微波测量实验报告

1、北京邮电大学微波测量实验 学院： 电子工程学院 班号： 学号： 姓名： 班内序号： 时间：2015年1月实验一 熟悉微波同轴测量系统一、实验目的 1、了解常用微波同轴测量系统的组成，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。矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能：微波同轴测量系统包括三个主要部分：矢量网络分析仪、同轴线和校准元件或测量元件。各部分功能如下：1）矢量网络分析仪：对RF领域的放大器、衰减器、天线、同轴电缆、滤波器、分支分配器、功分器、耦合器、隔离器、环形器等RF器件进行幅频特性、反射特性和相频特性测

2、量。2）同轴线：连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。3）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），可方便地通过同轴线和矢量网络分析仪连起来。面板组成图如下所示：1235467981011121314各部分功能如下：（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）SAVERECALL：存

3、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：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。ME

4、AS2：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、 掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。A、 S 参数测量步骤；a)将一个待测的二端口网络通过同轴线接入矢量网络分析仪，组成一个微波同轴测量系统，如下图所示： 被测b)然后经过SOLT校准,消除系统误差；c)在矢量网络分析仪上调出S参数测量曲线，读出相应的二端口网络的S参量，保存为s2p数据格式和cst数据格式

5、的文件。B、 如何看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律。在校准菜单下的CalKit（校准件）选项里，打开校准件的开路件对话框C、 如何看短路校准件的电感值设定(校准系数)；传输线终端短路时，短路端电压为零。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律。在校准菜单下的CalKit（校准件）选项里，打开校准件的短路件对话框D、 如何

6、用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换；TOOLS工具栏下，下拉选项中可得到simth圆图的显示以及转换直角坐标。E、 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.jpg图片格式。F、 了解仪器提供的校准方法（SOLT）。仪器提供SOLT校准方法，TRL校准方法等集中校准方法，实验中使用SOLT（短路开路负载直通）校准方法。三、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。（给出S参数到Z参数的转换公式，以及如何在ADS中应用。）不可以，因为微波同轴测量系统只能

7、对于微波的入射和反射的电压电流关系进行分析。需要先进行校准。此外由于仪器仅给出了S参数的测量，但是没有电路参数的测量选项；如果要求电路参数，可以由测量的S参数通过导出选项导出电路参数，如用等计算。S参数到Z参数的转换公式如下： Z=(1-S)-1(1+S)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。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。3、掌握并验证TRL校准方法。二、实验内容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。1）SOLT校准方法 SOLT校准能够提供优异的精度和可重复性。这种

8、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。其使用12项误差修正模型，其中被测件的正向有6项，反向有6项。图2显示了正向误差项：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，SOLT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。这些校准件包括各种连接器类型，并且价格相对便宜，小心使用的话可以用很多年。如下两图所示。 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

9、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，得到被测器件真实参量(Sa11，Sa12，Sa21，Sa22)的过程。 2）TRL校准方法TRL校准极为精确，在大多

10、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TRL校准。使用测试夹具进行测量或使用探头进行晶圆上的测量，通常都属于这种情况。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

11、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。如下图所示： 3）两者优缺点比较如下所示： 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,b3（以正向为例），而SOLT方法只需要三个，分别检测信号a0,b0,b3； 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

12、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、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。a) 校准前测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数，并保存数据开路短路 匹

13、配 直通b) 矢量网络分析仪SOLT的校准步骤响应校准校准向导选择双端口solt测量机械标准一次选择1端口短路、开路、负载、直通，2端口短路、开路、负载进行校准。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 开路 短路 匹配 直通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开路：网络开路，=1，校准后s参数是一条值为0db的水平线，在圆图上随频率变化顺时针移动，由图知，校准精确度很高； 短路：网络短路，=-1，校准后s参数是一条值为0db的水平线，在圆图上随频率变化逆时针移动，由图知，校准精确度很高； 负载：网络负载

14、匹配，=0，s参数db值应很小，在圆图上位于圆心一点，由图知，s参数是db=-50db，足够小，因而校准精确度很高。 直通：电路网络直通，=0，s参数db值应很小，在圆图上位于圆心一点，由图知，s参数是db=-50db，因此满足条件，校准精确度很高。分析比较校准前后的数据可以发现，经过校准后有效的减少了原来的误差，带宽的微弱变化虽然很小，但是对于误差来说还是足够证明每次连接测量器件之前校准步骤都是必要的，而且在校准过程中，有校准之后的图形可分析：在Smith圆图上，开路和短路不再是一圈圈缠绕的线，已经减少到靠近开路和短路点的一段线，匹配点经过校准后已经非常接近理论上的一个点而不是一个区域。所以

15、，校准之后的测量才是符合实际的近乎标准值，在未校准时进行的测量只能大概估计下元件的类型及带宽，对于精确的参数测量未校准时是完全不符合标准的。3、 利用已加工的TRL校准件，进行TRL校准。保存各测量数据，计算出其误差模型（附编程程序）。function Sx,GL=trl(Sthru,Sopen,Sline,Sdut,freq); % TRL performs a two-tier TRL calibration for a vector network analyser.% The first calibration consist of a normal co-axial SOLT two

16、-port calibration% followed by measurements on the TRL calibration standards and the DUT. The % function then performs the second tier of the calibration by de-embedding the% effect of the TRL test fixture from the DUT measurements using the measurements% peformed on the TRL calibration standards. %

17、 % The function uses the following input parameters:% Sthru Four colom matrix containing S-Parameters of the thru measurement on% TRL test fixture.% Sopen Four colom matrix containing S-Parameters of the open measurement on% TRL test fixture. Only S11 and S22 is of interest here and the S21 and% S12

18、 data which will be in the noise floor of the VNA will be discarded.% Sline Four colom matrix containing S-Parameters of the line measurement on% TRL test fixture.% Sdut Four colom matrix containing S-Parameters of the DUT inserted into the% TRL test fixture.% f Frequencies at which S-Parameters wer

19、e measured in Hz.% The coloms of the S-Parameter matrix represent S11 S21 S12 S22.% format: Sx,GL=trl(Sthru,Sopen,Sline,Sdut,freq)% The output consists of the de-embedded device S-Parameters (Sx), and the propagation % constant (GL) of the line standard used in the TRL calibration. The propagation c

20、onstant% can be used to calculate the characteristic impedance of the microstrip calibration % line. Since microstrip is a dispersive transmission line, the characteristic impedance% will vary as a function of frequency. The measured S-Parameters will be normalised with% respect to the actual charac

21、teristic impedance of the transmission line calibration% standard. By extracting this impedance, the S-Parameter data can be renormalised to % 50 Ohm. % See TRLPOST.M for some post processing functions that can be performed.% Writer : C. van Niekerk% Version : 3.50% Date : 07/06/1995 % This program

22、is based on the work in the presented in the following paper:% 1 G.F. Engen, C.A. Hoer, "Thru-Reflect-Line: An Improved Technique for% Calibrating the Dual Six-Port Automatic Network Analyser,"% IEEE Trans. MTT, Vol. 27,No. 12, December 1979, pp. 987-998 % Define the imaginary constant i=s

23、qrt(-1); % Convert the measured s-parameters of the DEVICE to one variable S11d = Sdut(:,1);S21d = Sdut(:,2);S12d = Sdut(:,3);S22d = Sdut(:,4); % Convert the measured s-parameters of the REFLECT standerd to one variable S11r = Sopen(:,1);S22r = Sopen(:,4); % Convert the measured s-parameters of the

24、THRU standerd to one variable S11t = Sthru(:,1);S21t = Sthru(:,2);S12t = Sthru(:,3);S22t = Sthru(:,4); % Convert the measured s-parameters of the LINE standerd to one variable S11l = Sline(:,1);S21l = Sline(:,2);S12l = Sline(:,3);S22l = Sline(:,4); % Compute the wave cascading matrix for the thru st

25、anderd R11t = -(S11t.*S22t - S12t.*S21t)./S21t;R12t = S11t./S21t;R21t = -S22t./S21t;R22t = 1 ./ S21t; % Compute the wave cascading matrix for the line standerd R11l = -(S11l.*S22l - S12l.*S21l)./S21l;R12l = S11l./S21l;R21l = -S22l./S21l;R22l = 1 ./ S21l; % Compute the wave cascading matrix for the d

26、evice standerd R11m = -(S11d.*S22d - S12d.*S21d)./S21d;R12m = S11d./S21d;R21m = -S22d./S21d;R22m = 1 ./ S21d; % Calculate the two possible virtual error networks for port A% and port B using the s-parameters of the thru and line standerds % Determine the number of frequency points nfreq=length(freq)

27、; for n = 1:nfreq Rt = R11t(n) R12t(n) ; R21t(n) R22t(n) ; Rl = R11l(n) R12l(n) ; R21l(n) R22l(n) ; T = Rl*inv(Rt); % Solve a set of quadratic equations to get the values of r11a/r21a% and r12a/r22a A = T(2,1); B = T(2,2) - T(1,1); C = -T(1,2); K1 = (-B + sqrt(B2)-4*A*C)/(2*A); K2 = (-B - sqrt(B2)-4

28、*A*C)/(2*A); % Choose between the two possible roots to get the right values for% b and c/a if abs(K1)<abs(K2) b = K1; ca = 1/K2; end; if abs(K2)<abs(K1) b = K2; ca = 1/K1; end; % Calculates the propogation constant of the LINE standerd. GL(n) = -log(T(1,1)+T(1,2)*ca); % Calculates "a&quo

29、t; w1 = S11r(n); w2 = S22r(n); g = 1/S21t(n); d = -(S11t(n)*S22t(n) - S12t(n)*S21t(n); e = S11t(n); f = -S22t(n); gamma = (f-d*ca)/(1-e*ca); beta_alfa = (e-b)/(d-b*f); a = sqrt(w1-b)*(1+w2*beta_alfa)*(d-b*f)/(w2+gamma)*(1-w1*ca)*(1-e*ca); % Calculates the reflection coeffisients at each port to dete

30、rmine the correct% sign that should be assigned to a R1a = (w1-b)/(a-w1*a*ca); R1b = (w1-b)/(w1*a*ca-a); % An open is used for the reflection measurement. Use this information to% chose the sign of a if abs(angle(R1a)*180/pi)<90 a = a; as(n) = a; c = ca*a; end; if abs(angle(R1b)*180/pi)<90 a =

31、 -a; as(n) = a; c = ca*a; end; R1(n) = (w1-b)/(a-c*w1); alfa = (d-b*f)/(a*(1-e*ca); beta = beta_alfa*alfa; r22p22 = R11t(n)/(a*alfa + b*gamma); IRa = 1 -b ; -c a ; IRb = 1 -beta ; -gamma alfa ; Rm = R11m(n) R12m(n) ; R21m(n) R22m(n) ; Rx = 1/(r22p22*(alfa-gamma*beta)*(a-b*c)*IRa*Rm*IRb; S11x(n) = Rx

32、(1,2)/Rx(2,2); S12x(n) = Rx(1,1) - Rx(1,2)*Rx(2,1)/Rx(2,2); S21x(n) = 1/Rx(2,2); S22x(n) = -Rx(2,1)/Rx(2,2); end; Sx=S11x.' S21x.' S12x.' S22x.'实验三 利用微波同轴测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、测量各加工器件（天线、滤波器、功分器和耦合器等）的实际性能。3、验证TRL校准方法，并和利用SOLT校准方法测量的结果进行对比。二、实验内容1、做完实验二的实验内容3

33、后，测量各器件的S参数，并保存测量结果，通过去嵌误差模型，得到真实的器件S参数。报告中要给出具体编程计算过程（附编程程序）。2、利用机器自带SOLT校准后，存储测量结果，并通过测量结果了解所测器件的工作原理以及性能，报告中包括以下内容a) 器件的S参数测量曲线； 线的S11测量曲线说明：由该图形可以看出，该器件应该是个天线，是能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接受空间某特定方向来的电磁波的装置。图中明显的下陷处对应的2.29Ghz频率值下该天线发射时能有较好的性能。滤波器的S11测量曲线滤波器的S21曲线由该图形可以看出，在频率比较小的时候，s12曲线值很小，然后开始增大，逐渐趋

34、于平缓，然后频率达到一定程度后s11曲线下降，由此可见，该器件应该是个带通滤波器。中心频率约在1.34Ghz，在1.28Ghz到1.41Ghz频率之间，通过性能比较好，实现带通。耦合器：说明：在微波系统中， 往往需将一路微波功率按比例分成几路， 这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器。 定向耦合器是四端口网络，端口“”为输入端，端口“”为直通输出端，端口“”为耦合输出端，端口“”为隔离端，并设其散射矩阵为S。描述定向耦合器的性能指标有： 耦合度、隔离度、 定向度、输入驻波比和工作带宽。图1：耦合器 隔离 s11图2：耦合器 隔离s21图3：耦合器 耦合s11图4：耦合

35、器 耦合s21图5：耦合器 直通s11图6：耦合器 直通s21b) 通过分析其S参数，了解各器件所组成的网络的特性。ØS11 是S参数中的一个，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。此参数表示天线的发射效率好不好，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。Ø对于滤波器来说，通带增益主要由滤波器的S21参数确定。阻带增益也主要由滤波器的S21参数确定。通带反射系数由滤波器的S11参数确定。在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21（S12）随频率变化的曲线上。S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。对于天线，由于是单端口器件，故只有S11的结果，在工作频率点处，S11（回波损耗）很小，即全部能量发射出