhǔn) 耦合校準(zhǔn)

16、后直通未校準(zhǔn) 直通校準(zhǔn)后 帶通濾波器1的S11參數(shù)曲線(xiàn)可以看出，衰減到10dB，S參數(shù)突變小，表明在此頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)帶通，但是校準(zhǔn)前后最大衰減量變大，說(shuō)明濾波在中心頻率處性能更好。b) 結(jié)合實(shí)驗(yàn)二指出對(duì)于三個(gè)器件，十二項(xiàng)誤差模型中哪個(gè)誤差項(xiàng)的影響比較大，原因是什么？ 實(shí)驗(yàn)二指出對(duì)于三個(gè)器件，十二項(xiàng)誤差模型中影響比較大的誤差項(xiàng)為：ETF、ETR 傳輸跟蹤誤差和ERF、ERR 反射跟蹤誤差，因?yàn)闇y(cè)試電纜等在工作頻帶范圍內(nèi)其特性都會(huì)存在變化。c) 通過(guò)測(cè)量結(jié)果分析三個(gè)器件的工作原理天線(xiàn)工作原理：天線(xiàn)是一種變換器，它把傳輸線(xiàn)上傳播的導(dǎo)行波變換成在無(wú)界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換，在

17、無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接受電磁波，一般天線(xiàn)都具有可逆性，同一副天線(xiàn)既可用作發(fā)射天線(xiàn)，也可用作接收天線(xiàn)，同一天線(xiàn)作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的，這稱(chēng)為天線(xiàn)的互易定理。由實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可知，天線(xiàn)可以接收到特定頻段的信號(hào)，而對(duì)其余頻段的信號(hào)則不會(huì)接受，在設(shè)計(jì)天線(xiàn)時(shí)可以有不同的內(nèi)部構(gòu)造，以根據(jù)不同的需求讓天線(xiàn)接受不同頻段的信號(hào)。濾波器工作原理：濾波器是減少或消除諧波對(duì)電力系統(tǒng)影響的電氣部件，濾波器可以用于消除干擾，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到特定頻段的信號(hào)，對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率，濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始

18、信號(hào)所攜帶的信息的過(guò)程。由實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可知，濾波器只能通過(guò)特定頻段的信號(hào)，而對(duì)其余頻段的信號(hào)有較大的衰減，通過(guò)衰減來(lái)得到我們所需的信號(hào)。耦合器工作原理：在微波系統(tǒng)中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱(chēng)為功率分配元器件即耦合器，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件，這些元器件一般都是線(xiàn)性多端口互易網(wǎng)絡(luò)，耦合器也叫適配器。由實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可知，當(dāng)接直通端時(shí)，校準(zhǔn)后耦合器的S21參數(shù)接近于一條直線(xiàn)，只有很小的波動(dòng)，表明此時(shí)耦合器能讓大部分的信號(hào)全都通過(guò)，具有直通性，當(dāng)接隔離端時(shí)，校準(zhǔn)后耦合器的S21參數(shù)在前半段逐漸增大，后面就越來(lái)越平坦，趨于不變，但是衰減都比較大，說(shuō)明此時(shí)耦合器無(wú)法讓信號(hào)通過(guò)，表現(xiàn)出隔離性，當(dāng)接耦合端時(shí)，校準(zhǔn)后S21參