微波技術(shù)基礎(chǔ)實驗講義

1、微波技術(shù)基礎(chǔ)實驗華中科技大學(xué)電信學(xué)院微波技術(shù)實驗的意義n學(xué)習(xí)現(xiàn)代微波工程中的先進測量儀器與測量技術(shù)n補充學(xué)習(xí)微波元件的知識，學(xué)習(xí)平面微波電路微波技術(shù)實驗的任務(wù)n學(xué)習(xí)微波電路基本參數(shù)的測量方法 S參數(shù)n學(xué)習(xí)微波測量儀器的基本原理與使用 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀n學(xué)習(xí)微波元件的基本特性 傳輸線、微帶諧振器、定向耦合器、功率分配器實驗規(guī)則n三個人為一小組，共用一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀，每人一個實驗箱，做實驗時輪流使用儀器，其它人可以輔助。整個小組都完成，方可下課。n實驗過程中記得記錄原始數(shù)據(jù)，回去完成實驗報告。n每個小組實驗完后，報告老師檢查數(shù)據(jù)、儀器及實驗箱，檢查完畢后方可離開。實驗注意事項！n儀器是昂貴的，弄壞是要

2、負責(zé)任的！ 并非不能動，只是不要盲目的瞎動，按照老師講授的方法操作，不明白的問老師。n實驗箱內(nèi)的實驗?zāi)K不要亂拿亂放，按照需要的取出來。用完放回去。目 錄實驗一 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用及傳輸線的測量實驗二 微波元件特性參數(shù)測量實驗一 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用 及傳輸線的測量一、實驗?zāi)康膎學(xué)習(xí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本工作原理；n初步掌握AV36580矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作使用方法；n掌握使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量微帶傳輸線不同工作狀態(tài)下的S參數(shù)；n通過測量認(rèn)知1/4波長傳輸線阻抗變換特性。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀u現(xiàn)代微波工程中占支配地位的是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析方法將微波電路看作是微波網(wǎng)絡(luò)，用散射參數(shù)（S參數(shù)）來描述微波電路的性

3、能。S參數(shù)表達的是功率波，是用入射功率波和反射功率波的方式定義微波網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系，因此兩端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的測量需要涉及功率波在兩個端口的反射和傳輸。 u微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是全面測定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種儀器，它是結(jié)合了計算機技術(shù)的一種全自動多功能的測量裝置，功能強大，使用方便。u它既能測量反射系數(shù)和傳輸參數(shù)，也能自動轉(zhuǎn)換為其它需要的參數(shù)；既能測量無源網(wǎng)絡(luò)，也能測量有源網(wǎng)絡(luò)；既能點頻測量，也能掃頻測量；既能在液晶屏顯示，也能打印輸出，甚至直接輸出到計算機中。因此網(wǎng)絡(luò)分析儀大大擴展了微波測量的功能和提高了工作效率。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的構(gòu)成n矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要組成部分包括合成信號源、S 參數(shù)測試裝置、幅相接收

4、機和顯示部分。nR入射信號 A反射信號 B傳輸信號 (DUTDevice under test)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理1121ASRBSRAV36580矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀前面板 硬鍵即前面板按鍵，在講義中這些鍵由鍵名加【 】來描述。如【Preset】 軟鍵為8 個空白鍵，在屏幕邊上。在本文中，這些鍵用鍵名加 來描述。 如：SWEEP TIME AV36580矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀后面板AV36580的主要性能指標(biāo) 頻 率 范 圍AV36580A300 kHz3GHz功率范圍-85+8 dBm功率掃描范圍23 dB接收機損毀電平 射頻26 dBm (400mW)直流 30V AV36580射頻一體化矢量網(wǎng)

5、絡(luò)分析儀有下列測量格式：na）笛卡爾坐標(biāo)(直角坐標(biāo)）：對數(shù)幅度、線性幅度、相位、群延遲、駐波比、復(fù)數(shù)參數(shù)實部和虛部。nb）史密斯圓圖：對數(shù)幅度、線性幅度、阻抗 R+jX 或?qū)Ъ{ G+jB 。nc）極坐標(biāo)： 對數(shù)幅度、線性幅度、相位、實部和虛部。AV36580的鼠標(biāo)用戶界面AV36580的基本操作說明 n電纜與被測微波器件的連接 我們采用的是N型接頭。注意連接時只旋轉(zhuǎn)接頭有齒紋的一端，不要旋轉(zhuǎn)內(nèi)螺紋一端。AV36580的基本操作說明n測量頻率范圍設(shè)置 當(dāng)AV36580開機后，顯示屏默認(rèn)以直角坐標(biāo)的方式顯示，縱軸的參數(shù)為所測量的S參數(shù)，橫軸的參數(shù)為頻率，默認(rèn)頻率范圍為最大頻率量程300k3GHz。

6、按下【起始】鍵可以設(shè)置掃頻的起始頻率，按下后，顯示屏左上方會顯示當(dāng)前起始頻率，要改變的話通過按數(shù)字鍵加上相應(yīng)的單位鍵【G/n】、【M/n】、【K/n】來設(shè)置頻率，上面三個單位鍵分別對應(yīng)GHz、MHz、KHz。類似，按【終止】鍵設(shè)置掃頻的終止頻率，設(shè)置方法與起始頻率相同。比例調(diào)節(jié)用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)起始和終止頻率AV36580的基本操作說明n源功率設(shè)置 按鼠標(biāo)點擊菜單欄 激勵-功率設(shè)置矢網(wǎng)合成源的功率大小。AV36580的基本操作說明n測量的S參數(shù)設(shè)置 【測量】鍵選擇測量參數(shù)，按下后顯示屏的軟鍵菜單會顯示S11、S12、S21、S22四個待選測試參數(shù)，通過按下相應(yīng)軟鍵來選擇要測量的S參數(shù)。 AV36580

7、的基本操作說明n被測S參數(shù)顯示格式設(shè)置 【格式】鍵選擇參數(shù)顯示格式，按下后顯示屏的軟鍵菜單會顯示對數(shù)幅度、相位、群延時、史密斯原圖、極坐標(biāo)、線性幅度、駐波比 ，分別表示以對數(shù)幅度、相位、群延遲、史密斯圓圖、極座標(biāo)、線性幅度、駐波比的形式顯示測量參數(shù)，通過按下相應(yīng)軟鍵來選擇要顯示的測量格式。 AV36580的基本操作說明n利用光標(biāo)讀取測量結(jié)果 按下【光標(biāo)】鍵就會在顯示屏上的測試曲線上顯示光標(biāo)，對應(yīng)顯示屏的軟鍵菜單處會顯示光標(biāo)編號1、2、3按下相應(yīng)軟鍵會顯示對應(yīng)編號的光標(biāo)，默認(rèn)會顯示1號光標(biāo)。通過旋轉(zhuǎn)旋鈕鍵就會移動光標(biāo)的位置，而在顯示屏右上角會顯示光標(biāo)對應(yīng)位置的頻率和測量值。而通過數(shù)字鍵輸入頻率值

8、也可以確定光標(biāo)的位置。 微帶電路n微帶傳輸線目前是混合微波集成電路和單片微波集成電路使用最多的一種微波平面型傳輸線，主要是因為它可以用照相印刷工藝來加工，而且容易與其它無源微波器件和有源微波器件集成，構(gòu)成微帶電路，實現(xiàn)微波部件和系統(tǒng)的集成化。 微帶傳輸線n特性阻抗 反射系數(shù) 駐波比微帶傳輸線接不同負載時的工作狀態(tài)n端接負載的傳輸線的輸入阻抗n終端短路的傳輸線n終端開路的傳輸線n1/4波長傳輸線 )tan()tan()(000dZjZdZjZZdZLLin)cot()(0dZjdZin)tan()(0dZjdZinZZZinL0實驗內(nèi)容n矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀操作實驗初步運用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580

9、，熟悉各按鍵功能和使用方法以RF帶通濾波器模塊為例，學(xué)會使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580測量微波電路的S參數(shù)。n微帶傳輸線測量實驗使用網(wǎng)絡(luò)分析儀觀察和測量微帶傳輸線的特性參數(shù)。測量1/4波長傳輸線在開路、短路、匹配負載情況下的頻率、輸入阻抗、駐波比、反射系數(shù)。觀察1/4波長傳輸線的阻抗變換特性。1.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀操作實驗 n通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580測試RF帶通濾波器的散射參數(shù)（S11、S12、S21、S22）來熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本操作。微帶帶通濾波器模塊矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀操作實驗步驟n步驟一 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)n步驟二 選擇測量頻率與功率參數(shù)（起始頻率600 MHz、終止頻率

10、1800 MHz、功率電平設(shè)置為-10dBm）n步驟三 連接待測件并測量其S參數(shù)n步驟四 設(shè)置顯示方式n步驟五 設(shè)置光標(biāo)的使用測量帶通濾波器S11反射系數(shù)帶通濾波器S11駐波比帶通濾波器S22反射系數(shù)帶通濾波器S22駐波比帶通濾波器S22駐波比帶寬帶通濾波器正向插入損耗S21帶通濾波器正向相位帶通濾波器帶寬帶通濾波器反向插入損耗S12帶通濾波器反向相位帶通濾波器反向帶寬帶通濾波器群延時光標(biāo)光標(biāo)功能光標(biāo)面板光標(biāo)切換光標(biāo)搜索帶通濾波器4通道同時顯示數(shù)據(jù)存儲顯示工具欄2. 微帶傳輸線測量實驗 n通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580測量微帶傳輸線的端接不同負載時的S參數(shù)來了解微波傳輸線的工作特性。連接

11、圖如圖1-10所示，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口接到微帶微帶傳輸線模塊傳輸線模塊的輸入端口，另一端口在實驗時將接不同的負載。微帶傳輸線模塊微帶傳輸線測量實驗步驟n步驟一 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)n步驟二 選擇測量頻率與功率參數(shù)（起始頻率100 MHz、終止頻率400 MHz、功率電平設(shè)置為-25dBm）n步驟三 連接待測件并測量其S參數(shù) 按照裝置圖將微帶傳輸線模塊連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上； 將傳輸線模塊接開路負載（找老師要或另一端空載），此時，傳輸線終端呈開路。選擇測量S11，將顯示格式設(shè)置為史密斯原圖，調(diào)出光標(biāo)，調(diào)節(jié)光標(biāo)位置，使光標(biāo)落在在圓圖的短路點。 記錄此時的頻率和輸入阻抗。然后將顯示格式設(shè)置為駐波比

12、，記錄下此時的駐波比值。將顯示格式設(shè)置為對數(shù)幅度，記錄下此時的（反射系數(shù)）值。（記錄數(shù)據(jù)時保持光標(biāo)位置始終不變） 微帶傳輸線測量實驗步驟 將傳輸線模塊的終端接短路負載（找老師要）。將顯示格式設(shè)置為史密斯原圖，注意觀察光標(biāo)的位置（此時光標(biāo)所示頻率仍為中的頻率），此時光標(biāo)應(yīng)在圓圖中開路點附近。 調(diào)節(jié)光標(biāo)至圓圖中的開路點，按照中所示方法和步驟記錄數(shù)據(jù)。 將傳輸線模塊另一端接上匹配負載。將顯示格式設(shè)置為史密斯原圖，將光標(biāo)調(diào)節(jié)至最靠近圓圖圓心的位置。 按照中方法和步驟記錄數(shù)據(jù)。 傳輸線開路史密斯傳輸線開路對數(shù)幅度傳輸線開路駐波比傳輸線短路史密斯(未調(diào)節(jié)頻率)傳輸線短路史密斯傳輸線短路對數(shù)幅度傳輸線短路駐

13、波比傳輸線匹配對數(shù)幅度傳輸線匹配史密斯傳輸線匹配駐波比修改掃描點數(shù)五、實驗報告n實驗?zāi)康?、?nèi)容、系統(tǒng)簡圖；n步驟簡述，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)；n數(shù)據(jù)處理，根據(jù)有關(guān)公式算出各測量值。n完成思考題n1. 從圖1-3上分析，如果測量被測微波器件的2端口S參數(shù)，其內(nèi)部開關(guān)將處于什么工作狀態(tài)？n2. 對記錄的數(shù)據(jù)進行分析，并思考為什么開路負載時在短路點的光標(biāo)，在接上短路負載后會在開路點附近？實驗二 微波元件特性參數(shù)測量一、實驗?zāi)康膎掌握利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃頻測量微帶諧振器Q值的方法。n學(xué)會使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量微波定向耦合器的特性參數(shù)。n掌握使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試微波功率分配器傳輸特性的方法。微波諧振腔的Q值測量

14、 n品質(zhì)因素Q描述了諧振系統(tǒng)頻率選擇性的優(yōu)劣及電磁能量損耗程度n本實驗主要運用掃頻功率傳輸法來測量微帶諧振器的Q值。功率傳輸法是根據(jù)諧振腔的功率傳輸特性來確定它的Q值。下圖表示測量諧振腔功率特性的方框圖。 0022TllWWWQWPTP匹 配微波源待 測諧振腔匹配 微波功率檢測器P1P2微波諧振腔的Q值測量原理n當(dāng)微波振蕩源的頻率逐漸改變時，由于諧振腔的特性，傳輸?shù)截撦d的功率將隨著改變，它與頻率的關(guān)系曲線如圖所示。n根據(jù)功率傳輸法測量諧 振腔的等效電路可推得， 諧振腔兩端同時接有匹 配微波源和匹配負載時 的有載品質(zhì)因數(shù)為： 0021LffQfff微帶諧振器模塊微波定向耦合器 n定向耦合器是一種

15、有方向性的微波功率分配器件，通常有波導(dǎo)、同軸線及微帶線等幾種類型。理想的定向耦合器一般為互易無損四口網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ式?jīng)過小孔或間隙等耦合機構(gòu)，將一部分功率耦合到副線中去，由于波的干涉和疊加，使功率僅沿副線中的一個方向傳輸（稱正方向），而在另一個方向幾乎沒有或極少功率傳輸（稱反方向）。 微波定向耦合器的特性參數(shù)n耦合度 輸入至主線的功率（端口1輸入功率）與副線中正方向傳輸?shù)墓β剩ǘ丝?輸出功率）之比的對數(shù)稱為定向耦合器的耦合度C： n方向性 用副線中正方向傳輸?shù)墓β剩ǘ丝?輸出功率）與反方向傳輸?shù)墓β剩ǘ丝?輸出功率）之比的對數(shù)來表示定向傳輸

16、的性能，稱為耦合器的方向性D ：2110lgdBPCP2410lgdBPDP微波定向耦合器的特性參數(shù)n隔離度 有時，反映定向程度的指標(biāo)也可以用隔離度來表示。定義隔離度為輸入至主線的功率（端口1輸入功率）與副線中反方向傳輸?shù)墓β剩ǘ丝?輸出功率）之比的對數(shù)： n輸入輸出駐波比n插入損耗n工作頻帶1410lgdBlPDP微帶線定向耦合器模塊2134微帶線定向耦合器n微帶線定向耦合器是由兩條等寬的平行耦合微帶線所構(gòu)成，耦合線長是奇模和偶模波長平均值的1/4，如圖所示。若信號從端口1輸入，則端口2和端口3將有輸出，端口4沒有輸出。由于耦合信號（端口2的輸出）的傳輸方向與輸入信號方向相反，故這種定向耦合

17、器稱為反向定向耦合器。微帶線定向耦合器的工作原理 定向耦合器為什么會有方向性呢？要具有方向性必須要有兩種以上的耦合因素起作用，使耦合到副線某一端口的能量能夠互相抵消。我們來看一段如圖所示的平行耦合傳輸線。當(dāng)導(dǎo)線1-3中有交變電流流過時，由于2-4線和1-3線互相靠近，故2-4線中便耦合有能量，此能量是既通過電場（以耦合電容表示）又通過磁場（以耦合電感表示）耦合過來的。通過Cm的耦合，在傳輸線2-4中引起的電流為Ic2及Ic4；同時由于的交變磁場的作用，在2-4線上感應(yīng)有電流IL。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電流IL的方向與I1的方向相反，如圖上所示。因此，若能量由端口1輸入，則耦合端口是2端口。而在

18、4端口因為電耦合電流與磁耦合電流的作用相反而能量互相抵消，故4端口是隔離端口。這樣，我們就定性地了解了耦合微帶線定向耦合器具有方向性的原理。 微波功率分配器n在實際應(yīng)用中，有時需要將信號源的功率分別饋送給若干個分支電路（負載），就是說，進行功率分配，實現(xiàn)這種功能的射頻器件就稱為功率分配器。由于功率分配器一般為滿足互易定理的無源網(wǎng)絡(luò)，所以功率分配器與合成器是等價的。 n根據(jù)輸出功率的比例，微波功率分配器有等分功率與不等分功率兩類。大功率微波功率分配器采用同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率微波功率分配器采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)。 微波功率分配器的結(jié)構(gòu)n功率分配器的具體結(jié)構(gòu)型式很多，最基本的就是下圖所示的采用 阻抗

19、變換段的兩路微帶功率分配器的結(jié)構(gòu)。兩個分支臂長都為 ，是完全對稱的結(jié)構(gòu)，對稱性保證輸入功率將平均分配于兩個輸出端，得到同相同模的輸出。 /4g/4g微波功率分配器模塊 RZ01Z01Z0Z0Z0微波功率分配器的工作原理n兩分支臂之間接有隔離電阻R，是為了保證兩個輸出端口的隔離。當(dāng)兩個輸出端口均為良好匹配時，對稱性保證各個傳輸支路是同電位的，故無電流通過隔離電阻，隔離電阻上無功率損耗。但當(dāng)其中一輸出端失配，致使有反射波折回，則此反射功率將分拆開：一部分經(jīng)過隔離電阻到達另一輸出端；另一部分沿自己支路反射回輸入端，然后又反射回來，沿另一支路到達另一輸出端。如果隔離電阻尺寸很小而可視為集總元件時，則它

20、的電長度可近似地認(rèn)為是零。由于各支路的長度為，電長度在中心頻率時為，因而往返二次的電長度是。因此到達另一輸出端的兩部分信號是反相的?？梢宰C明，只要適當(dāng)選擇隔離電阻和支線的特征阻抗值，就可以使這兩部分信號幅度相等，因而彼此相消。這就是利用隔離電阻R達到各分支端口之間的隔離的原理。 0102ZZ02RZ微波功率分配器的特性參數(shù)n工作頻帶n插入損耗n各端口幅度偏差 n各端口隔離度 實驗內(nèi)容n微帶諧振器品質(zhì)因數(shù)的掃頻測量實驗使用矢網(wǎng)AV3620掃頻測量微帶諧振器的Q值。n微波定向耦合器實驗 使用矢網(wǎng)AV3620測量微帶定向耦合器的特性參數(shù)。 n微波功率分配器實驗 利用矢網(wǎng)AV3620測量功率分配器的傳

21、輸頻率響度特性。根據(jù)測量所得的數(shù)據(jù)計算出功率分配器的插入損耗、各端口幅度偏差、各端口隔離度等特性參數(shù)。1.微帶諧振器Q值的掃頻測量實驗n通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620掃頻測試微帶諧振器的散射參數(shù)S21來得到其Q值 微帶諧振器Q值的掃頻測量實驗步驟n步驟一 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)n步驟二 選擇測量頻率與功率參數(shù)n步驟三 連接待測件并進行測量 測量設(shè)置選擇為測量微帶諧振器模塊的S21參數(shù)的對數(shù)幅度，記下S21幅度值最大點的頻率f0，即為微帶諧振器的諧振頻率f0 ，還要記下在f0點處的S21幅度值，這個值即為微帶諧振器在諧振頻率f0處的插入衰減 。然后將光標(biāo)從諧振頻率f0開始向兩邊移動，記下衰

22、減量比 小3dB點處的頻率分別為f1 和f2 。 n步驟四 進行計算n步驟五 Q值的自動測量00Q值的手動測量Q值的自動測量2. 微波定向耦合器實驗n通過使用矢網(wǎng)AV3620測量微波定向耦合器的S參數(shù)來了解定向耦合器的特性參數(shù) 微波定向耦合器實驗步驟n步驟一 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)n步驟二 選擇測量頻率與功率參數(shù)n步驟三 連接微波定向耦合器測量耦合特性 采用對數(shù)幅度模式，觀察數(shù)據(jù)S21的軌跡，找出其在設(shè)置頻率范圍內(nèi)的最大值，即為耦合器的耦合度，此時的頻率值為耦合器的中心頻率；選擇S12測量，觀察數(shù)據(jù)S12的軌跡及與S21的關(guān)系；選擇S11和S22測量，采用SWR模式，其值分別為耦合器相應(yīng)端口的反射系數(shù)。 n步驟四 連接微波定向耦合器測量傳輸特性 選擇正向傳輸測量，采用對數(shù)幅度模式，觀察S21的軌跡，讀出其在中心頻率處的數(shù)值，即為耦合器的插入損耗；選擇S12測量，觀察數(shù)據(jù)S12的軌跡及與S21的關(guān)系；選擇S11和S22測量，采用SWR模式，其值分別為耦合器相應(yīng)端口的反射系數(shù)。微波定向耦合器測量耦合特性對數(shù)幅度模式下數(shù)據(jù)S21的軌跡對數(shù)幅度模式下數(shù)據(jù)S12的軌跡SWR模式下數(shù)據(jù)S11的軌跡SWR模式下數(shù)據(jù)S