北郵微波射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)

1、微波射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗姓名： 學(xué)號： 班級: 學(xué)院: 2016年 1 月 5日微波射頻測量技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗實驗一 微波同軸測量系統(tǒng)的熟悉一、實驗?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)的實物圖 主要組成部分及其功能 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器件進行幅頻特性、反射特性和相頻特性測量。 同軸線：連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和校準元件或測量元件。

2、 校準元件：對微波同軸側(cè)量系統(tǒng)進行使用前校準，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。a) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能（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）SYSTEM（系統(tǒng)功能）SAVERECALL：存儲或調(diào)用數(shù)據(jù)。HARD COPY：打印或者

3、存儲測量曲線、數(shù)據(jù)。SYSTEM OPTIONS：系統(tǒng)選項。（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：校準菜單。MARKER：頻標功能鍵。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)置掃描點數(shù)及單次掃描、連續(xù)掃描或保持等。（8）MEAS（測量通道）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

4、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。b) S 參數(shù)測量步驟 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)被測被測 然后經(jīng)過SOLT校準,消除系統(tǒng)誤差； 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。c) 看開路校準件的電容值設(shè)定(校準系數(shù)) 在校準菜單下的CalKit（校準件）選項里，打開校準件

5、的開路件對話框d) 看短路校準件的電感值設(shè)定(校準系數(shù)) 在校準菜單下的CalKit（校準件）選項里，打開校準件的短路件對話框e) 用Smith圓圖顯示所測結(jié)果以及如何與直角坐標轉(zhuǎn)換 TOOLS工具欄下，下拉選項中可得到simth圓圖的顯示以及轉(zhuǎn)換直角坐標f) 如何保存所測數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式 點擊【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。g) 了解儀器提供的校準方法（SOLT） 儀器提供SOLT校準方法，TRL校準方法等集中校準方法，實驗中使用SOLT校準方法，即短接、開路、負載和直通。 三、思考題1、是否可以直接進行電路參數(shù)的測量，為什么？如何從測

6、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：z11z12z21z22=z01+s11s12s211+s221-s11-s12-s211-s22-1實驗二 微波同軸測量系統(tǒng)校準方法一、實驗?zāi)康?1、了解常用微波同軸測量系統(tǒng)的校準方法以及精度。 2、熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的SOLT校準步驟以及校準精度驗證方法。二、實驗內(nèi)容1、總結(jié)常用微波同軸測量系統(tǒng)的校準方法，比如TRL和SOLT，了解其校準原理和優(yōu)缺點。SOLT校準能夠提供優(yōu)異的精度和可重復(fù)性。這種校準

7、方法要求使用短路、開路和負載標準校準件。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)的標準件，連接兩個測量平面，形成直通連接。SOLT校準方法使用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。常用的校準套件中都包含SOLT標準校準件。這些校準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

8、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)過校準的適配器，并且可以最大限度地減少

9、校準期間的電纜移動，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、更精確。 TRL校準極為精確，在大多數(shù)情況下，精確度甚至超過SOLT校準。然而絕大多數(shù)校準套件中都不包含TRL標準件。在要求高精度并且可用的標準校準件與 被測件的連接類型不同的情況下，一般采用TRL校準。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)類型相同的標準件。制造和表征三個TRL標準件比制造和表征四個SOLT標準件更容易。 TRL校準還有另一個重要優(yōu)勢：標準件不需要像SOLT標準件那樣進行完整或精確的定義。雖然SOLT標準件是完全按照標準的定

10、義進行表征和儲存，而TRL標準件只建 立模型而不進行完整表征，但是TRL校準的精度與TRL標準件的質(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校準步驟以及校準精度驗證方法。a) 校準前測量各校準件（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的校準步驟（1）按CAL鍵激活校準菜單（2）按StartCal鍵進入下一級校準菜單（3）按Two-PortP1P2鍵選擇2端口校準，并進入下一級菜單（4）按TOSM鍵選擇TOSM校準方式，

11、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，不是標準件的接頭形式，以及正確的校準件（CalibrationKit）的型號。 （5）點擊“Next”鍵，進入校準菜單，SOLT校準共有7個步驟： 在1端口接開路校準件，用鼠標點擊“開路open”。 在1端口接短路校準件，用鼠標點擊“短路Short”。 在1端口接負載校準件，用鼠標點擊“負載Load”。 在2端口接開路校準件，用鼠標點擊“開路Open”。 在2端口接短路校準件，用鼠標點擊“短路Short”。 在2端口接負載校準件，用鼠標點擊“負載Load”。 在1端口和2端口之間接直通校準件,用鼠標點擊“直通Th

12、rough”,同時下方的”Apply”鍵也生效。點擊“Apply”，使校準數(shù)據(jù)生效。c) 校準后測量各校準件（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) 比較校準前后校準件（開路、短路、匹配和直通）的S參數(shù)，解釋說明各條曲線，并指出所做校準的精度情況分析比較校準前后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過校準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步驟都是必要的，而且在校準過程中，有校準之后的圖形可分析：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的一段線，匹配點經(jīng)過校準后已經(jīng)非常接近理論上

13、的一個點而不是一個區(qū)域。所以，校準之后的測量才是符合實際的近乎標準值，在未校準時進行的測量只能大概估計下元件的類型及帶寬，對于精確的參數(shù)測量未校準時是完全不符合標準的。3、自制TRL校準件進行校準，編制TRL校準程序。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?、利用SOLT校準方法進行微波同軸測量系統(tǒng)的校準.2、測量天線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)測量曲線天線的S11測量曲線濾波器的S11測量曲線 濾波器的S21曲線

14、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。 S11 是S參數(shù)中的一個，表示回波損耗特性，一般通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數(shù)表示天線的發(fā)射效率好不好，值越大，表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的效率就越差。 對于濾波器來說，通帶增益主要由濾波器的S21參數(shù)確定。阻帶增益也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。通帶反射系數(shù)由濾波器的S11參數(shù)確定。在進行設(shè)計時，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化的曲線上。S11（S22）參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反

15、射系數(shù)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下降。對于天線，由于是單端口器件，故只有S11的結(jié)果，在工作頻率點處，S11（回波損耗）很小，即全部能量發(fā)射出去。對于濾波器,可以看出，是良好的帶通濾波器，且同頻帶較窄2、在分別經(jīng)過校準和沒有校準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) 未校準和校準后天線和濾波器測量曲線比較天線 未校準天線 校準后天線 調(diào)整前后，天線的曲線更平滑了，且方向性變好了，更有助于接收和發(fā)射信號濾波器 未校準的S11測量曲線 校準后的S11測量曲線為校準的S12測量曲線 校準后的S12測量曲線 隔離未校準前 隔離校準后耦合未校準 耦合校準

16、后直通未校準 直通校準后 帶通濾波器1的S11參數(shù)曲線可以看出，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，實現(xiàn)帶通，但是校準前后最大衰減量變大，說明濾波在中心頻率處性能更好。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？ 實驗二指出對于三個器件，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天線工作原理：天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波變換成在無界媒介中傳播的電磁波，或者進行相反的變換，在

17、無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接受電磁波，一般天線都具有可逆性，同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線，同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的，這稱為天線的互易定理。由實驗所得結(jié)果可知，天線可以接收到特定頻段的信號，而對其余頻段的信號則不會接受，在設(shè)計天線時可以有不同的內(nèi)部構(gòu)造，以根據(jù)不同的需求讓天線接受不同頻段的信號。濾波器工作原理：濾波器是減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件，濾波器可以用于消除干擾，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到特定頻段的信號，對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率，濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始

18、信號所攜帶的信息的過程。由實驗所得結(jié)果可知，濾波器只能通過特定頻段的信號，而對其余頻段的信號有較大的衰減，通過衰減來得到我們所需的信號。耦合器工作原理：在微波系統(tǒng)中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題，實現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件即耦合器，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件，這些元器件一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò)，耦合器也叫適配器。由實驗所得結(jié)果可知，當(dāng)接直通端時，校準后耦合器的S21參數(shù)接近于一條直線，只有很小的波動，表明此時耦合器能讓大部分的信號全都通過，具有直通性，當(dāng)接隔離端時，校準后耦合器的S21參數(shù)在前半段逐漸增大，后面就越來越平坦，趨于不變，但是衰減都比較大，說明此時耦合器無法讓信號通過，表現(xiàn)出隔離性，當(dāng)接耦合端時，校準后S21參