微波測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、微波工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)一 微波同軸測量系統(tǒng)的熟悉一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解常用微波同軸測量系統(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量方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、常用微波同軸測量系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，簡要了解其工作原理。微波測量系統(tǒng)常用的有同軸和波導(dǎo)兩種系統(tǒng)。同軸系統(tǒng)頻帶寬,一般用在較低的微波頻段。波導(dǎo)系統(tǒng)損耗低，功率大，一般用在較高頻段。一個(gè)完整的微波測量系統(tǒng)通常有信號(hào)源，測量裝置和指示器三部分組成。（1）微波信號(hào)源部份：它包括微波信號(hào)發(fā)生器，隔離器和功率、頻率監(jiān)視單元，信號(hào)發(fā)生器提供測量所需的微波信號(hào)，它具有一定頻率和足夠功率。功率、頻率監(jiān)視單元是由定向耦

2、合器取出一部分微波能量，經(jīng)過檢測指示來觀察信號(hào)的穩(wěn)定情況，以便及時(shí)調(diào)整，為了減少負(fù)載對信號(hào)源的影響，電路中采用了隔離器。（2）測量裝置（即測量電路）：包括測量線，調(diào)配元件，待測元件和輔助元件（如短路器，匹配負(fù)載），以及電磁能量檢測器（如晶體檢波器，功率計(jì)探頭等）。（3）指示部分（即測量接收器）：指示器是顯示測量信號(hào)與特性的儀表，如直流電流表，測量放大器，功率計(jì)，示波器，數(shù)字功率計(jì)等。在本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中我們使用的是AV36580A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer）作為測量儀器。2、 掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測量方法。a)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能 提供

3、入射信號(hào)的信號(hào)源:信號(hào)源為激勵(lì)被測器件，信號(hào)源必須在整個(gè)感興趣的頻率范圍內(nèi)提供入射波。被測器件通過傳輸和反射對激勵(lì)波做出響應(yīng)。被測器件的頻率響應(yīng)通過信號(hào)源掃頻確定。測量結(jié)果受到多種信號(hào)源參數(shù)的影響，包括頻率范圍、功率范圍、頻率穩(wěn)定度和信號(hào)純度等。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中廣泛采用合成掃頻信號(hào)源。 信號(hào)分離器分離入射、反射和傳輸:信號(hào)分離網(wǎng)絡(luò)分析儀的下一項(xiàng)任務(wù)是分離入射、反射和傳輸信號(hào)，從而測量它們各自的幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀均采用定向耦合器方法分離信號(hào)。用做信號(hào)分離功能的硬件通常稱為“測試裝置”。測試裝置可能是單獨(dú)的盒子，或者集成在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部。 接收機(jī)把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低頻率(中頻)的信號(hào):

4、接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)把RF或微波能量轉(zhuǎn)換為較低的IF信號(hào)，從而簡化了精確的檢測任務(wù)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用寬帶的晶體檢波技術(shù)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用窄帶的鎖相接收機(jī)技術(shù)。采用調(diào)諧接收機(jī)能提供最好的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，還能抑制諧波和寄生信號(hào)。窄帶中頻濾波器產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷谋镜自肼?，結(jié)果顯著地改善了靈敏度。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)的最小等效帶寬達(dá)10Hz。 處理和顯示系統(tǒng)對較低頻率的信號(hào)進(jìn)行處理，并顯示經(jīng)檢驗(yàn)和導(dǎo)出的信息:處理和顯示系統(tǒng)一旦檢測到RF或微波能量，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀必須處理和顯示各種測量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種多通道儀器，至少有一個(gè)通道作為基準(zhǔn)通道，一個(gè)通道作為測試通道。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯示功能強(qiáng)大靈

5、活，如多種標(biāo)記功能、極限線功能，為測試帶來很大便利。b)S 參數(shù)測量步驟先校準(zhǔn)后，連接微波器件，通過文件在功能中把s參數(shù)調(diào)出，修改為Sij，查看曲線。c)如何用Smith圓圖顯示所測結(jié)果以及如何與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 在顯示的測試結(jié)果中從選項(xiàng)中選擇Smith圓圖顯示；有轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)的選項(xiàng)。d)如何保存所測數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式在屏幕的右上角，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。e)開路校準(zhǔn)件的電容值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))當(dāng)傳輸線終端開路或短路時(shí)，所有輸入信號(hào)功率被反射到入射端。造成全反射。傳輸線終端開路時(shí)，開路端電流為零。端點(diǎn)反射信號(hào)電流與輸入信號(hào)

6、電流幅度相等、相位相反，而反射信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓同相。信號(hào)關(guān)系滿足歐姆定理。 f)短路校準(zhǔn)件的電感值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))傳輸線終端短路時(shí)，開路端電壓為零。端點(diǎn)反射信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓幅度相等、相位相反，而反射信號(hào)電流與輸入信號(hào)電流同相。信號(hào)關(guān)系滿足歐姆定理。g)儀器提供什么樣的校準(zhǔn)方法 儀器提供多種校準(zhǔn)方式，包括頻響、單端口、響應(yīng)隔離、增強(qiáng)型響應(yīng)、全雙二端口校準(zhǔn)。三、思考題 1、是否可以直接進(jìn)行電路參數(shù)的測量，為什么？如何從測量的S參數(shù)導(dǎo)出電路參數(shù)？不可以直接進(jìn)行電路參數(shù)的測量，需要先進(jìn)行校準(zhǔn)。此外由于儀器僅給出了S參數(shù)的測量，但是沒有電路參數(shù)的測量選項(xiàng)；如果要求電路參數(shù)，可以由測量的S參數(shù)

7、通過導(dǎo)出選項(xiàng)導(dǎo)出電路參數(shù)，如等來計(jì)算。實(shí)驗(yàn)二 微波同軸測量系統(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)常用微波同軸測量系統(tǒng)的TRL和SOLT校準(zhǔn)方法，了解其校準(zhǔn)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)SOLT和TRL校準(zhǔn)過程的誤差模型分析，我們可以得到這樣幾個(gè)結(jié)論：1）TRL方法計(jì)算簡單，但該方法需要網(wǎng)絡(luò)分析儀具有四個(gè)接收機(jī)，分別檢測信號(hào)a0,a1,b0,b3（以正向?yàn)槔?，而SOLT方法只需要三個(gè)，分別檢測信號(hào)a0,b0,b3；2）TRL方法僅需要簡單的校準(zhǔn)件，不需要理想的強(qiáng)反射件（理想的開路或短路）

8、，并且傳輸線校準(zhǔn)件比較容易實(shí)現(xiàn)；而SOLT方法則需要很多的校準(zhǔn)件，并且校準(zhǔn)件的性能指標(biāo)對校準(zhǔn)結(jié)果的影響較大；3）SOLT方法 比較適用于同軸環(huán)境，也可以用于高頻探針和在片測量；TRL方法比較適用與非同軸環(huán)境，例如共面波導(dǎo)，微帶線等；4）TRL方法中，傳輸線的工作頻帶和起始頻率的關(guān)系是8：1，因此TRL校準(zhǔn)是窄帶的，寬帶的TRL校準(zhǔn)需要多個(gè)不同長度的線，這樣會(huì)浪費(fèi)面積；而SOLT方法是寬帶的。SOLT校準(zhǔn)方法得到的測試結(jié)果明顯優(yōu)于TRL。另外在校準(zhǔn)和測試過程中，采用TRL校準(zhǔn)方式的測試由于不同的傳輸線適應(yīng)不同帶寬的校準(zhǔn)頻率范圍，校準(zhǔn)和測試必須分段進(jìn)行，所以在測試結(jié)果中可以看到曲線的不連續(xù)性。2、

9、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)前測量各校準(zhǔn)件（開路、短路、匹配和直通）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù)開路短路匹配直通b)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SOLT的校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)步驟：響應(yīng)校準(zhǔn)校準(zhǔn)向?qū)?zhǔn)類型選擇雙端口SOLT測量機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)依次選擇1端口短路、開路、負(fù)載，直通，2端口短路、開路、負(fù)載進(jìn)行校準(zhǔn)。c)校準(zhǔn)后測量各校準(zhǔn)件（開路、短路、匹配和直通）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù)開路短路匹配直通d)比較校準(zhǔn)前后校準(zhǔn)件（開路、短路、匹配和直通）的S參數(shù)，解釋說明各條曲線，并指出所做校準(zhǔn)的精度情況開路：電路網(wǎng)絡(luò)開路，則=1，s參數(shù)初始在1位置，隨著頻率變化順時(shí)針沿邊緣移動(dòng)，校準(zhǔn)后曲線嚴(yán)格從邊緣移動(dòng)，并且

10、曲線平滑。短路：電路網(wǎng)絡(luò)短路，則=-1，s參數(shù)初始在-1位置，隨著頻率變化順時(shí)針沿邊緣移動(dòng)，校準(zhǔn)后曲線嚴(yán)格從邊緣移動(dòng)，并且曲線平滑。匹配：電路網(wǎng)絡(luò)匹配，則=0，s參數(shù)始終位于Smith圓圖中心。在校準(zhǔn)后s參數(shù)不再發(fā)散，位于單位圓的中心。直通：電路網(wǎng)絡(luò)匹配，則=0，s參數(shù)始終位于Smith圓圖中心。在校準(zhǔn)后s參數(shù)不再發(fā)散，位于單位圓的中心。實(shí)驗(yàn)三 利用微波同軸測量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際器件測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、利用SOLT校準(zhǔn)方法進(jìn)行微波同軸測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)2、測量功分器、耦合器和濾波器的實(shí)際性能二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、存儲(chǔ)測量結(jié)果，并通過測量結(jié)果了解功分器、耦合器和濾波器的工作原理以及性能，報(bào)告中包括以下內(nèi)容a)

11、功分器、耦合器和濾波器的S參數(shù)測量曲線注：實(shí)際測量中只測量了兩個(gè)帶通濾波器、一個(gè)天線、一個(gè)低通濾波器，不完全符合題給要求。全部截圖見下方的第二部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。b)通過分析其S參數(shù)，了解功分器、耦合器和濾波器所組成的網(wǎng)絡(luò)的特性。2、在分別經(jīng)過校準(zhǔn)和沒有校準(zhǔn)的情況下測量天線和濾波器的性能，比較兩類測量結(jié)果，給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括以下內(nèi)容：a)未校準(zhǔn)和校準(zhǔn)后天線和濾波器測量曲線比較；b)結(jié)合實(shí)驗(yàn)二指出對于三個(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？c)通過測量結(jié)果分析三個(gè)器件的工作原理。帶通濾波器1的S11參數(shù)曲線校準(zhǔn)后的S11參數(shù)曲線帶通濾波器2的S11參數(shù)曲線校準(zhǔn)后的S11參數(shù)曲線低

12、通濾波器的S11參數(shù)曲線校準(zhǔn)后的S11參數(shù)曲線天線的S11參數(shù)曲線校準(zhǔn)后的S11參數(shù)曲線從上面4組微波器件可以看出，校準(zhǔn)后的S11參數(shù)曲線明顯比校準(zhǔn)前平滑，曲線特性也更為明了，前后對比更突出了校準(zhǔn)對為微波測量的結(jié)果有著極為重要的影響。通過分析上述曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)莎車的兩個(gè)帶通濾波器的功能是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。天線是能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接受空間某特定方向來的電磁波的裝置。帶通濾波器1的S11參數(shù)曲線可

13、以看出，在1.53GHz到1.55GHz左右衰減到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，說明濾波在中心頻率處性能更好。帶通濾波器2的S11參數(shù)曲線可以看出，在2.40GHz到2.52GHz左右衰減到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)前后最大衰減量幾乎不變。低通濾波器的S11參數(shù)曲線可以看出，在0到2.56GHz內(nèi)，S參數(shù)雖然有起伏變化，但衰減小于10dB，表明在此范圍內(nèi)系統(tǒng)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)低通，但是校準(zhǔn)前后帶寬大致不變。天線的S11參數(shù)曲線可以看出，在2.14GHz到2.56GHz左右，S參數(shù)衰減在10 dB內(nèi)，表明在此范圍內(nèi)系統(tǒng)可以導(dǎo)通，能夠?qū)崿F(xiàn)帶通的效果，說明調(diào)整前后天線的方向性變好了，更有助于接收和發(fā)射信號(hào)。實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 這是我們第一次做與微波測量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，感覺很陌生，但是也很新鮮。我們本次使用的實(shí)驗(yàn)儀器是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent 8722ES)和它配套的校準(zhǔn)器件以及濾波器、天線等微波元件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以用來測量無源和有源網(wǎng)絡(luò)的S參量，它是一臺(tái)雙(或四)通道微波接收機(jī)，設(shè)計(jì)成可用來處理來自網(wǎng)絡(luò)的透射波和反射波的幅值和相位。我們利用這臺(tái)儀器來校準(zhǔn)器件，并進(jìn)行微波器件的S參數(shù)測量。這次實(shí)驗(yàn)溫習(xí)了我在理論課上學(xué)到的微波網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)，對S參數(shù)有了更深入的了解。微波器件的S參數(shù)在實(shí)際工程中是