北郵微波測量實驗報告

1、微波射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)實驗報告 題目：微波射頻測量技術(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 微波同軸測量系統(tǒng)的熟悉一、實驗?zāi)康?、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、實驗內(nèi)容1、常用微波同軸測量系統(tǒng)的認識，簡要了解其工作原理。微波同軸測量系統(tǒng)實物圖如下圖所示：微波同軸測量系統(tǒng)包括三個主要部分：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、同軸線和校準(zhǔn)元件或測量元件。各部分功能如下：（1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：對RF領(lǐng)域的放大器、衰減器、天線、同軸電纜、濾波器、分支分配器、功分器、耦合器、隔離器、環(huán)形器等RF器件進行幅

2、頻特性、反射特性和相頻特性測量。 （2）同軸線：連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和校準(zhǔn)元件或測量元件。 （3）a.校準(zhǔn)元件：對微波同軸側(cè)量系統(tǒng)進行使用前校準(zhǔn)，以盡量減小系統(tǒng)誤差。b.測量元件：待測量的原件（如天線、濾波器等），可方便地通過同軸線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連起來。2、掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測量方法。注意在實驗報告中給出儀器使用報告包括下列內(nèi)容：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能。實驗中涉及的面板組成及功能： 顯示器：用于向用戶顯示儀器當(dāng)前的工作狀態(tài)及輸出測試結(jié)果； “激勵”區(qū)：“起始”和“終止”按鈕用來設(shè)定儀器的起始頻率和終止頻率，默認頻率范圍為300KHz3GHz；“中心

3、”按鈕點擊后顯示出當(dāng)前頻率范圍的中間值；“跨度”按鈕點擊后顯示出當(dāng)前頻率范圍的差值大小。 “響應(yīng)”區(qū)：點擊“測量”按鈕進行實際測量；“格式”按鈕點擊后可用于更改輸出格式，實驗中選擇的是Smith圓圖和直角坐標(biāo)；“校準(zhǔn)”鍵用于對儀器進行校準(zhǔn)，消除一定誤差。 “光標(biāo)/分析”區(qū)：點擊“光標(biāo)”按鈕后可以給輸出曲線添加光標(biāo)，得到一些點的精確坐標(biāo)值，可添加多個光標(biāo)并進行移動。 “調(diào)解”按鈕：可用于調(diào)解光標(biāo)的位置使之在曲線上移動。 “輸入”區(qū)：用于對儀器的的一些參數(shù)進行輸入，如開始和截止頻率的值可在此處進行設(shè)置。 端口：此處接入同軸線，從而實現(xiàn)與外部元件的銜接，共兩個插口。 USB插口：可用于插入外部設(shè)備（

4、如U盤、硬盤等）讀取、存儲實驗結(jié)果，也可接入鼠標(biāo)、鍵盤對儀器進行操作。a) S 參數(shù)測量步驟： 經(jīng)過SOLT校準(zhǔn)，消除系統(tǒng)誤差； 將待測元件通過同軸線接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀； 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上選擇S參數(shù)進行測量，得到曲線，可以通過加光標(biāo)得到一些點的坐標(biāo)值； 保存數(shù)據(jù)，選擇S2P（只測量S11和S22時可選擇S1P）格式；保存曲線圖像可選擇.jpg格式。b) 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； 點擊“格式”按鈕，選擇“史密斯圓圖”，就可以用Smith圓圖顯示所測結(jié)果； 點擊“格式”按鈕，選擇“對數(shù)幅度”，就可以轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)形式。c) 如何保存所測數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式；點

5、擊“文件”按鈕，選擇“另存為”，為文件命名后選擇保存方式為S2P，就可以保存所測數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)為S11或S22，可選擇S1P數(shù)據(jù)格式。若需要保存曲線圖像，則保存為.jpg格式。保存成功后可導(dǎo)入U盤，也可直接在桌面進行查看。d) 開路校準(zhǔn)件的電容值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))；C(f)=C0+C1f+C2f²+C3f³e) 短路校準(zhǔn)件的電感值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))；L(f)=L0+L1f+L2f²+L3f³f) 儀器提供什么樣的校準(zhǔn)方法。儀器提供SOLT校準(zhǔn)方法，TRL校準(zhǔn)方法等集中校準(zhǔn)方法，實驗中使用SOLT（shortopenloadthrough）校準(zhǔn)方法。 三、思考題

6、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(dǎo)出電路參數(shù)？答：不可以；測量需要完成校準(zhǔn)后才能進行，但是仍然不能直接測量得到電路參數(shù)，因為微波同軸測量系統(tǒng)只能對于微波的入射和反射的電壓電流關(guān)系進行分析。S參數(shù)到Z參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式如下：實驗二 微波同軸測量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法一、實驗?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)精度驗證方法。二、實驗內(nèi)容1、總結(jié)常用微波同軸測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，了解其校準(zhǔn)原理和優(yōu)缺點。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)方法要求使用短路、開路和負載標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。如果被測件上有雌雄連接器，還需要

7、分別為雌雄連接提供對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，連接兩個測量平面，形成直通連接。SOLT校準(zhǔn)方法使用12項誤差修正模型，其中被測件的正向有6項，反向有6項。圖2顯示了正向誤差項：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（負載匹配）、ERF（反射跟蹤）、ETF（發(fā)射跟蹤）和EX（串?dāng)_）。操作正確的話，SOLT可以測量百分之一分貝數(shù)量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)件包括各種連接器類型，并且價格相對便宜，小心使用的話可以用很多年。有的SOLT校準(zhǔn)套件包含滑動負載，因此可改變路徑的線路長度，同時保持恒定的負載阻抗（通常為50或75）。滑動負載在高頻時尤為重要，因為在這種情況下很難實

8、施良好的固定負載。線路長度的變化會直接成比例地改變電長度，導(dǎo)致測量路徑中發(fā)生相移。通過在校準(zhǔn)過程中使用幾種不同長度的線路和相應(yīng)的相移，可以更精確地測量網(wǎng)絡(luò)分析儀的方向性（圖3）。雙向直通SOL通常稱為“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)過程中使用電纜、電路板線軌或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，未知直通尤為有用。該適配器會給校準(zhǔn)帶來一個誤差。未知直通因為無需使用精密的或經(jīng)過校準(zhǔn)的適配器，并且可以最大限度地減少校準(zhǔn)期間的電纜移動，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

9、確。TRL校準(zhǔn)極為精確，在大多數(shù)情況下，精確度甚至超過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)件與被測件的連接類型不同的情況下，一般采用TRL校準(zhǔn)。使用測試夾具進行測量或使用探頭進行晶圓上的測量，通常都屬于這種情況。因此，某些情況下需要構(gòu)建和表征與被測件配置介質(zhì)類型相同的標(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)件更容易。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)的定義進行表征和儲存，而TRL標(biāo)準(zhǔn)件只建立模型而不進行完整表征，但是TRL校準(zhǔn)的精度與TRL

10、標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量和可重復(fù)性成正比。物理中斷（例如傳輸線路彎曲和同軸結(jié)構(gòu)中的焊縫）將會降低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)精度驗證方法。注意在實驗報告中包括下列內(nèi)容：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) 校準(zhǔn)前開路對數(shù)圖：校準(zhǔn)前開路Smith圓圖： 準(zhǔn)前短路對數(shù)圖： 校準(zhǔn)前短路Smith圓圖： 校準(zhǔn)前負載匹配對數(shù)圖： 校準(zhǔn)前匹配負載Smith圓圖： 校準(zhǔn)前直通對數(shù)圖： 校準(zhǔn)前直通Smith圖：b) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SOLT的校準(zhǔn)步驟 設(shè)置好頻率范圍； 點擊“校準(zhǔn)”鍵，選擇“測量機械校準(zhǔn)”，然后接入SH

11、ORT校準(zhǔn)件，觀察對數(shù)曲線，在0dB附近，然后點擊“短路”按鈕； 點擊 “開路”鍵，然后接入OPEN校準(zhǔn)件，觀察對數(shù)曲線，在0dB附近，然后點擊“開路”按鈕； 點擊“負載”鍵，然后接入LOAD校準(zhǔn)件，觀察對數(shù)曲線，在-20dB以下，然后點擊“負載”按鈕； 返回上一層，點擊“測量機械校準(zhǔn)”按鈕，然后點擊“直通”按鈕，接入THROUGH校準(zhǔn)件，觀察對數(shù)曲線，在-20dB以下，然后點擊“直通”按鈕； 校準(zhǔn)完畢。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) 校準(zhǔn)后開路對數(shù)圖： 校準(zhǔn)后開路Smith圓圖： 校準(zhǔn)后短路對數(shù)圖： 校準(zhǔn)后短路Smith圓圖： 校準(zhǔn)后匹配負載對數(shù)圖： 校

12、準(zhǔn)后匹配負載Smith圓圖： 校準(zhǔn)后直通對數(shù)圖： 校準(zhǔn)后直通Smith圓圖：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：網(wǎng)絡(luò)開路，=1。校準(zhǔn)前S參數(shù)的對數(shù)曲線是一條在0dB附近的不規(guī)則曲線，圓圖曲線較為雜亂；接入OPEN校準(zhǔn)件后曲線是一條值為0db的水平線，在圓圖上隨頻率變化順時針移動，由圖知，校準(zhǔn)精確度很高； 短路：網(wǎng)絡(luò)短路，=-1。校準(zhǔn)前S參數(shù)的對數(shù)曲線是一條在0dB附近的不規(guī)則曲線，圓圖曲線較為雜亂；接入SHORT后曲線是一條值為0db的水平線，在圓圖上隨頻率變化逆時針移動，由圖知，校準(zhǔn)精確度很高； 匹配：網(wǎng)絡(luò)負載匹配，

13、=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，主要分布在-30dB-40dB之間，在圓圖上為位于圓心附近的不規(guī)則環(huán)狀曲線；校準(zhǔn)后對數(shù)曲線值均在-50dB左右，明顯小于校準(zhǔn)前，在Smith上只有位于圓心的一點。因此，校準(zhǔn)后S參數(shù)約為-50db，足夠小，因而校準(zhǔn)精確度很高。 直通：電路網(wǎng)絡(luò)直通，=0，S參數(shù)db值應(yīng)很小。校準(zhǔn)前S參數(shù)對數(shù)曲線值主要分布在-30dB-40dB之間，部分大于-20dB，在圓圖上為位于圓心附近的不規(guī)則環(huán)狀曲線；校準(zhǔn)后對數(shù)曲線值均在-50dB左右，值明顯小于校準(zhǔn)前，在Smith上只有位于圓心的一點。因此，校準(zhǔn)后S參數(shù)約為-50db，足夠小，因而校準(zhǔn)精確

14、度很高。3、自制TRL校準(zhǔn)件進行校準(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畫圖的形式給出。實驗三 利用微波同軸測量系統(tǒng)進行實際器件測量一、實驗?zāi)康?1、利用SOLT校準(zhǔn)方法進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際性能二、實驗內(nèi)容1、存儲測量結(jié)果，并通過測量結(jié)果了解功分器、耦合器、濾波器和天線的工作原理以及性能。a) 功分器、耦合器和濾波器的S參數(shù)測量曲線（均為校準(zhǔn)后） 功分器的S參數(shù)對數(shù)曲線： 耦合器傳輸?shù)腟參數(shù)對數(shù)曲線： 耦合器隔離度的S參數(shù)對數(shù)曲線： 濾波器的S參數(shù)對數(shù)曲線： 天線的S參數(shù)對數(shù)曲線：b) 通過分析其S參數(shù)，了解功分器

15、、耦合器和濾波器所組成的網(wǎng)絡(luò)的特性（是否為對稱性、互易性和無耗性？）。 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)具有對稱性、互易性和無耗性； 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)具有對稱性、互易性和無耗性； 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)具有對稱性、互易性和無耗性。2、在分別經(jīng)過校準(zhǔn)和沒有校準(zhǔn)的情況下測量功分器、耦合器、濾波器和天線的性能，比較兩類測量結(jié)果，給出實驗報告，包括以下內(nèi)容：a) 未校準(zhǔn)和校準(zhǔn)后功分器、耦合器和濾波器測量曲線比較； 校準(zhǔn)前功分器的

16、S參數(shù)對數(shù)曲線：比較：校準(zhǔn)前功分器的曲線不是很平滑，對數(shù)值在-4dB左右，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為-4.235dB；校準(zhǔn)后功分器的曲線較為平滑，對數(shù)值在-3dB左右，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為-3.397dB。功分器的作用是實現(xiàn)功率的平等分配，因此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)值更接近該值，性能更好。 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平滑，對數(shù)值主要分布在-4dB-5dB，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為-3.907dB和-4.632dB；校準(zhǔn)后耦合器的曲線較為平滑，對數(shù)值主要分布在-3dB-4dB，圖中光標(biāo)讀取數(shù)值為-3.633dB。耦合器的傳輸作用是實

17、現(xiàn)將一路微波功率按比例分成幾路傳輸出去。實驗中使用的耦合器為兩個輸出端口，所以傳輸對數(shù)值越接近-3dB說明性能越好。校準(zhǔn)后的對數(shù)值更接近該值，性能更好。 校準(zhǔn)前耦合器隔離度的S參數(shù)對數(shù)曲線：比較：校準(zhǔn)前耦合器的曲線較為平緩，對數(shù)值均在-10dB以下，由圖中光標(biāo)讀取數(shù)值可知在f=2.19305GHz時S參數(shù)對數(shù)值為-34.333dB；校準(zhǔn)后耦合器的曲線對數(shù)值均在-10dB以下，但是曲線陡峭程度更大，由圖中光標(biāo)讀取數(shù)值可知在f=2.195GHz時S參數(shù)對數(shù)值為-50.804dB。耦合器的隔離作用是實現(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，說明反射的比例更小，性能更好。 校準(zhǔn)前濾波器的S參

18、數(shù)對數(shù)曲線：比較：該濾波器的在f=2.215GHz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)曲線在通帶以外頻率范圍內(nèi)在0dB附近擺動，不是很穩(wěn)定，說明在通帶以外的地方信號沒有完全反射；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通過濾波器。在f=2.215GHz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，通過比例大。所以校準(zhǔn)后濾波器的各項性能更好。 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)后曲線更為平滑，極小值點只有一個，明確地表示出天線的最佳

19、工作頻率點。所以校準(zhǔn)后天線的性能更好。b) 結(jié)合實驗二指出對于三個器件，十二項誤差模型中哪個誤差項的影響比較大，原因是什么；由實驗二可知對于三個器件，十二項誤差模型中影響比較大的誤差項為：ETF、ETR傳輸跟蹤誤差和ERF、ERR反射跟蹤誤差，因為測試電纜等在工作頻帶范圍內(nèi)其特性都會存在變化。c) 通過測量結(jié)果分析三個器件的工作原理； 功分器：功分器的作用是實現(xiàn)功率的平等分配，對應(yīng)不同的S轉(zhuǎn)移參數(shù)，本實驗為一分二，對應(yīng)S21對數(shù)值=-3dB。 耦合器：功分器的作用是將一路微波功率按比例分成幾路，即功率分配問題。 濾波器：濾波器的作用是將輸入信號中需要的頻率部分留下，其他部分通過反射回去而實現(xiàn)濾除，這樣可以得到需要的頻率范圍信號作為輸出。3、比較編制TRL程序和矢網(wǎng)SOLT校準(zhǔn)后的測試結(jié)果，驗證TRL校準(zhǔn)方法和程序的正確性。TRL校準(zhǔn)極為精確，在大多數(shù)情況下，精確度甚至超過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)件與被測件