微波无源器件实验报告讲解

1、实验一：衰减器1、实验设置的意义在射频和微波传输系统中，通常需要控制功率电平，改善动态范围，衰减器有 时作为一个去耦元件减小后级对前级的影响，也可以作为比较功率电平相对标准。 从射频和微波网络观点来看，衰减器是一个二端口有耗微波网络，它属于通过型 微波元件。2、实验目的(1)学会用矢量网络分析仪测量功率衰减器的 S参数；(2) 了解衰减器结构特点，设计方法。3、实验原理功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，它是一个双端口网络结构，其 技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗。衰减量：如图1-1所示，其信号输入端(Port-1 )的功率为Pi,而其输出端 (Port-2 )的

2、功率为P20若P1、P2以分贝毫瓦(dBm来表示，且衰减器之功率衰 减量为A (dB),则两端功率间的关系，可写成：P 2(dBm) = P 1(dBm) - A (dB) 亦即 A(dB) -10log P2(mW) P(mW)Port-1Port-2P1> 功率衰减器 P2图1-1功率容量：衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，能量损耗后会变成热能。 可以想像，材料结构确定后，衰减器的功率容量也就确定了。如果让衰减器的承 受功率超过这个极限，衰减器就会烧毁。回波损耗：回波损耗就是衰减器的驻波比。集中参数衰减器是利用电阻构成 T型或冗形网络来实现的，具设计方法说明 如下：(1)固定型(

3、Fixed Attenuator )此型电路仅利用电阻来设计。按结构可分成T形及冗形,如图1-2(a)(b)16所示。Rs2zP2R图1-2(a) T 形功率最减器；(b)兀形功率最减器其中Zi、Z2即是电路输入/输出端的特性阻抗。根据电路两端使用的阻抗不同，可分为同阻抗式、异阻抗式同阻抗式(a) T 形同阻抗式(Zi=Z2=Z0)二=1010Rp=ZoRs1 = Rs 2 = Zo(b)冗形同阻抗式0(1010Rs = ZoRp 1 = Rp 2 = ZoA:=10 10异阻抗式(乙金乙)(a) T形异阻抗式c 2 J Z1 Z2Rp -一、1_1_Rs 1 = Z 1Rp口 1Rs 2 =

4、 Z 2-Rp(b)冗形异阻抗式A :=1010Rs -(:-1)、, Z1 Z22 ,、-：Rp1 =<Z1Rp2 =Z2-11 111a - 1|Rs，-1a + 11a - 1|Rs ,4、实验设备AV 36580矢量网络分析仪，衰减器。5、实验内容测量衰减器的S参数。6、实验步骤1 .熟悉和学习矢量网络分析仪的使用。2 .测试衰减器的电压驻波比、插入损耗等参数。矢量网络分析仪的使用：(1)开机：连接电源线到接线板，保证电源良好接地，打开后面板电源 开关；前面板电源指示灯为橙色后开前面板电源， 指示灯变为绿色。(2)系统进入 WINDOWS界面。连接两根测试电缆；连接 N SMA转

5、 接器。(3)设置频率(激励功能框)：按起始频率：100MHz(或根据要求设定); 终止频率：3GHz(或根据要求设定)(4)校准(响应功能框)：校准 f 校准件 f AV31121A f 机械校 准 一全双端口 SOLT f 前向反射(端口 1)一 连接开路器，按 开路器一连接短路器，按短路器一连接负载，按负载完成端口 1反射校准，按照上述步骤重复做端口 2校准，完成后按 完成发射测量，按完成反射测量。直接连接两根测试电缆一按传输按直通f 按完成传输测 量f 按完成全双端口。(5)完成全双端口校准(此时全双端口 SOLT有下划线)（6）按提示存校准数据（7）连接被测件；端口 1连接被测件输入

6、端，端口 2连接被测件输出端。见图1.1衰减器inOUT 2网络分析仪输入端网络分析仪输出端图1.1衰减器测试图（8） 测量（响应功能框）：f 测量- S11f S22 +S21f 幅度一（9）设置显示格式（响应功能框）：一格式一对数或驻波比f比例f参考位置：设置为5f 参考值：设置为0 （驻波比设置为1） f 比例：设置为10 （驻 波比设置为0.5）（9）设置光标：（光标/分析功能框）：f按光标f 分别标记光标1 （频 率 1.5GHz）、2（频率 100MHz）、3（频率 3GHz） 分别在屏幕上观察记录测试数据。（10）测量（响应功能框）f 测量S21幅度或相位（11）设置显示格式：响

7、应功能框 f 格式f 对数f比例f参考位置：设置为5f 参考值：设置为0 f比例：设置为1 分别在屏幕上观察记录测试数据。七、实验结果1、将衰减器测试结果填入下表中率（GHz）S 参数（dB）0.11.53SI1s22 |1s21 |实验二：功率分配器1、实验设置的意义在射频/微波电路中，为了将功率按一定的比例分成二路或多路，需要使用功 率分配器；功率分配器反过来使用就是功率合成器，在近代射频/微波大功率放大器中广泛地使用功率分配器，而且通常成对使用。功率分配器的技术指标有：频 率范围，承受功率，插入损耗、分配比、隔离度和端口输入驻波比。2、实验目的(1) 了解功率分配器的结构原理，频率特性；

8、(2)掌握功率分配器参数测试原理；(3)学会使用矢量网络分析仪完成功率分配器的测试。3、实验原理在射频/微波电路中为了将功率按一定比例分成两路或多路，需要使用功率分 配器，功率分配器反过来使用就是功率合成器。功率分配器是一个多端口网络结 构。其技术指标包括工作频带、承受功率、分配比、插入损耗、隔离度、VSW殍。如图2-1所示为三端口网络结构，其信号输入端(Port-1 )的功率为Pl,而其他 两个输出端(Port-2及Port-3 )的功率分别为 的及R。理论上，由能量守恒定律 可知 P1=F2+P3O若P2=R并以毫瓦分贝(dBm)来表示三端功率间的关系，则可写成： P2(dBm) = P

9、3(dBm) = Pin(dBm) - 3 (dB)0Port-2Port-1P1P2P Port-3P3图2-1 功率分配器当然P2并不一定要等于P3,只是相等的情况最常被使用于实际电路中。因此,功率分配器在大致上可分为等分型(P2= P3)及比例型(P2=k - P3)等两种类型。4、实验设备AV 36580矢量网络分析仪，功率分配器模块，50Q负载5、实验内容(1)测量各端口电压驻波比(2)测量插入损耗和有效带宽 F。(3)测量功率分配器两输出分配比及相位(4)测量功率分配器隔离度；6、测试方法与实验步骤1、熟悉和学习矢量网络分析仪的使用。2、测试功率分配器的电压驻波比、插入损耗、传输相

10、位、隔离等 S参数3、矢量网络分析仪校准过程与衰减器校准过程相同4、功率分配器端口定义见图2.1,测试连接见图2.2网络分析仪输出端50欧姆匹配负载3 21网络分析仪输入端OUT OUT in功率分配器图2.2功分器S参数测试框图矢量网络分析仪的输入端与功率分配器的 1端口(输入端)连接；矢量网 络分析仪的输出端与功率分配器的 2端口(其中的一个输出端)连接；3端口 (另一个输出端)接50Q匹配负载。设定网络分析仪的频率范围 START为2.1GHz; STOP为2.3GHz。通过改变 凡、S22、&及当的相位，可分别测试功率分配器端口 1和端口 2的电压驻波比或回损耗、插入损耗、相位

11、等。将测 试值填入表2.1中。改变连接见图2.35©姆匹配负载网络分析仪输出堇312|1 |网络分析仪输入端our an in II功率分配器图2.3功分器隔离度测试框图功率分配器的输入端连接不变，矢量网络分析仪输出端与功率分配器另一输出端口 3连接，2端口接50Q匹配负载。同样方法测试端口 3的S参数：&3、S31、S31的相位等。分别在屏幕上观察记录测试数据。5、测试功率分配器隔离度。见图2.4网络分析仪输入端网络分析仪输出端32 二 5竣姆匹配负载OUT OUT in功率分配器图2.4功分器隔离度测试框图网络分析仪的输入与输出端分别与功率分配器的两个输出端相连接。功率

12、分配器的输入端接50Q匹配负载。此时的S21 （实际的S23）即为功率分配器隔 离度。在屏幕上观察记录测试数据。七、测试结果1.将测试结果填入下表中频率(GHz)S 参数(dB)-2.52.62.7IS11I1s22 |1s33 |S21|$1相位(0 )|S31|S31相位(0 )| S23 |两路幅度差两路相位差实验三：定向耦合器1 、实验设置的意义在射频和微波传输系统中 , 通常需要准确测试某一功率值, 或者将某一输入功率按一定比例分配到各分支电路中去。例如功率量值传递系统、相控阵雷达发射机功率分配、多路中继通信机中本振源功率分配等。定向耦合器由于本身插入损耗小、频段宽、能承受较大的输入

13、功率、可根据需要扩展量程、使用方便灵活、成本低等优点 , 而广泛应用于射频和微波传输系统中。由于定向耦合器是射频和微波系统中应用最广泛的元件，更是近代扫频反射计的核心部件，因此，熟悉定向耦合器的特性，掌握其测量方法很重要射频和微波技术实验的基本教学要求是了解射频和微波的传输特性，掌握射频和微波功率、频率、波导波长、驻波比及衰减、相位等的测量方法，了解射频和微波技术的简单应用。定向耦合器本身的特性参量定义简单，被测量均为基本测量量，测量理论与方法简单且容易接受；仪器使用方法简单，不必经过调谐等繁琐过程，有助于学生把精力放在对射频和微波实质的理解和射频和微波技术的应用上。开设以定向耦合器为主线的实

14、验十分必要，有助于引导学生初步领会技术开发的思路，也有利于提高学生思维的开阔性和系统性，培养创新意识和开拓精神。2、实验目的(1) 1）掌握定向耦合器的原理及基本方法；(2) 2）学会用矢量网络分析仪测量定向耦合器的参数。3、实验原理定向耦合器是一种有方向性的无源射频和微波功率分配器件， 其构成通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型，其种类通常有单定向耦合器和双定向耦合器之分。 本实验涉及的是单定向耦合器。 定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的射频和微波功率经过小孔或间隙等耦合机制， 将一部分功率耦合到副线中去， 由于波的干涉和叠加， 使功率仅沿副线中的一个方向 （ 称“正方向”

15、 ）传输，而在另一方向 （ 称“反方向” ） 几乎没有 （ 或极少 ） 功率传输。理想的定向耦合器一般为互易无损四端口网络，如图 3-1 所示。主线1、 2 和副线3、 4 通过耦合机构彼此耦合0图3-1定向耦合器网络定向耦合器的特性参量主要是： 耦合度， 方向性， 输入驻波比， 带宽范围，在这里我们主要说明的是定向耦合器的耦合度和方向性。耦合度及其测量：定向耦合器的耦合度是指输入信号耦合到副臂端的程度， 即输入至主线的功率与副线中正向传输的功率之比，也称过渡衰减。耦合度C用当主臂终端接无反射匹配负载时，入射信号与输出信号 (副臂)之比取对数之值表 示：C=101og=20 loga网 打3式

16、中Pl、U分别为主线输入端的功率及电压；P3、U分别为副线正方向传输的功率 及电压。方向性及其测量：方向性是指从匹配负载端往输出端漏出信号的程度 ，也就 是副线中正方向传输的功率与反方向传输的功率之比或正向耦合度与反向耦合度 的对数之差。一般来讲，方向性越大越好，方向性越大，表明其隔离性越好。常 用的定向耦合器,方向性均在15dB以上。定向耦合器的方向性D以正向耦合度与反向耦合度的对数之差表示：F3U3D =10log (dB) =20log (dB) P4U4式中R、U3分别为耦合至副线正方向传输的功率及电压，P4、U4分别为耦合至副线反方向传输的功率及电压。有时，反映定向程度的指标也用隔离

17、度来表示。隔离度表示输入至主线的功率与副线反方向传输的功率之比的对数，即 I =1010g且(dB)=20logU1(dB)。 P4U4根据以上定义可知：D =10log =1010gB -10log = I -CP4P4P3故定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差。定向耦合器还有一些技术指标：定向耦合器的插损一般都较小 ，所以对测试 结果的影响很小可以忽略不计。定向耦合器的驻波系数一般不大 ，能承受的功率 一般都较大，这是一般类似器件难以达到的。4、实验设备AV 36580矢量网络分析仪、定向耦合器、50Q的终端负载。5、实验内容测量定向耦合器的方向性、隔离度、耦合度。6、实验方法和步骤(

18、1)矢量网络分析仪的校准方法同衰减器校准(2)将定向耦合器模块按下图连接。(3)矢量网络分析仪的中心频率 fo =1500MHz SPENte 3000MHz将矢量网络分析仪的1端口与被测件1端口连接，矢量网络分析仪的2端口与被测件2端口 连接，被测件3、4端口连接50Q匹配负载终端，分别观察矢量网络分析仪的 S11、 S22、S21曲线，即测量的定向耦合器输入、输出端口电压驻波比及插入损耗。(3)将定向耦合器模块2端口与3端口对换连接，即3端口接矢量网络分析 仪的2端口，2端口接50Q匹配负载终端，即可测量定向耦合器的耦合度 C (S31) 及3端口电压驻波比S33o(4)将定向耦合器模块3

19、端口与4端口对换连接，即4端口接矢量网络分析 仪的2端口，3端口接50Q匹配负载终端，即可测量定向耦合器的隔离度I(S41), 其方向性D=I-C,7、实验结果将测试数据填入下表中I、 频率(GHz)S 参数(dB) 10.1MHz1.53IS11I| S22 |I S33 | S21 |I S31 | S41 |实验四：环行器1、实验设置的意义环行器又叫隔离器，具突出特点是单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿 某一环行方向传输。这种单向传输高频信号能量的特性，多用于高频功率放大器 的输出端与负载之间，起到各自独立、互相“隔离”的作用。负载阻抗在变化甚 至开路或短路的情况下都不影响功放的工作状态，从而保护了功率放大器。因此 环行器在射频/微波应用中具有非常重要的作用。2、实验目的(3) 了