微波技术与天线实验指导书_图文

1、微波技术与天线实验指导书王东明吴迪信息科学与工程学院实验技术中心实验一频谱分析仪使用实验目的:一、掌握频谱分析仪的使用二、使用频谱分析仪进行信号捕捉与测量实验原理: 实验内容要求:测量周围环境800MHz1GHz的信号,并记录其频谱图并查找分析其所属(移动、联通、小灵通、未知实验二 返回损耗测量实验目的:一、了解天线的基础知识。 二、了解常见的天线结构。三、利用频谱仪测量天线的返回损耗 实验原理:天线是射频系统中不可缺少的组成部分,其主要功能是将电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波,相当于射频发射接收电路与空气的信号耦合器。合适的天线可以改善信号分布增大信噪比、克服覆盖范围内01111in

2、VSWR Z Z +=-+=-(2-41. 辐射效率r 定义为 rr iP P = (2-5式中, P r 为天线辐射出的功率,单位为W ;P i 为馈入天线的功率,单位为W 。 2. 辐射方向图:用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布,如图2-1所示。 =00 =900=270图2-1 辐射方向图3.半功率角的定义如图2-2所示。 (a按电场定义(b按功率定义图2-2 半功率波束宽度4.旁瓣:在主辐射波瓣旁,还有许多副瓣,沿角度方向展开如图2-3所示。其中HPBW为半功率波束宽度,辐射最大功率下降3dB时的角度;FNBW为第一零点波束宽度;SLL为旁瓣高度,辐射最大功率与最大旁瓣

3、的差。 角度/deg图2-3 主瓣与旁瓣5. 方向系数D 定义为max avP D P =(2-6式中,P max 为最大功率密度,单位为W/m 2;P av 为平均辐射功率密度,单位为W/m 2。的薄弱环节,甚至可以降低发射功耗。一、天线的重要参数6. 天线增益G 定义为r iP G P =(2-1式中,P r 为被测天线距离R 处所接收到的功率密度,单位为W/m 2;P i 为全向性天线距离R 处所接到的功率密度,单位为W/m 2。增益为G 的天线距离R 处的功率密度应为接收功率密度,即24tr GP P R =(2-27. 天线输入阻抗Z in 定义为in U Z I=(2-3式中,U

4、为在馈入点上的射频电压;I 为在馈入点上的射频电流。天线是个单端口网络,输入驻波比或反射系数是一个基本指标,为了使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可能小。阻抗,驻波比与反射系数的关系为实验内容:频率响应的测量实验1-1:返回损耗的测量1.参考GRF-3100中T-4(R-1。2.根据下图所示将频谱分析仪准备好;将Bridge的射频信号输入端口接到频谱分析仪的TG输出端;将Bridge的反射信号输出端口利用RF Cable连接到频谱分析仪的RF输入端。 3.将频谱分析仪的起始频率、终止频率与分辨率频宽(RBW 根据下图所示的步骤将其分别设定为600 MHz、1200 M

5、Hz与3 kHz。600 MHz 1200 MHz 3 kHzStartStopRBWAuto /Manu RBW ManuStep 1:Step 2:Step 3: 4. 将连接于Bridge 的RF 输出端的RF Cable 开路,然后根据下图所示的步骤启动频谱分析的TG (Tracking Generator 功能,并校正频谱分析仪。RefLevel10 dBm TGTGLevel0 dBm TG0 dBmRefValue TGONTGON OFF TGONNormal ON OFFStep 1:Step 2:Step 3:Step 4:Step 5: 5. 将连接在Bridge 的RF

6、 输出端的RF Cable 接到T-4的输入端来测量其返回损耗,同时在T-4的输出端接入天线,并将频谱分析仪的Marker 的频率定在900 MHz ,将测量结果画在表2-1中。6. 按照以上设置,将连接于Bridge 的RF 输出端的RF Cable 接于R-1的输出端来测量其返回损耗,同时于R-1的输入端接入天线,并将频谱分析仪的Marker 的频率定在900 MHz ,将测量结果画在表2-2中。返回损耗的测量表2-1 T-4的返回损耗测量结果(输入返回损耗 = dB 900 MHz表2-2 R-1的返回损耗测量结果(输入返回损耗 = dB 900 MHz 其频谱图:实验三阻抗匹配(S参数

7、测量实验目的:1、掌握RF2000的使用操作2、学习用RF2000测量各功能模块的S参数3、分析测量数据实验内容及原理:一、了解RF200面板及操作。 二、 三、 实验要求:在实验报告结果分析中要对测量所得数据进行分析。实验四微波通信系统设计实验目的:一、了解发射、接收机的基本知识。二、设计发射机、接收机系统实现语音通信。实验原理:射频发射机是无线系统的重要子系统,无论是话音、图像还是数据信号,要利用电磁波传送到远端,都必须使用发射机产生的信号,然后经调制放放大送到天线。发射机将电信号变换为足够强度的高频电振荡,天线则将高频电振荡变换为电磁波,向传输媒质辐射。一、发射机的重要参数8.频率或频率

8、范围:用来考查振荡器的频率及相关指标、温度频率稳定度、时间频率稳定性、频率负载牵引变化、压控调谐范围等,相关单位为MHz、GHz、ppm、MHz/V等。9.功率:与功率有关的最大输出功率、频带功率波动范围、功率可调范围、功率的时间和温度稳定性,相关单位为mW、dBm、W、dBW等。10.效率:供电电源到输出功率的转换效率。这一参数对于电池供电系统尤为重要。11.噪声:包括调幅、调频和调相噪声,不必要的调制噪声将会影响系统的通信质量。12.谐波抑制:工作频率的高次谐波输出功率大小。通过对二次、三次谐波抑制提出要求。基波与谐波的功率比为谐波抑制指标。工程实际中,基本与谐波两个功率dBm的差为dBc

9、。13.杂波抑制:除基波与谐波外的任何信号与基波信号的大小比较。直接振荡源的杂波就是本地噪声,频率合成器的杂波除本底噪声外,还有可能是参考频率及其谐波。二、发射机的基本结构要发射的低频信号与射频信号的调制方式有三种可能形式:1.直接产生发射机输出的微波信号频率,再调制待发射信号。在雷达系统中常用脉冲调制微波信号的幅度,即幅度键控。调制电路就是PIN开关。调制后信号经功放、滤波输出到天线。2.将待发射的低频信号调制到发射中频(如70MHz上,与发射本振混频得到发射机输出频率,再经功放、滤波输出到天线。图像通信中,一般先将图像信号先做基带处理(6.5MHz,再进行调制。3.将待发射的低频信号调制到

10、发射中频(如70MHz上,经过多次倍频得到发射机频率,然后再经过功放、滤波输出到天线。近代通信中常用此方案。本系统中射频发射机模块主要由音频处理电路、PLL、前置放大器、功率放大器及天线组成,它的模块方框图如图13-1所示。其功能是将所要发送的信息(又称基带信号经过调制后,将频谱搬移到射频上,再经过高频放大,达到额定功率之后,馈送到天线,发送到空间去。每一模块的具体原理已在前面章节中详细介绍,在此就不一一赘述。 图13-1 发射机框图射频接收机的作用是把发射装置发送的已调高频信号还原为消息或基带信号,最终完成通信功能。接收机是信号的还原过程，要求灵敏度高，失真小，能够重现异地发射机传来 的信号

11、特性。 三、接收机的重要参数 接收机的重要参数 的重要 4. 接收灵敏度：描述接收机对小信号的反应能力。对于模拟接收机，满足一定 信噪比时的输入信号功率； 对于数字接收机， 满足一定误码率时的输入功率。 5. 选择性：描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。不允许同时有两个信号进 入接收机。 6. 交调抑制：接收机会有双频交调失真。在发射机和功率放大器中，大信号会 出现三阶交调失真。 7. 频率稳定度：描述接收机的本振信号的频率稳定度，影响接收机中频信号的 质量。 8. 本振辐射：由于混频器的隔离不好，本振信号进入接收信号的通路，通过天 线的辐射，引起系统的三阶交调失真加重。 四、接收机的基本结构

12、 接收机前端电路有几种不同的结构。 图14-1示出了一种最简单的形式。 这种结构无射频 放大器，在带通滤波器之后，只有混频器和本机振荡器。带通滤波器的输入来自天线，其输 出经过混频器到达中频放大器进行后续处理。这种结构的主要特点是：第一，在实现中所需 成本比其它结构少；第二，避免由于处理无用的能量而消耗混频器的动态范围。 图14-1 射频接收前端 第二种前端结构如图14-2 所示。这种结构使用了一个射频放大器。该射频放大器的增 益较低，一般低于20dB。高于20dB 的增益可能会使系统稳定性受到损害，并且不能达到互 调截获点。射频放大器的目的是隔离混频器，同时在混频之前将信号放大。这种放大可以

13、补 偿混频器和带通滤波器中的损耗。射频放大器的主要特点是改进了混频器/本机振荡器电路 与天线电路之间的隔离。 图14-2 有射频放大器的射频接收前端 以超外差(superhetrodyne型式设计的接收机，是为无线电系统的主导。顾名思义，这一 系统在信号接收的过程中，都包含外差或是混频的信号处理，即是以本地振荡器LO的输出 f L ，与输入的RF信号 f r ，经混频成为中频IF再输出。三者信号频率关系为 IF = f L ± f r 式中 (14-1 IF =混频后输出的中频(intermediate frequency f L =本地振荡器输出信号频率 f r =接收机收到的信号频率 两个信号频率， f L 与 f r 的外差过程，主要输出的中频频率有二，为两者的和与差，而 在实际应用时，仅取两者之一用为中频,并用滤波器过滤取出。超外差型式的主要优点，在 于接受系统所需的绝大部分增益可取自一个固定频率-IF的放大器,有别于早期的可调谐 接收系统的不同频率的放大。 超外差设计有两种基本型式,低向变频和高向变频。无论是低向变频还是高向变频，都 可以设计为单次或是两次,在一般应用上,低向变频多为单次转换,而以高向变频的转换方式, 至少需要两次转换。 本系统中射频接收机模块主要由 LPF、LNA