微波测量实验报告

1、微波测量实验报告班级：姓名： 学号：班内序号：一、 微波同轴测量系统1. 微波同轴测量系统的组成图1 微波同轴测量系统图各元件和仪器在系统中的作用：(1) 扫描振荡器：产生频率在一定范围内周期性线性变化的扫频信号(2) 功率分配器：将扫频信号分为功率相等的两路信号，一路VA作为测试信号，另一路VR作为参考信号(3) 本振VCO：产生与扫频信号频率差一定的较高频信号，用于混频得到中频信号(4) 中频滤波器：滤出混频后的中频信号，以便进行幅度和相位比较(5) 幅度比较器：比较中频测试信号和中频参考信号的幅度(6) 相位检测器：检测中频测试信号和中频参考信号的相位差在本学期的实验中我们使用AV365

2、80A矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer）作为测量仪器。2. 矢量网络分析仪的操作以及测量方法(1) 矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能图2 矢量网络分析仪(a) 光标/分析部分：光标：插入、选择、删除光标 (b) 响应部分：测量：改变测量值（S11、S21、S12、S22）格式：改变绘图格式（幅频响应、相频响应或者Smith圆图）比例：改变坐标单位（线性坐标、对数坐标）校准：校准测量端口（SOLT法、TRL法）(c) 激励部分：起始：改变扫频起始频率终止：改变扫频终止频率中心：改变扫频中心频率(d) 调节部分：通过旋钮和按键调节光标位置或者数值大小(e) 输入

3、部分：通过按键改变改变数值大小(2) S参数测量步骤(a) 在测量前提前打开分析仪，进行预热(b) 根据待测器件设定参数(c) 用校准件对分析仪进行校准(d) 连接待测器件，进行测量(3) 如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换点击仪器面板响应部分的格式按钮，选择Smith圆图；也可以选择直角坐标。(4) 如何保存所测数据，以及可存的数据格式点击仪器面板功能部分的保存按钮，选择另存为，然后选择保存目录，可保存为.jpg图片格式。(5) 了解仪器提供的校准方法（SOLT）SOLT校准是比较常用的一种方法，能够提供优异的精度和可重复性。仪器经过正确的SOLT校准后，可以测量百分之一

4、分贝数量级的功率和毫度数量级的相位。常用的校准套件中都包含SOLT标准校准件。3. 思考题是否可以直接进行电路参数的测量，为什么？如何从测量的S参数导出电路参数。不可以直接进行测量，需要先进行校准。电路Z参数可以由下式导出：二、 微波同轴测量系统的校准方法1. 常用校准方法(1) SOLT校准方法SOLT校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。如果被测件为多端口网络，还需要分别为公母连接头提供对应的标准件，连接两个测量平面，形成直通连接。这种校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向误差有6项，如图3，反向有6项，如图4。图3 12项误差修正模型正向误差图4 12项误差修正模型反向误

5、差12项误差模型各误差项说明：EDF，EDR：反射参数，衡量VNA耦合器分离前向波和反射波程度，数值越大越好。小的反射参数会导致信号的耦合泄漏；ERR，ERF：传输参数，误差与反射测量相关，可以用短路和屏蔽开路校准件进行测量；EXF，EXR：隔离，串扰，误差与串扰相关，可以通过测量接匹配负载的1口和2口来确定；ESF，ESR以及 ELF，ELR：信号源匹配和负载匹配，指信号源与50欧姆负载的匹配程度以及负载的质量，这些误差可以通过测量S11和S22确定；ETF，ETR：传输参数，误差与传输测量相关，通过测量1、2口互连时的传输确定。网络分析仪的校准即是通过数学的方法消除以上误差项，得到被测器件

6、真实参量(S11，S12，S21，S22)的过程。(2) TRL校准方法TRL校准方法要求使用直通、反射、延迟线/匹配负载标准件。这种校准方法使用10项或8项误差修正模型，如图5。图5 8项误差修正模型(3) SOLT与TRL的比较根据SOLT和TRL校准过程的误差模型分析，我们可以得到这样几个结论：(a) TRL方法计算简单，但该方法需要网络分析仪具有四个接收机，分别检测信号a0,a1,b0,b1（以正向为例），而SOLT方法只需要三个，分别检测信号a0,b0,b1；(b) TRL方法仅需要简单的校准件，不需要理想的强反射件（理想的开路或短路），并且传输线校准件比较容易实现；而SOLT方法则

7、需要很多的校准件，并且校准件的性能指标对校准结果的影响较大；(c) SOLT方法比较适用于同轴环境，也可以用于高频探针和在片测量；TRL方法比较适用与非同轴环境，例如共面波导，微带线等；(d) TRL方法中，传输线的工作频带和起始频率的关系是8：1，因此TRL校准是窄带的，宽带的TRL校准需要多个不同长度的线，这样会浪费面积；而SOLT方法是宽带的。SOLT校准方法得到的测试结果明显优于TRL。另外在校准和测试过程中，采用TRL校准方式的测试由于不同的传输线适应不同带宽的校准频率范围，校准和测试必须分段进行，所以在测试结果中可以看到曲线的不连续性。2. SOLT校准及验证(1) 校准前各校准件

8、S参数短路开路负载(2) SOLT校准步骤(a) 点击仪器面板响应部分校准按钮，选择SOLT校准(b) 选择“前向反射校准”，依次将三种反射校准件（短路、开路、负载）连接到端口1，然后点击进行对应校准，全部完成后选择下方“完成前向反射校准”(c) 选择“后向反射校准”，仿照上一步操作校准端口2(d) 选择“传输校准”，将端口1和端口2通过直通校准件连接，点击“完成传输校准”(e) 上述步骤全部完成后，点击“完成校准”保存校准结果(3) 校准后各校准件S参数短路开路负载(4) 曲线说明(a) 开路：=1，|S|=1，dB值为0。Smith圆图表现为从开路点随频率变化顺时针沿圆周移动，校准后曲线严

9、格沿边缘移动，并且曲线平滑。(b) 短路：=-1，|S|=1，dB值为0。Smith圆图表现为从短路点随频率变化顺时针沿圆周移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线平滑。(c) 匹配：=0，|S|=1，dB值为负无穷。Smith圆图表现为圆心一点。从上面的图中可以看到校准前各条曲线有误差，校准后从图中看不出误差，说明校准精度比较高。三、 利用微波同轴测量系统进行实际器件测量1. 天线(1) S参数测量曲线(2) 曲线分析天线是单端口网络，S参数是端口反射波与入射波之比。从上图可以看出，在频率小于2GHz时，dB值接近0，|S|接近1，说明低频信号基本从端口被反射回来，能量没有通过天线发射出去；

10、频率在2.3GHz附近时，dB值接近-20，|S|接近0.01，说明此频率附近反射信号小，能量通过天线被辐射出去。实验过程中还发现，如果天线附近有遮挡，凹陷部分的曲线会上移，这说明辐射功率减小，与上面的分析吻合。2. 带通滤波器(1) S11,S21测量曲线(2) 曲线分析滤波器是双端口网络，S11是在端口2无入射波（接匹配负载）的情况下，端口1反射波与入射波之比；S21是在端口2无入射波（接匹配负载）的情况下，端口2反射波与端口1入射波之比，可理解为网络的输出与输入之比。从S11图可以看出光标频率附近|S11|较小，反射信号小，说明信号进入滤波器；其他频率|S11|接近1，反射信号接近入射信

11、号，说明信号被反射回来。对照S22图，频率在两光标之间|S21|接近1，端口2出射信号接近端口1入射信号，说明这部分信号通过网络后衰减小；其他频率|S21|较小，端口2出射信号小，说明滤波器对这部分信号有很大衰减，基本被滤除。S21图上两光标对应-3dB点，可得带通滤波器带宽约为120MHz，中心频率约为1.3GHz。四、 实验总结其实这并不是我第一次接触矢量网络分析仪，之前在参加电子设计竞赛的时候，由于需要测量网络的高频特性，我就在老师的指导下接触过它。但当时只会直接接线测量，根本不清楚它的工作原理，更别提校准操作了。在经过了近一个学期系统的微波理论课学习后，我对微波技术有了些了解，对S参数的意义有了较深入的认识，也开始