微波測量實(shí)驗(yàn)報告

1、 北京郵電大學(xué)微波測量實(shí)驗(yàn)報告課題：微波射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)姓名：學(xué)號：班級：學(xué)院：實(shí)驗(yàn)一 微波同軸測量系統(tǒng)的熟悉一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、常用微波同軸測量系統(tǒng)的認(rèn)識，簡要了解其工作原理。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(jìn)行幅頻特性、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)

2、元件或測量元件。3）校準(zhǔn)元件：對微波同軸側(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。1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能面板組成圖如下所示：1235467981011121314各部分功能如下：（1）CRT顯示器顯示儀器當(dāng)前工作狀態(tài)和測試結(jié)果。（2）BEGIN（開始）在測量放大器、濾波器、寬帶無源器件、電纜等被測時能快速、簡便的配置儀器，可引導(dǎo)用戶完成初始步驟，根據(jù)用戶的選擇自動配置儀器。（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）SY

3、STEM（系統(tǒng)功能）SAVERECALL：存儲或調(diào)用數(shù)據(jù)。HARD COPY：打印或者存儲測量曲線、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、掃描時間。POWER：RF信號輸出開關(guān)或者設(shè)置RF信號輸出功率。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（測量

4、通道）MEAS1：設(shè)置通道1的測量方式。MEAS2：設(shè)置通道2的測量方式。（9）軟鍵對應(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）電源開關(guān)打開或關(guān)閉整機(jī)電源。（12）U盤接口Usb盤接口（13）RF OUT（射頻輸出）射頻信號輸出口，N型K頭。（14）RF IN（射頻輸入）射頻信號輸入口，N型K頭。2）S 參數(shù)測量步驟a)將一個待測的二端口網(wǎng)絡(luò)通過同軸線接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，組成一個微波同軸測量系統(tǒng)，如下圖所示：被測b)然后經(jīng)過SOLT校準(zhǔn),消除系統(tǒng)誤差；c)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上調(diào)處S參數(shù)測量曲線，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

5、。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)。（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(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?、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)的校準(zhǔn)方法，比如TRL和SOLT，了解其校準(zhǔn)原理和優(yōu)

6、缺點(diǎn)。a) SOLT校準(zhǔn)OLT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(fù)載標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。如果被測件上有雌雄連接器，還需要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(xiàng)誤差修正模型，其中被測件的正向有6項(xiàng)，反向有6項(xiàng)。圖正向誤差項(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，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。 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

7、參數(shù)會導(dǎo)致信號的耦合泄漏。 ERR，ERF：傳輸參數(shù)，誤差與反射測量相關(guān)，可以用短路和屏蔽開路校準(zhǔn)件進(jìn)行測量。 EXF，EXR：隔離，串?dāng)_，誤差與串?dāng)_相關(guān)，可以通過測量接匹配負(fù)載的1口和2口來確定。 ESF，ESR以及 ELF，ELR：信號源匹配和負(fù)載匹配，指信號源與50歐姆負(fù)載的匹配程度以及負(fù)載的質(zhì)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(guān)，通過測量1、2口互連時的傳輸確定。 網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)即是通過數(shù)學(xué)的方法消除以上誤差項(xiàng)，得到被測器件真實(shí)參量(Sa11，Sa12，Sa21，Sa22)的過程。 b) TRL校準(zhǔn)TRL校準(zhǔn)極為精確，在大多數(shù)情況

8、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(jìn)行測量或使用探頭進(jìn)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(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)的定義進(jìn)行表征和儲存，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。

9、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。ThruReflect Line 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。方法如下： （1） 按CAL 鍵激活校準(zhǔn)菜單 （2） 按Start Cal鍵進(jìn)入下一級校準(zhǔn)菜單 （3） 按Two-Port P1 P2鍵選擇2端口校準(zhǔn)，并進(jìn)入下一級菜單 （4） 按TOSM鍵選擇TOSM校準(zhǔn)方式，選擇正確的接頭形式（Connector），注意這里的接頭指的是測試電纜的接頭形式，不是標(biāo)準(zhǔn)件的接頭形式，以及正確的校準(zhǔn)件（Calibration Kit）的型號。 （5） 點(diǎn)擊“Ne

10、xt”鍵，進(jìn)入校準(zhǔn)菜單，SOLT校準(zhǔn)共有7個步驟： 在1端口接開路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開路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端口接開路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開路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Through”,同時下方的”Apply”鍵也生效。點(diǎn)擊“Apply”，使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)生效。三、實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果 注意在實(shí)驗(yàn)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

11、）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù)1）開路S112）短路S113）匹配S114）直通S11b) 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)1） 開路S112） 短路S113） 匹配S114） 直通S11c) 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)的精度情況分析比較校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過校準(zhǔn)后有效的減少了原來的誤差，帶寬的微弱變化雖然很小，但是對于誤差來說還是足夠證明每次連接測量器件之前校準(zhǔn)步驟都是必要的，而且在校準(zhǔn)過程中，有校準(zhǔn)之后的圖形可分析：在Smith圓圖上，開路和短路不再是一圈圈纏繞的線，已經(jīng)減少到靠近開路和短路點(diǎn)的一段線，匹

12、配點(diǎn)經(jīng)過校準(zhǔn)后已經(jīng)非常接近理論上的一個點(diǎn)而不是一個區(qū)域。所以，校準(zhǔn)之后的測量才是符合實(shí)際的近乎標(biāo)準(zhǔn)值，在未校準(zhǔn)時進(jìn)行的測量只能大概估計(jì)下元件的類型及帶寬，對于精確的參數(shù)測量未校準(zhǔn)時是完全不符合標(biāo)準(zhǔn)的。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?、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、測量天線和濾波器的實(shí)際性能二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、存儲測量結(jié)果，并通過測量結(jié)果了解天線和濾波器的工作原理以及性能a) 天線和濾波器的S參數(shù)測量曲線b) 通過分析其S參數(shù)，了解天線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a) 未校準(zhǔn)和校

13、準(zhǔn)后天線和濾波器測量曲線比較b) 結(jié)合實(shí)驗(yàn)二指出對于三個器件，十二項(xiàng)誤差模型中哪個誤差項(xiàng)的影響比較大，原因是什么？c) 通過測量結(jié)果分析三個器件的工作原理。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1）校準(zhǔn)后天線S11天線是單端口器件，故只有S11的結(jié)果，在工作頻率點(diǎn)處，即2.22GHz，S11（回波損耗）很小，即全部能量發(fā)射出去。2）校準(zhǔn)后濾波器S21濾波器均帶通濾波器。在工作頻率點(diǎn)處，S11即回波損耗非常小，幾乎全部能量都通過了濾波器，S21非常大，表示全部能量都通過濾波器傳播過來。該濾波器的3dB帶寬為100MHz。3） 校準(zhǔn)后耦合器直通端S214） 校準(zhǔn)后耦合器耦合端S215）校準(zhǔn)后耦合器隔離端S21耦合器為四端口器件，分別為輸入端，直通端，隔離端，耦合端。直通端的S21很大，說明輸入的能量幾乎全部從直通端輸出，隔離端的S21很小，不輸出能量，有很小一部分能量從耦合端輸出，