微波測量實驗報告

1、微波測量實驗報告班級：姓名： 學號：班內序號：一、 微波同軸測量系統(tǒng)1. 微波同軸測量系統(tǒng)的組成圖1 微波同軸測量系統(tǒng)圖各元件和儀器在系統(tǒng)中的作用：(1) 掃描振蕩器：產生頻率在一定范圍內周期性線性變化的掃頻信號(2) 功率分配器：將掃頻信號分為功率相等的兩路信號，一路VA作為測試信號，另一路VR作為參考信號(3) 本振VCO：產生與掃頻信號頻率差一定的較高頻信號，用于混頻得到中頻信號(4) 中頻濾波器：濾出混頻后的中頻信號，以便進行幅度和相位比較(5) 幅度比較器：比較中頻測試信號和中頻參考信號的幅度(6) 相位檢測器：檢測中頻測試信號和中頻參考信號的相位差在本學期的實驗中我們使用AV365

2、80A矢量網絡分析儀（Vector Network Analyzer）作為測量儀器。2. 矢量網絡分析儀的操作以及測量方法(1) 矢量網絡分析儀的面板組成以及各部分功能圖2 矢量網絡分析儀(a) 光標/分析部分：光標：插入、選擇、刪除光標 (b) 響應部分：測量：改變測量值（S11、S21、S12、S22）格式：改變繪圖格式（幅頻響應、相頻響應或者Smith圓圖）比例：改變坐標單位（線性坐標、對數(shù)坐標）校準：校準測量端口（SOLT法、TRL法）(c) 激勵部分：起始：改變掃頻起始頻率終止：改變掃頻終止頻率中心：改變掃頻中心頻率(d) 調節(jié)部分：通過旋鈕和按鍵調節(jié)光標位置或者數(shù)值大小(e) 輸入

3、部分：通過按鍵改變改變數(shù)值大小(2) S參數(shù)測量步驟(a) 在測量前提前打開分析儀，進行預熱(b) 根據(jù)待測器件設定參數(shù)(c) 用校準件對分析儀進行校準(d) 連接待測器件，進行測量(3) 如何用Smith圓圖顯示所測結果以及如何與直角坐標轉換點擊儀器面板響應部分的格式按鈕，選擇Smith圓圖；也可以選擇直角坐標。(4) 如何保存所測數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式點擊儀器面板功能部分的保存按鈕，選擇另存為，然后選擇保存目錄，可保存為.jpg圖片格式。(5) 了解儀器提供的校準方法（SOLT）SOLT校準是比較常用的一種方法，能夠提供優(yōu)異的精度和可重復性。儀器經過正確的SOLT校準后，可以測量百分之一

4、分貝數(shù)量級的功率和毫度數(shù)量級的相位。常用的校準套件中都包含SOLT標準校準件。3. 思考題是否可以直接進行電路參數(shù)的測量，為什么？如何從測量的S參數(shù)導出電路參數(shù)。不可以直接進行測量，需要先進行校準。電路Z參數(shù)可以由下式導出：二、 微波同軸測量系統(tǒng)的校準方法1. 常用校準方法(1) SOLT校準方法SOLT校準方法要求使用短路、開路和負載標準校準件。如果被測件為多端口網絡，還需要分別為公母連接頭提供對應的標準件，連接兩個測量平面，形成直通連接。這種校準方法使用12項誤差修正模型，其中被測件的正向誤差有6項，如圖3，反向有6項，如圖4。圖3 12項誤差修正模型正向誤差圖4 12項誤差修正模型反向誤

5、差12項誤差模型各誤差項說明：EDF，EDR：反射參數(shù)，衡量VNA耦合器分離前向波和反射波程度，數(shù)值越大越好。小的反射參數(shù)會導致信號的耦合泄漏；ERR，ERF：傳輸參數(shù)，誤差與反射測量相關，可以用短路和屏蔽開路校準件進行測量；EXF，EXR：隔離，串擾，誤差與串擾相關，可以通過測量接匹配負載的1口和2口來確定；ESF，ESR以及 ELF，ELR：信號源匹配和負載匹配，指信號源與50歐姆負載的匹配程度以及負載的質量，這些誤差可以通過測量S11和S22確定；ETF，ETR：傳輸參數(shù)，誤差與傳輸測量相關，通過測量1、2口互連時的傳輸確定。網絡分析儀的校準即是通過數(shù)學的方法消除以上誤差項，得到被測器件

6、真實參量(S11，S12，S21，S22)的過程。(2) TRL校準方法TRL校準方法要求使用直通、反射、延遲線/匹配負載標準件。這種校準方法使用10項或8項誤差修正模型，如圖5。圖5 8項誤差修正模型(3) SOLT與TRL的比較根據(jù)SOLT和TRL校準過程的誤差模型分析，我們可以得到這樣幾個結論：(a) TRL方法計算簡單，但該方法需要網絡分析儀具有四個接收機，分別檢測信號a0,a1,b0,b1（以正向為例），而SOLT方法只需要三個，分別檢測信號a0,b0,b1；(b) TRL方法僅需要簡單的校準件，不需要理想的強反射件（理想的開路或短路），并且傳輸線校準件比較容易實現(xiàn)；而SOLT方法則

7、需要很多的校準件，并且校準件的性能指標對校準結果的影響較大；(c) 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，微帶線等；(d) TRL方法中，傳輸線的工作頻帶和起始頻率的關系是8：1，因此TRL校準是窄帶的，寬帶的TRL校準需要多個不同長度的線，這樣會浪費面積；而SOLT方法是寬帶的。SOLT校準方法得到的測試結果明顯優(yōu)于TRL。另外在校準和測試過程中，采用TRL校準方式的測試由于不同的傳輸線適應不同帶寬的校準頻率范圍，校準和測試必須分段進行，所以在測試結果中可以看到曲線的不連續(xù)性。2. SOLT校準及驗證(1) 校準前各校準件

8、S參數(shù)短路開路負載(2) SOLT校準步驟(a) 點擊儀器面板響應部分校準按鈕，選擇SOLT校準(b) 選擇“前向反射校準”，依次將三種反射校準件（短路、開路、負載）連接到端口1，然后點擊進行對應校準，全部完成后選擇下方“完成前向反射校準”(c) 選擇“后向反射校準”，仿照上一步操作校準端口2(d) 選擇“傳輸校準”，將端口1和端口2通過直通校準件連接，點擊“完成傳輸校準”(e) 上述步驟全部完成后，點擊“完成校準”保存校準結果(3) 校準后各校準件S參數(shù)短路開路負載(4) 曲線說明(a) 開路：=1，|S|=1，dB值為0。Smith圓圖表現(xiàn)為從開路點隨頻率變化順時針沿圓周移動，校準后曲線嚴

9、格沿邊緣移動，并且曲線平滑。(b) 短路：=-1，|S|=1，dB值為0。Smith圓圖表現(xiàn)為從短路點隨頻率變化順時針沿圓周移動，校準后曲線嚴格沿邊緣移動，并且曲線平滑。(c) 匹配：=0，|S|=1，dB值為負無窮。Smith圓圖表現(xiàn)為圓心一點。從上面的圖中可以看到校準前各條曲線有誤差，校準后從圖中看不出誤差，說明校準精度比較高。三、 利用微波同軸測量系統(tǒng)進行實際器件測量1. 天線(1) S參數(shù)測量曲線(2) 曲線分析天線是單端口網絡，S參數(shù)是端口反射波與入射波之比。從上圖可以看出，在頻率小于2GHz時，dB值接近0，|S|接近1，說明低頻信號基本從端口被反射回來，能量沒有通過天線發(fā)射出去；

10、頻率在2.3GHz附近時，dB值接近-20，|S|接近0.01，說明此頻率附近反射信號小，能量通過天線被輻射出去。實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，如果天線附近有遮擋，凹陷部分的曲線會上移，這說明輻射功率減小，與上面的分析吻合。2. 帶通濾波器(1) S11,S21測量曲線(2) 曲線分析濾波器是雙端口網絡，S11是在端口2無入射波（接匹配負載）的情況下，端口1反射波與入射波之比；S21是在端口2無入射波（接匹配負載）的情況下，端口2反射波與端口1入射波之比，可理解為網絡的輸出與輸入之比。從S11圖可以看出光標頻率附近|S11|較小，反射信號小，說明信號進入濾波器；其他頻率|S11|接近1，反射信號接近入射信

11、號，說明信號被反射回來。對照S22圖，頻率在兩光標之間|S21|接近1，端口2出射信號接近端口1入射信號，說明這部分信號通過網絡后衰減小；其他頻率|S21|較小，端口2出射信號小，說明濾波器對這部分信號有很大衰減，基本被濾除。S21圖上兩光標對應-3dB點，可得帶通濾波器帶寬約為120MHz，中心頻率約為1.3GHz。四、 實驗總結其實這并不是我第一次接觸矢量網絡分析儀，之前在參加電子設計競賽的時候，由于需要測量網絡的高頻特性，我就在老師的指導下接觸過它。但當時只會直接接線測量，根本不清楚它的工作原理，更別提校準操作了。在經過了近一個學期系統(tǒng)的微波理論課學習后，我對微波技術有了些了解，對S參數(shù)的意義有了較深入的認識，也開始