北郵微波測量實驗報告

《微波射頻丈量技術(shù)基礎(chǔ)》實驗報告題目：微波射頻丈量技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)院：電子工程學(xué)院班級：姓名：學(xué)號：2013xxxxxx實驗一微波同軸丈量系統(tǒng)的熟習(xí)一、實驗?zāi)康?、認(rèn)識常用微波同軸丈量系統(tǒng)的構(gòu)成，熟習(xí)各部分構(gòu)件的工作原理，熟習(xí)其操作和特征。2、熟習(xí)矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀的操作以及丈量方法。二、實驗內(nèi)容1、常用微波同軸丈量系統(tǒng)的認(rèn)識，簡要認(rèn)識其工作原理。微波同軸丈量系統(tǒng)實物圖以以下圖所示：微波同軸丈量系統(tǒng)包含三個主要部分：矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀、同軸線和校準(zhǔn)元件或丈量元件。各部分功能以下：1）矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀：對RF領(lǐng)域的放大器、衰減器、天線、同軸電纜、濾波器、分支分派器、功分器、耦合器、隔絕器、環(huán)形器等RF器件進(jìn)行幅頻特征、反射特征和相頻特征丈量。?（2）同軸線：連結(jié)矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀和校準(zhǔn)元件或丈量元件。?3）a.校準(zhǔn)元件：對微波同軸側(cè)量系統(tǒng)進(jìn)履行用前校準(zhǔn)，以盡量減小系統(tǒng)偏差。b.丈量元件：待丈量的原件（如天線、濾波器等），可方便地經(jīng)過同軸線和矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀連起來。2、掌握矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀的操作以及丈量方法。注意在實驗報告中給出儀器使用報告包含以下內(nèi)容：矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀的面板構(gòu)成以及各部分功能。實驗中波及的面板構(gòu)成及功能：①顯示器：用于向用戶顯示儀器目前的工作狀態(tài)及輸出測試結(jié)果；②“激勵”區(qū)：“開端”和“停止”按鈕用來設(shè)定儀器的開端頻次和停止頻次，默認(rèn)頻次范圍為300KHz~3GHz；“中心”按鈕點(diǎn)擊后顯示出目前頻次范圍的中間值；“跨度”按鈕點(diǎn)擊后顯示出目前頻次范圍的差值大小。③“響應(yīng)”區(qū)：點(diǎn)擊“丈量”按鈕進(jìn)行實質(zhì)丈量；“格式”按鈕點(diǎn)擊后可用于改正輸出格式，實驗中選擇的是Smith圓圖和直角坐標(biāo)；“校準(zhǔn)”鍵用于對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，除去必定偏差。④“光標(biāo)/剖析”區(qū)：點(diǎn)擊“光標(biāo)”按鈕后能夠給輸出曲線增添光標(biāo)，獲取一些點(diǎn)的精準(zhǔn)坐標(biāo)值，可增添多個光標(biāo)并進(jìn)行挪動。⑤“調(diào)?！卑粹o：可用于調(diào)停光標(biāo)的地點(diǎn)使之在曲線上挪動。⑥“輸入”區(qū)：用于對儀器的的一些參數(shù)進(jìn)行輸入，如開始和截止頻次的值可在此處進(jìn)行設(shè)置。⑦端口：此處接入同軸線，進(jìn)而實現(xiàn)與外面元件的連接，共兩個插口。⑧USB插口：可用于插入外面設(shè)施（如U盤、硬盤等）讀取、儲存實驗結(jié)果，也可接入鼠標(biāo)、鍵盤對儀器進(jìn)行操作。S參數(shù)丈量步驟：①經(jīng)過SOLT校準(zhǔn)，除去系統(tǒng)偏差；②將待測元件經(jīng)過同軸線接入矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀；③在矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀上選擇S參數(shù)進(jìn)行丈量，獲取曲線，能夠經(jīng)過加光標(biāo)獲取一些點(diǎn)的坐標(biāo)值；④保留數(shù)據(jù)，選擇S2P（只丈量S11和S22時可選擇S1P）格式；保留曲線圖像可選擇.jpg格式。怎樣用Smith圓圖顯示所測結(jié)果以及怎樣與直角坐標(biāo)變換；①點(diǎn)擊“格式”按鈕，選擇“史密斯圓圖”，就能夠用Smith圓圖顯示所測結(jié)果；②點(diǎn)擊“格式”按鈕，選擇“對數(shù)幅度”，就能夠變換為直角坐標(biāo)形式。怎樣保留所測數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式；點(diǎn)擊“文件”按鈕，選擇“另存為”，為文件命名后選擇保留方式為S2P，就能夠保留所測數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)為S11或S22，可選擇S1P數(shù)據(jù)格式。若需要保留曲線圖像，則保留為.jpg格式。保留成功后可導(dǎo)入U盤，也可直接在桌面進(jìn)行查察。開路校準(zhǔn)件的電容值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))；C(f)=C0+C1f+C2f2+C3f3短路校準(zhǔn)件的電感值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))；L(f)=L0+L1f+L2f2+L3f3儀器供給什么樣的校準(zhǔn)方法。儀器供給SOLT校準(zhǔn)方法，TRL校準(zhǔn)方法等集中校準(zhǔn)方法，實驗中使用SOLT（short－open－load－through）校準(zhǔn)方法。三、思慮題能否能夠直接進(jìn)行電路參數(shù)的丈量，為何？怎樣從丈量的S參數(shù)導(dǎo)出電路參數(shù)？答：不可以夠；丈量需要達(dá)成校準(zhǔn)后才能進(jìn)行，可是仍舊不可以直接丈量獲取電路參數(shù)，因為微波同軸丈量系統(tǒng)只好關(guān)于微波的入射和反射的電壓電流關(guān)系進(jìn)行剖析。S參數(shù)到Z參數(shù)的變換公式以下：-1z11z12z01s11s121s11s12z21z22s211s22s211s22實驗二微波同軸丈量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法一、實驗?zāi)康?、認(rèn)識常用微波同軸丈量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法以及精度。2、熟習(xí)矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀的SOLT校準(zhǔn)步驟以及校準(zhǔn)精度考證方法。二、實驗內(nèi)容1、總結(jié)常用微波同軸丈量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，認(rèn)識其校準(zhǔn)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。SOLT校準(zhǔn)能夠供給優(yōu)秀的精度和可重復(fù)性。這類校準(zhǔn)方法要求使用短路、開路和負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。假如被測件上有雌雄連結(jié)器，還需要分別為雌雄連結(jié)供給對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，連結(jié)兩個丈量平面，形成直通連結(jié)。SOLT校準(zhǔn)方法使用12項偏差修正模型，此中被測件的正向有6項，反向有6項。圖2顯示了正向偏差項：ED（方向）、ES（源般配）、EL（負(fù)載般配）、ERF（反射追蹤）、ETF（發(fā)射追蹤）和EX（串?dāng)_）。操作正確的話，SOLT能夠丈量百分之一分貝數(shù)目級的功率和毫度級相位。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)件包含各樣連結(jié)器種類，而且價錢相對廉價，當(dāng)心使用的話能夠用好多年。有的SOLT校準(zhǔn)套件包含滑動負(fù)載，所以可改變路徑的線路長度，同時保持恒定的負(fù)載阻抗（往常為50Ω或75Ω）?；瑒迂?fù)載在高頻時尤其重要，因為在這類狀況下很難實行優(yōu)秀的固定負(fù)載。線路長度的變化會直接成比率地改變電長度，致使丈量路徑中發(fā)生相移。經(jīng)過在校準(zhǔn)過程中使用幾種不一樣長度的線路和相應(yīng)的相移，能夠更精準(zhǔn)地丈量網(wǎng)絡(luò)剖析儀的方向性（圖3）。雙向直通SOL往常稱為“未知直通”。這類方法同意在恪守一些基來源則的條件下，在校準(zhǔn)過程中使用電纜、電路板線軌或Ecal模塊作為直通路徑。當(dāng)辦理非插入式設(shè)施（擁有同性或不兼容的連結(jié)器，在校準(zhǔn)時期需要使用適配器才能成立直通連結(jié)）時，未知直通尤其有用。該適配器會給校準(zhǔn)帶來一個偏差。未知直通因為無需使用精細(xì)的或經(jīng)過校準(zhǔn)的適配器，而且能夠最大限度地減少校準(zhǔn)時期的電纜移動，所以特別實用。它往常比其余需要去除適配器的方法更方便、更精準(zhǔn)。TRL校準(zhǔn)極為精準(zhǔn)，在大部分狀況下，精準(zhǔn)度甚至超出SOLT校準(zhǔn)。但是絕大部分校準(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)件與被測件的連結(jié)種類不一樣的狀況下，一般采納TRL校準(zhǔn)。使用測試夾具進(jìn)行丈量或使用探頭進(jìn)行晶圓上的丈量，通常都屬于這類狀況。所以，某些狀況下需要建立和表征與被測件配置介質(zhì)種類同樣的標(biāo)準(zhǔn)件。制造和表征三個TRL標(biāo)準(zhǔn)件比制造和表征四個SOLT標(biāo)準(zhǔn)件更簡單。TRL校準(zhǔn)還有另一個重要優(yōu)勢：標(biāo)準(zhǔn)件不需要像SOLT標(biāo)準(zhǔn)件那樣進(jìn)行完好或精準(zhǔn)的定義。固然SOLT標(biāo)準(zhǔn)件是完好依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義進(jìn)行表征和儲藏，而TRL標(biāo)準(zhǔn)件只成立模型而不進(jìn)行完好表征，可是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。物理中止（例如傳輸線路曲折和同軸構(gòu)造中的焊縫）將會降低TRL校準(zhǔn)的精度。接口一定保持潔凈并允同意重復(fù)的連結(jié)。2、掌握矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀的SOLT校準(zhǔn)步驟以及校準(zhǔn)精度考證方法。注意在實驗報告中包含以下內(nèi)容：校準(zhǔn)前丈量各校準(zhǔn)件（開路、短路、般配和直通）S參數(shù)，并保留數(shù)據(jù)①校準(zhǔn)前開路對數(shù)圖：②校準(zhǔn)前開路Smith圓圖：②準(zhǔn)前短路對數(shù)圖：①校準(zhǔn)前短路Smith圓圖：②校準(zhǔn)前負(fù)載般配對數(shù)圖：③校準(zhǔn)前般配負(fù)載Smith圓圖：④校準(zhǔn)前直通對數(shù)圖：⑤校準(zhǔn)前直通Smith圖：矢量網(wǎng)絡(luò)剖析儀SOLT的校準(zhǔn)步驟①設(shè)置好頻次范圍；②點(diǎn)擊“校準(zhǔn)”鍵，選擇“丈量機(jī)械校準(zhǔn)”，而后接入SHORT校準(zhǔn)件，察看對數(shù)曲線，在0dB鄰近，而后點(diǎn)擊“短路”按鈕；③點(diǎn)擊“開路”鍵，而后接入OPEN校準(zhǔn)件，察看對數(shù)曲線，在0dB鄰近，而后點(diǎn)擊“開路”按鈕；④點(diǎn)擊“負(fù)載”鍵，而后接入LOAD校準(zhǔn)件，察看對數(shù)曲線，在-20dB以下，而后點(diǎn)擊“負(fù)載”按鈕；⑤返回上一層，點(diǎn)擊“丈量機(jī)械校準(zhǔn)”按鈕，而后點(diǎn)擊“直通”按鈕，接入THROUGH校準(zhǔn)件，察看對數(shù)曲線，在-20dB以下，而后點(diǎn)擊“直通”按鈕；⑥校準(zhǔn)完成。校準(zhǔn)后丈量各校準(zhǔn)件（開路、短路、般配和直通）S參數(shù)，并保留數(shù)據(jù)①校準(zhǔn)后開路對數(shù)圖：②校準(zhǔn)后開路Smith圓圖：③校準(zhǔn)后短路對數(shù)圖：④校準(zhǔn)后短路Smith圓圖：⑤校準(zhǔn)后般配負(fù)載對數(shù)圖：⑥校準(zhǔn)后般配負(fù)載Smith圓圖：⑦校準(zhǔn)后直通對數(shù)圖：⑧校準(zhǔn)后直通Smith圓圖：比較校準(zhǔn)前后校準(zhǔn)件（開路、短路、般配和直通）的S參數(shù)，解說說明各條曲線，并指出所做校準(zhǔn)的精度狀況。①開路：網(wǎng)絡(luò)開路，г=1。校準(zhǔn)前S參數(shù)的對數(shù)曲線是一條在0dB鄰近的不規(guī)則曲線，圓圖曲線較為凌亂；接入OPEN校準(zhǔn)件后曲線是一條值為0db的水平線，在圓圖上隨頻次變化順時針挪動，由圖知，校準(zhǔn)精準(zhǔn)度很高；②短路：網(wǎng)絡(luò)短路，г=-1。校準(zhǔn)前S參數(shù)的對數(shù)曲線是一條在0dB鄰近的不規(guī)則曲線，圓圖曲線較為凌亂；接入SHORT后曲線是一條值為0db的水平線，在圓圖上隨頻次變化逆時針挪動，由圖知，校準(zhǔn)精準(zhǔn)度很高；③般配：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載般配，г=0，S參數(shù)db值應(yīng)很小。校準(zhǔn)前S參數(shù)對數(shù)曲線值均在-20dB以下，主要散布在-30dB~-40dB之間，在圓圖上為位于圓心鄰近的不規(guī)則環(huán)狀曲線；校準(zhǔn)后對數(shù)曲線值均在-50dB左右，顯然小于校準(zhǔn)前，在Smith上只有位于圓心的一點(diǎn)。所以，校準(zhǔn)后S參數(shù)約為-50db，足夠小，因此校準(zhǔn)精準(zhǔn)度很高。④直通：電路網(wǎng)絡(luò)直通，г=0，S參數(shù)db值應(yīng)很小。校準(zhǔn)前S參數(shù)對數(shù)曲線值主要散布在-30dB~-40dB之間，部分大于-20dB，在圓圖上為位于圓心鄰近的不規(guī)則環(huán)狀曲線；校準(zhǔn)后對數(shù)曲線值均在-50dB左右，值顯然小于校準(zhǔn)前，在Smith上只有位于圓心的一點(diǎn)。所以，校準(zhǔn)后S參數(shù)約為-50db，足夠小，因此校準(zhǔn)精準(zhǔn)度很高。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)剖析儀的偏差模型，并以Matlab繪圖的形式給出。實驗三利用微波同軸丈量系統(tǒng)進(jìn)行實質(zhì)器件丈量一、實驗?zāi)康?、利用SOLT校準(zhǔn)方法進(jìn)行微波同軸丈量系統(tǒng)的校準(zhǔn)2、丈量功分器、耦合器和濾波器的實質(zhì)性能二、實驗內(nèi)容1、儲存丈量結(jié)果，并經(jīng)過丈量結(jié)果認(rèn)識功分器、耦合器、濾波器和天線的工作原理以及性能。功分器、耦合器和濾波器的S參數(shù)丈量曲線（均為校準(zhǔn)后）①功分器的S參數(shù)對數(shù)曲線：②耦合器傳輸?shù)腟參數(shù)對數(shù)曲線：③耦合器隔絕度的S參數(shù)對數(shù)曲線：④濾波器的S參數(shù)對數(shù)曲線：⑤天線的S參數(shù)對數(shù)曲線：經(jīng)過剖析其S參數(shù)，認(rèn)識功分器、耦合器和濾波器所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的特征（能否為對稱性、互易性和無耗性？）。①功分器的S21對數(shù)曲線是一條-3dB左右的水平直線，所以功分器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)擁有對稱性、互易性和無耗性；②耦合器的S21對數(shù)曲線是一條-3dB左右的水平直線，所以耦合器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)擁有對稱性、互易性和無耗性；③濾波器的對數(shù)曲線在通帶內(nèi)S21較大，S11對數(shù)值??；在通帶外S21較小，S11對數(shù)值大。濾波器在通帶內(nèi)擁有對稱性、互易性和無耗性。2、在分別經(jīng)過校準(zhǔn)和沒有校準(zhǔn)的狀況下丈量功分器、耦合器、濾波器和天線的性能，比較兩類丈量結(jié)果，給出實驗報告，包含以下內(nèi)容：未校準(zhǔn)和校準(zhǔn)后功分器、耦合器和濾波器丈量曲線比較；①校準(zhǔn)前功分器的S參數(shù)對數(shù)曲線：比較：校準(zhǔn)前功分器的曲線不是很光滑，對數(shù)值在-4dB左右，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為；校準(zhǔn)后功分器的曲線較為光滑，對數(shù)值在-3dB左右，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為。功分器的作用是實現(xiàn)功率的平平分派，所以S21理想狀況下應(yīng)為1/2，對數(shù)值約為-3dB，所以校準(zhǔn)后的對數(shù)值更靠近該值，性能更好。②校準(zhǔn)前耦合器傳輸?shù)腟參數(shù)對數(shù)曲線：比較：校準(zhǔn)前耦合器的曲線不是很光滑，對數(shù)值主要散布在-4dB~-5dB，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為和；校準(zhǔn)后耦合器的曲線較為光滑，對數(shù)值主要散布在-3dB~-4dB，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為。耦合器的傳輸作用是實現(xiàn)將一路微波功率按比率分紅幾路傳輸出去。實驗中使用的耦合器為兩個輸出端口，所以傳輸對數(shù)值越靠近-3dB說明性能越好。校準(zhǔn)后的對數(shù)值更靠近該值，性能更好。③校準(zhǔn)前耦合器隔絕度的S參數(shù)對數(shù)曲線：比較：校準(zhǔn)前耦合器的曲線較為緩和，對數(shù)值均在-10dB以下，由圖中光標(biāo)讀取數(shù)值可知在f=時S參數(shù)對數(shù)值為；校準(zhǔn)后耦合器的曲線對數(shù)值均在-10dB以下，可是曲線峻峭程度更大，由圖中光標(biāo)讀取數(shù)值可知在f=時S參數(shù)對數(shù)值為。耦合器的隔絕作用是實現(xiàn)微波功率傳輸而盡量減小反射。校準(zhǔn)后的對數(shù)值更小，說明反射的比率更小，性能更好。④校準(zhǔn)前濾波器的S參數(shù)對數(shù)曲線：比較：該濾波器的在f=時S21值最大，S11值最小，所以該濾波器為一帶通濾波器。校準(zhǔn)前S11對數(shù)曲線在通帶以外頻次范圍內(nèi)在0dB鄰近搖動，不是很穩(wěn)固，說明在通帶以外的地方信號沒有完好反射；而校準(zhǔn)后對數(shù)曲線在通帶以外恒為0，說明通帶外的信號都沒能經(jīng)過濾波器。在f=時，校準(zhǔn)前S11對數(shù)值大于校準(zhǔn)后，S21對數(shù)值小于校準(zhǔn)后，說明校準(zhǔn)后濾波器對通帶內(nèi)信號反射小，經(jīng)過比率大。所以校準(zhǔn)后濾波器的各項性能更好。⑤校準(zhǔn)前天線的S參數(shù)對數(shù)曲線：比較：校準(zhǔn)前天線的S11曲線較不規(guī)則，曲線上存在對個極大值極小值；校準(zhǔn)后曲線更為光滑，極小值點(diǎn)只有一個，明確地表示出天線的最正確工作頻次點(diǎn)。所以校準(zhǔn)后天線的性能更好。聯(lián)合實驗二指出關(guān)于三個器件，十二項偏差模型中哪個偏差項的影響比較大，原由是什么；由實驗二可知關(guān)于三個器件，十二項偏差模型中影響比較大的偏差項為：ETF、ETR傳輸追蹤偏差和ERF、ERR反射追蹤偏差，因為測試電纜等在工作頻帶范圍內(nèi)其特征都會存在變化。經(jīng)過丈量結(jié)果剖析三個器件的工作原理；①功分器：功分器的作用是實現(xiàn)功率的平平分派，對應(yīng)不一樣的S轉(zhuǎn)移參數(shù)，本實驗為一分二，對應(yīng)S21對數(shù)值=-3dB。②耦合器：功分器的作用是將一路微波功率按比率分紅幾路，即功率分派問題。③濾波器：濾波器的作用是將輸入信號中需要的頻次部分留下，其余部分經(jīng)過反射回去而實現(xiàn)濾除，這樣能夠獲取需要的頻次范圍信號作為輸出。3、比較編制TRL程序和矢網(wǎng)SOLT校準(zhǔn)后的測試結(jié)果，考證TRL校準(zhǔn)方法和程序的正確性。TRL校準(zhǔn)極為精準(zhǔn)，在大部分狀況下，精準(zhǔn)度甚至超出SOLT校準(zhǔn)，但是絕大部分校準(zhǔn)套件中都不包含TRL標(biāo)準(zhǔn)件。在要求高精度而且可用的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件與被測件的連結(jié)種類不一樣的狀況下，一般