北邮微波测量实验报告

1、北 京 邮 电 大 学微波技术基础实验实验名称：微波射频测量技术基础课程实验姓名： 刘梦颉 班级： 2011211203 学号： 2011210960 班内序号：11日期：2012年12月20日 实验一 微波同轴测量系统的熟悉一、实验目的 1、了解常用微波同轴测量系统的组成，熟悉各部分构件的工作原理，熟悉其操作和特性。2、熟悉矢量网络分析仪的操作以及测量方法。二、实验内容1、常用微波同轴测量系统的认识，简要了解其工作原理。注意在实验报告中需画出微波同轴测量系统图，并说明各元件和仪器在系统中作用 2、掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。 注意在实验报告中给出仪器使用报告包括下列内容：a) 矢量

2、网络分析仪的面板组成以及各部分功能b) S 参数测量步骤c) 如何看开路校准件的电容值设定(校准系数)d) 如何看短路校准件的电感值设定(校准系数)e) 如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换f) 如何保存所测数据，以及可存的数据格式g) 了解仪器提供的校准方法（SOLT）三、实验过程（一）常用微波同轴测量系统的认识，简要了解其工作原理。1、 微波测试系统微波测试系统常用的有同轴和波导两种系统。同轴系统频带宽，一般用在较低 的微波频段（二厘米波段以下）；波导系统（常用矩形波导）损耗低、功率容量大， 一般用在较高频段（厘米波段直至毫米波段）。微波测试系统通常由三部分组成，如下图所

3、示： （1）等效电源部分（即发送端）这部分包括微波信号源，隔离器，功率、频率监视单元。信号源是微波测试系统的心脏。测量技术要求具有足够功率电平和一定频率的 微波信号，同时要求一定的功率和频率稳定度。功率和频率监视单元是由定向耦合 器取出一小部分微波能量，经过检测指示来观察源的稳定情况，以便及时调整。为 了减小负载对信号源的影响，电路中采用了隔离器。（2） 测量装置部分（即测量电路）包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等），以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率计探头等）。（3） 指示器部分（即测量接收器）指示器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、功率计、

4、示波器、数字频率计等。（4）同轴测量系统图：各元件和仪器在系统中的作用：（a）矢量网络分析仪：测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值，还能测相位，矢量网络分析仪能用史密斯圆图显示测试数据，可以很好地完成诸如滤波器、放大器、混频器以及系统中有源和无源微波组合等的各种参数的调试。（b）同轴线：同轴线是常见的信号传输线，中心的铜芯是传送高电平的，被绝缘材料包覆，绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，传输低电平，同时起到屏蔽作用，这里用来连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。（c）校准元件：对微波同轴侧量系统进行使用前校准，以尽量减小系统误差。测量元件：待测量的原件（如天线、滤波器等），可方便地

5、通过同轴线和矢量网络分析仪连起来，可以测量其端口的S矩阵等各种参数值，从而了解元件的性能。2、微波信号源通常，微波信号源有电真空和固态的两种。3、测量指示器常用指示器有指示等幅波的直流微安表、光点检流计、微瓦功率计，有指示调 制波的测量放大器、选频放大器。此外，还可用示波器、数字电压表等作指示器。 实验室常用测量放大器和选频放大器作指示器，因为这类仪表灵敏度高，能对 微弱信号进行宽带或选频放大，接在测量线、晶体检波器、热敏电阻架及其它测试 设备的输出端可进行各类测量。（二）掌握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（1）前面板：整个前面板主要分为3个板块，

6、包括了显示区、按键区、信号输入输出接口。显示区：显示区为CRT显示, 显示仪器当前工作状态和测试结果。按键区：包括各种功能按键和旋轮。图中，9区对应有8个空白按键，没有字符，称为软键区，其对应的功能显示在左边显示屏上，在不同的主功能下对有不同的功能。其余按键均有表示其功能的字符。射频输入和输出接口：包括射频信号输入和输出接口，接口为N-50K型。注意，射频输入端口的最大输入功率为+20dBm，最大直流输入为25VDC，超过这个范围会导致仪器损坏。前面板上各个部分简介： 1-CRT显示器：显示仪器当前工作状态和测试结果。2-BEGIN（开始）：在测量放大器、滤波器、宽带无源器件、电缆等被测时能快

7、速、简便的配置仪器，可引导用户完成初始步骤，根据用户的选择自动配置仪器。3-ENTRY（数据输入）：数字键、旋轮和上下键，用于数据输入。4-SYSTEM（系统功能）：SAVE RECALL：存储或调用数据。 HARD COPY：打印或者存储测量曲线、数据。SYSTEM OPTIONS：系统选项。5-PRESET（复位）：复位仪器。6-CONFIGURE（配置）：SCALE：设置垂直方向的分辨率和参考位置等。DISPLAY：显示设置。CAL：校准菜单。MARKER：频标功能键。FORMAT：数据显示格式。AVG：平均功能设置和中频带宽设置。7-SOURSE（源）：FREQ：频率设置。SWEEP：

8、设置扫描方式、扫描时间。POWER：RF信号输出开关或者设置RF信号输出功率。MENU：设置扫描点数及单次扫描、连续扫描或保持等。8-MEAS（测量通道）：MEAS1：设置通道1的测量方式。MEAS2：设置通道2的测量方式。9-软键：对应的功能显示在左边显示屏上。10-亮度调节旋钮：调节显示器亮度。11-电源开关：打开或关闭整机电源。12-U盘接口：USB盘接口13-RF OUT（射频输出）：射频信号输出口，N型K头。14-RF IN（射频输入）：射频信号输入口，N型K头。（2）提供入射信号的信号源: 信号源为激励被测器件，信号源必须在整个感兴趣的频率范围内提供入射波。被测器件通过传输和反射对

9、激励波做出响应。被测器件的频率响应通过信号源扫频确定。测量结果受到多种信号源参数的影响，包括频率范围、功率范围、频率稳定度和信号纯度等。在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源。（3）信号分离器分离入射、反射和传输:信号分离网络分析仪的下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅度和相位。矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。用做信号分离功能的硬件通常称为“测试装置”。测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。（4）接收机把高频信号转换为较低频率(中频)的信号: 接收机网络分析仪的接收机把RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确的检测任务。标量网络分析仪

10、采用宽带的晶体检波技术，矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术。采用调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。窄带中频滤波器产生相当低的本底噪声，结果显著地改善了灵敏度。矢量网络分析仪的接收机的最小等效带宽达10Hz。 （5）处理和显示系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检验和导出的信息: 处理和显示系统一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和显示各种测量。矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通道，一个通道作为测试通道。矢量网络分析仪的显示功能强大灵活，如多种标记功能、极限线功能，为测试带来很大便利。2、S 参数测量步骤先校准后，连接微波器件

11、，通过文件在功能中把s参数调出，修改为S_ij，查看曲线。3、开路校准件的电容值设定(校准系数)当传输线终端开路或短路时，所有输入信号功率被反射到入射端。造成全反射。传输线终端开路时，开路端电流为零。端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等、相位相反，而反射信号电压与输入信号电压同相。信号关系满足欧姆定理。 4、短路校准件的电感值设定(校准系数)传输线终端短路时，开路端电压为零。端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等、相位相反，而反射信号电流与输入信号电流同相。信号关系满足欧姆定理。5、如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换 在显示的测试结果中从选项中选择Smith圆图显示；有转

12、换为直角坐标的选项。6、如何保存所测数据，以及可存的数据格式在屏幕的右上角，点击【文件】>【另存为】，然后选择相应的保存目录，可保存的数据格式为.s2p格式。7、了解仪器提供的校准方法（SOLT）仪器提供SOLT校准方法。四、思考题1、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。答：不可以，因为微波同轴测量系统只能对于微波的入射和反射的电压电流关系进行分析。S参数到Z参数的转换公式如下： =z0-1实验二 微波同轴测量系统校准方法一、实验目的 1、了解常用微波同轴测量系统的校准方法以及精度。2、熟悉矢量网络分析仪的SOLT校准步骤以及校准精度验证方法。二、实验

13、内容1、总结常用微波同轴测量系统的校准方法，比如TRL和SOLT，了解其校准原理和优缺点。注意在实验报告中需给出各校准方法所用校准件以及说明其工作原理，画出各校准方法所用的误差模型，并解释各误差项。2、掌握矢量网络分析仪的SOLT校准步骤以及校准精度验证方法。 注意在实验报告中包括下列内容：a) 校准前测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数，并保存数据b) 矢量网络分析仪SOLT的校准步骤c) 校准后测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数，并保存数据d) 比较校准前后校准件（开路、短路、匹配和直通）的S参数，解释说明各条曲线，并指出所做校准的精度情况3、 实验过程(1) 总结常用波

14、微同轴测量系统的校准方法，比如TRL和SOLT，了解其校准原理和优缺点。常用的校准技术有：SOLT（短路开路负载直通）、TRL （直通反射线路）1、 SOLT 校准大多数网络分析仪采用的校准方法是SOLT，SOLT校准能够提供优异的精度和可重复性。这种校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。如果被测件上有雌雄连接器，还需要分别为雌雄连接提供对应的标准件，连接两个测量平面，形成直通连接。SOLT校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向有6项，反向有6项。正向误差项：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（负载匹配）、ERF（反射跟踪）、ETF（发射跟踪）和EX（串扰）。操作正确的话，SO

15、LT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。常用的校准套件中都包含SOLT 标准校准件。矢量网络分析仪SOLT的校准步骤按照以下顺序依次进行：1）用开路器校准件校准网络仪端口一般都是N型50欧姆或75欧姆端口，如果被测件端口也是50欧姆或75欧姆，并且阴阳极性匹配，这时只需校准网络仪内部的系统误差。以下分析都假设被测件是二端口器件，系统误差模型采用全二端口模型。将已知标准校准件开路器的两端接入实际参考面PA1和PA2，即把开路校准件接入矢量网络分析仪。2) 用短路器校准件校准与1原理相同，将已知标准校准件短路器的两端接入实际参考面PA1和PA2，即把短路校准件接入矢量网络分析仪。3) 用

16、匹配器校准件校准与1原理相同，将已知标准校准件匹配器的两端接入实际参考面PA1和PA2，即把匹配器校准件接入矢量网络分析仪。4）用匹配器校准件校准与1原理相同，将矢量网络分析仪的两个参考面PA1和PA2直接相连即可。十二项误差模型的校准：目前最为通用校正方法是SOLT法，即短路器开路器匹配负载直通法 在校正件特性理想的情况下，短路器反射为 1，开路器反射为1，匹配负载反射为0，直通时反射为0，传输为1 把这些元件接入到测量系统中得到12个方程 具体过程为：测量11时，两端口接全匹配负载，即：测量11时，两端口接短路器，即：测量11时，两端口接开路器，即：测量21时，两端口接全匹配负载，即：测量

17、21时，两端口直通，即：测量11时，两端口直通，即：测量22 时，两端口接全匹配负载，即：测量22时，两端口接短路器，即：测量22时，两端口接开路器，即：测量22时，两端口接全匹配负载，即：测量12时，两端口直通，即：测量22时，两端口直通，即：通过上面12个方程，可以解出12项误差 前向误差：后向误差：求出12项误差后，就可以把12项误差代回到校正值的表达式中，利用测量值来得出真实值。 2、TRL 校准TRL 校准极为精确，在大多数情况下，精确度甚至超过SOLT 校准。然而绝大多数校准套件中都不包含TRL 标准件。在要求高精度并且可用的标准校准件与被测件的连接类型不同的情况下，一般采用 TR

18、L校准。因此，某些情况下需要构建和表征与被测件配置介质类型相同的标准件。制造和表征三个TRL 标准件比制造和表征四个SOLT标准件更容易。TRL 校准还有另一个重要优势：标准件不需要像SOLT 标准件那样进行完整或精确的定义。虽然SOLT标准件是完全按照标准的定义进行表征和储存，而TRL 标准件只建立模型而不进行完整表征，但是TRL校准的精度与TRL 标准件的质量和可重复性成正比。物理中断（例如传输线路弯曲和同轴结构中的焊缝）将会降低TRL 校准的精度。接口必须保持清洁并允许可重复的连接。Thru：Reflect： Line：根据SOLT和TRL校准过程的误差模型分析，其的优缺点有：1）TRL

19、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,b3（以正向为例），而SOLT方法只需要三个，分别检测信号a0,b0,b3； 2）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； 3）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； 4）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

20、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) 掌握矢量网络分析仪的SOLT校准步骤以及校准精度验证方法。1、校准前测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数，并保存数据试验中未保存图片。2、矢量网络分析仪SOLT的校准步骤响应校准校准向导校准类型选择双端口SOLT测量机械标准依次选择1端口短路、开路、负载，直通，2端口短路、开路、负载进行校准。3、校准后测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数

21、，并保存数据试验中未保存图片。4、比较校准前后校准件（开路、短路、匹配和直通）的S参数，解释说明各条曲线，并指出所做校准的精度情况开路：电路网络开路，则=1，s参数初始在1位置，随着频率变化顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格从边缘移动，并且曲线平滑。短路：电路网络短路，则=-1，s参数初始在-1位置，随着频率变化顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格从边缘移动，并且曲线平滑。匹配：电路网络匹配，则=0，s参数始终位于Smith圆图中心。在校准后s参数不再发散，位于单位圆的中心。直通：电路网络匹配，则=0，s参数始终位于Smith圆图中心。在校准后s参数不再发散，位于单位圆的中心。实验三 利用微波同轴测

22、量系统进行实际器件测量一、实验目的 1、利用SOLT校准方法进行微波同轴测量系统的校准2、 测量天线和滤波器的实际性能二、实验内容1、存储测量结果，并通过测量结果了解天线和滤波器的工作原理以及性能，报告中包括以下内容a) 天线和滤波器的S参数测量曲线b) 通过分析其S参数，了解天线和滤波器所组成的网络的特性。2、在分别经过校准和没有校准的情况下测量天线和滤波器的性能，比较两类测量结果，给出实验报告，包括以下内容：c) 未校准和校准后天线和滤波器测量曲线比较d) 结合实验二指出对于三个器件，十二项误差模型中哪个误差项的影响比较大，原因是什么？通过测量结果分析三个器件的工作原理三、实验过程1、天线

23、和滤波器的S参数测量曲线及分析未校准天线测量曲线：校准后天线的S参数测量曲线： 由天线的S参数曲线可知，在频率为2.1GHz-2.6GHz的带宽内，天线的S11参数有非常明显的衰减，即端口1接匹配负载时端口2的电压反射系数有明显衰减，且最大衰减达到20dB左右，电压反射系数衰减，则传输到另一端的信号所占比例增大，表明天线在此带宽内能够让信号通过，天线具有带通特性。 在校准后，阻带内天线对信号的衰减增大，在通带内天线对信号的传输系数增大，显然校准之后的天线性能明显优于校准之前，符合实际应用的需要。未校准滤波器测量曲线：校准后滤波器的S参数测量曲线： 由滤波器的S参数曲线可知，在频率为0.6GHz

24、-2.1GHz的范围内，滤波器的S21参数较平坦，几乎没有变化，说明在此带宽内滤波器的滤波特性没有太大变化，这一段是滤波器的过渡带，在此之前S21参数一直处于上升阶段，说明滤波器能够通过的信号能量越来越大，但是由于S21的dB值仍较小，说明这段是滤波器的阻带，当频率为2.3GHz-2.5GHz后，滤波器的S21参数最大，这一段是滤波器的通带，频率在这一通带内的的信号可以通过，滤波器具有带通特性，是带通滤波器。 校准后，我们能够观察到很明显的阻带和通带，阻带内滤波器对信号的衰减较大，在通带内滤波器对信号的传输系数较大，显然校准之后的滤波器性能明显优于校准之前，符合实际应用的需要。2、 结合实验二

25、指出对于三个器件，十二项误差模型中哪个误差项的影响比较大，原因是什么？对于三个器件，十二项误差模型中匹配负载失配误差影响最大，因为元件的性能受环境因素影响较大，而环境主要会使匹配负载失配。其中：和为有效方向性误差，和为隔离度误差，和为源失配误差，和为匹配负载失配误差，和为传输跟踪误差，和为反射跟踪误差，图中各误差项的第一个下标表示误差项的性质，如“D”表示direction方向性误差；第二个下标表示方向，“F”表示正向激励测量(Forward)，“R”表示反向激励测量(Reverse) 网络的真实S参数：3、通过测量结果分析三个器件的工作原理校准前耦合器隔离端：校准后耦合器隔离端：校准前耦合器

26、耦合端：校准后耦合器耦合端：校准前耦合器直通端：校准后耦合器直通端：天线工作原理：天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换，在无线电设备中用来发射或接受电磁波，一般天线都具有可逆性，同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，这称为天线的互易定理。由实验所得结果可知，天线可以接收到特定频段的信号，而对其余频段的信号则不会接受，在设计天线时可以有不同的内部构造，以根据不同的需求让天线接受不同频段的信号。滤波器工作原理：滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，滤波器可以用于消除干扰，将输入或输出经过过滤而得到特定频段的信号，对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率，滤波，本质上是从被噪声畸变和污染