北郵電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)5.3微波單元項(xiàng)目

1、電子工程學(xué)院電磁場(chǎng)微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)5.3微波實(shí)驗(yàn)單元項(xiàng)目組員：2015-5-3執(zhí)筆：郵電大學(xué)目錄5.3.1頻譜分析儀的使用1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1三、實(shí)驗(yàn)原理1四、實(shí)驗(yàn)容2A.單載波信號(hào)的頻譜測(cè)量2B.帶載波信號(hào)的雜散測(cè)量3C.相位噪聲測(cè)量4D.幅頻特性測(cè)量55.3.2衰減器的特性測(cè)量7一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)儀器7三、實(shí)驗(yàn)容75.3.3定向耦合器特性測(cè)量8A.耦合度測(cè)量8B.插入損耗測(cè)量9C.定向耦合器的隔離度測(cè)量105.3.4濾波器的特性及測(cè)量11實(shí)驗(yàn)總結(jié)125.3.1頻譜分析儀的使用一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解頻譜分析儀的工作原理，熟悉它的使用方法2. 了解微波信號(hào)發(fā)生器的使用方法二、 實(shí)驗(yàn)

2、設(shè)備1. 頻譜分析儀2. 微波信號(hào)發(fā)生器三、 實(shí)驗(yàn)原理頻譜分析系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類型；即時(shí)頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃描調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號(hào)傳送到CRT或液晶等顯示儀器上進(jìn)行顯示，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺

3、點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬圍，濾波器的數(shù)目與最大的多工交換時(shí)間（Switching Time).最常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（IF）再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。較低的RBW固然有助於不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè)，

4、將增加雜訊底層值（Noise Floor），降低量測(cè)靈敏度，對(duì)於偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。四、 實(shí)驗(yàn)容A. 單載波信號(hào)的頻譜測(cè)量a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 按照下圖連接測(cè)試頻譜分析儀微波信號(hào)發(fā)生器圖 12. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（900MHz、10dBm）3. 設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置合適的掃描帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置。圖24. 用峰值搜索功能測(cè)量信號(hào)的頻率和電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4-1中5. 用差值光標(biāo)功能測(cè)量信號(hào)和噪聲的相對(duì)電平（信噪比），同時(shí)記錄頻譜分析儀的

5、分辨率和帶寬設(shè)置b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 表1頻率設(shè)置（MHz）850MHz900MHz950MHz電平設(shè)置（dBm）-10dBm-15dBm-20dBm實(shí)測(cè)頻率（MHz）849.983899.983949.983實(shí)測(cè)電平（dBm）-9.37-13.77-20.36信噪比（dB/RBW）-50.48-52.10-48.36B. 帶載波信號(hào)的雜散測(cè)量a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出制定頻率和功率的正弦波（850MHz、-20dBm）2. 設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置合適的掃描帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置。3. 用頻譜分析儀測(cè)量輸出信號(hào)的頻率和

6、電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.2中4. 增加頻譜分析儀的掃描帶寬，如100MHz,用手動(dòng)設(shè)置功能適當(dāng)減小頻譜分析儀的分辨率帶寬，觀察頻譜圖的變化，直到觀測(cè)到雜散信號(hào)為止。圖35. 在頻譜圖中確定最大雜散信號(hào)，用差值光標(biāo)功能測(cè)量信號(hào)和最大雜散信號(hào)的相對(duì)電平（雜散抑制度）b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表2信號(hào)頻率（MHz）信號(hào)電平（dBm）雜散抑制度（dB）850-20.69-64.94900-19.22-64.50950-20.00-69.84c) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析雜散信號(hào)產(chǎn)生原因：過(guò)度激勵(lì)分析儀的輸入可能會(huì)導(dǎo)致雜散信號(hào)。C. 相位噪聲測(cè)量a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（8

7、50MHz、-10dBm）2. 設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置掃描帶寬為50KHz，設(shè)置合適的分辨率帶寬和視頻帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置圖43. 用峰值搜索功能測(cè)量信號(hào)的頻率和電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中4. 用差值光標(biāo)和噪聲光標(biāo)功能測(cè)量偏離信號(hào)10KHz的相位噪聲，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中5. 將掃描帶寬設(shè)置為500KHz，設(shè)置合適的分辨率帶寬和掃描帶寬，利用同樣的方法測(cè)量偏離信號(hào)100KHz的相位噪聲，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中6. 改變輸出頻率，重復(fù)以上測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 表3信號(hào)頻率（MHz）信號(hào)電平（dBm）

8、相位噪聲（dB/Hz）偏離10KHz偏離100KHz850-9.32-57.84-78.03900-8.80-49.64-79.32950-9.78-49.64-78.60D. 幅頻特性測(cè)量a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)。2. 設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率,設(shè)置合適的掃描帶寬,適當(dāng)調(diào)整參考電平,使頻譜圖顯示在合適的位置。3. 設(shè)置頻譜分析儀的軌跡為最大值保持功能。 4. 按照一定的步進(jìn)（0.1MHz），用手動(dòng)旋鈕在指定的頻率圍（+20MHz）調(diào)整微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，觀測(cè)頻譜分析儀顯示的幅頻特性曲線。圖55. 用峰值搜索功能測(cè)

9、量輸出信號(hào)在指定頻帶的最高電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4-4中。6. 用差值光標(biāo)功能測(cè)量輸出信號(hào)在指定頻帶的幅頻特性，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4-4中。7. 改變測(cè)試頻率圍，重復(fù)以上測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表5-5中。b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表4幅頻特性測(cè)量頻率圍（MHz）最高電平（dBm）幅頻特性（dB/帶寬）850+20-20.970.0325900+20-20.880.0275950+20-19.830.30255.3.2衰減器的特性測(cè)量一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1. 熟練掌握頻譜分析儀的使用2. 了解衰減器對(duì)微波信號(hào)的衰減機(jī)理以及相關(guān)特性。二、 實(shí)驗(yàn)儀器 微波信號(hào)發(fā)生器、衰減器（10db），頻譜分析

10、儀三、 實(shí)驗(yàn)容A. 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（如850MHz、-10dBm和-20dBm）。2. 將輸入輸出電纜短接。用頻譜分析儀測(cè)量衰減器的輸入信號(hào)電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格1中。3. 接入被測(cè)衰減器。用頻譜分析儀測(cè)量衰減器的輸出信號(hào)電平，計(jì)算衰減器的衰減量以及與標(biāo)稱值得誤差，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格1中。4. 改變微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，重復(fù)以上測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格1中標(biāo)稱值（10dBm）B. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表5 衰減器的衰減量測(cè)量測(cè)試頻率（MHz）輸入信號(hào)電平（dBm）輸出信號(hào)電平（dBm）衰減量（dBm）標(biāo)稱誤差（dB）誤差率(%)850 -9.3

11、7 -19.91 10.540.545.4%900 -13.77 -24.07 10.300.303.0%950-20.36 -30.75 10.390.393.9%C. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析因?yàn)槲覀儽敬螌?shí)驗(yàn)并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的衰減器，因此使用的衰減器是PIN衰減器，上面標(biāo)明的衰減量為>=10dB,而實(shí)際上要求用的衰減器其衰減量為10dB，因此在計(jì)算標(biāo)稱誤差的時(shí)候，是以標(biāo)準(zhǔn)衰減量10dB來(lái)計(jì)算的。相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程如下：衰減量=輸出信號(hào)電平-輸入信號(hào)電平;標(biāo)稱誤差=衰減量-10;誤差率=標(biāo)稱誤差/10*100%誤差率在3%-5%之間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足要求。5.3.3定向耦合器特性測(cè)量A. 耦合度測(cè)量a) 實(shí)

12、驗(yàn)操作步驟1. 按照下圖連接測(cè)試系統(tǒng)： 圖12. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)；3. 將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸入端口的輸入電平信號(hào)，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；4. 接入被測(cè)定向耦合器，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器耦合端口的輸出信號(hào)電平，計(jì)算定向耦合器的耦合度，記錄數(shù)據(jù)；5. 改變測(cè)試頻率，重復(fù)以上操作。b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表6 定向耦合器的耦合度測(cè)量測(cè)試頻率（MHz)850900950端口1輸入功率（dBm）-9.37-13.77-20.36端口3輸入功率（dBm）-20.27-24.77-30.62耦合度(dB)10.9011.0010.26c) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)

13、端口1輸入功率為P1,端口3輸入功率為P3 ，則耦合度L應(yīng)該為L(zhǎng)= P1/P3 ; 轉(zhuǎn)換為dB 值即為 L(dB)=10lgL = 10lg P1 - 10lg P3 。根據(jù)推導(dǎo)出來(lái)的公式和測(cè)量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算相應(yīng)的耦合度B. 插入損耗測(cè)量a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 按照如圖所示連接測(cè)試系統(tǒng)：圖 22. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)；3. 將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸入端口的輸入信號(hào)電平，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；4. 接入被測(cè)定向耦合器，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸出端口的輸出信號(hào)電平，計(jì)算定向耦合器額插入損耗和傳輸損耗，記錄數(shù)據(jù)；5. 改變測(cè)試頻率，重復(fù)以上操作。b

14、) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表7 定向耦合器的插入損耗測(cè)量耦合度（dB）/耦合損耗（dB）測(cè)試頻率（MHz）850900950端口1輸入功率（dBm）-9.37-13.77-20.36端口2輸入功率（dBm）-11.03-15.07-21.83插入損耗（dB）1.661.301.47傳輸損耗（dB）9.249.708.79c) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)端口1輸入功率為P1,端口2輸入功率為P2 ，則插入損耗IL應(yīng)為： IL= -10lgP2/P1 = -10lg P2 + 10lg P1 。則相應(yīng)的插入損耗=端口1輸入功率-端口2輸入功率傳輸損耗 TL 應(yīng)該為 ：TL = -10lgP3/P2= 10lg P2-1

15、0lg P3 。則相應(yīng)的傳輸損耗=端口2輸入功率-端口3輸入功率C. 定向耦合器的隔離度測(cè)量a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 按照下圖連接測(cè)試系統(tǒng)：圖32. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)；3. 將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量并記錄定向耦合端口的輸入信號(hào)電平，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；4. 接入被測(cè)定向耦合器，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸出端口的輸出信號(hào)電平，計(jì)算端口隔離度，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；5. 改變測(cè)試頻率，重復(fù)以上操作。b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表8 定向耦合器的隔離度測(cè)量測(cè)試頻率(MHz)850900950耦合端口3輸入功率（dBm）-9.37-13.77-20.36輸入端口2輸出功率(dBm

16、)-11.01-23.74-29.012、3端口隔離度(dB)1.649.978.65d) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析隔離度的計(jì)算公式如下：D=10lgP3/P2=10lgP3-10lgP2;端口隔離度=耦合端口3輸入功率-輸入端口2輸出功率5.3.4濾波器的特性及測(cè)量濾波器頻譜分析儀微波信號(hào)發(fā)生器a) 實(shí)驗(yàn)操作步驟圖 11. 按圖所示連接測(cè)試系統(tǒng)。2. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（如850MHz、-20dBm）.3. 將輸入和輸出電纜短接。用頻譜分析儀測(cè)量衰減器的輸入信號(hào)電平。4. 接入被測(cè)濾波器。設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為指定頻率（如880MHz），設(shè)置合適的掃描帶寬（如80MHz

17、），適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置。5. 按照一定的步進(jìn)（如1MHz），用手動(dòng)旋鈕在指定的頻率圍（如840920MHz）調(diào)整微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，在頻譜分析儀上觀察掃描帶寬是否合適，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整頻譜分析儀的掃描線。6. 設(shè)置頻譜分析儀的軌跡為最大值保持功能（TraceTrace TypeMax Hold）。7. 按照一定的步進(jìn)（如0.1MHz），用手動(dòng)旋鈕在指定的頻率圍（如830870MHz）調(diào)整微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，在頻譜分析儀上觀察掃描帶寬是否合適，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整頻譜分析儀的掃描線。8. 根據(jù)頻譜分析儀顯示的幅頻特性曲線，測(cè)量并計(jì)算濾波器的中心頻率、3db帶寬、插入損耗、帶波動(dòng)。裙帶帶寬、帶外抑制度等指標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)表格中。9. 將濾波器的輸入和輸出端口互換、重復(fù)上述測(cè)量。觀察幅頻特性曲線的變化并進(jìn)行分析。b) 幅頻特性曲線圖2 帶通濾波器的幅頻特性曲線c) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表9 濾波器的傳輸特性測(cè)量中心頻率（MHz）3dB帶寬(MHz)插入損耗(dB