微波技术基础实验讲义

1、微波技术基础实验华中科技大学电信学院微波技术实验的意义n学习现代微波工程中的先进测量仪器与测量技术n补充学习微波元件的知识，学习平面微波电路微波技术实验的任务n学习微波电路基本参数的测量方法 S参数n学习微波测量仪器的基本原理与使用 矢量网络分析仪n学习微波元件的基本特性 传输线、微带谐振器、定向耦合器、功率分配器实验规则n三个人为一小组，共用一台网络分析仪，每人一个实验箱，做实验时轮流使用仪器，其它人可以辅助。整个小组都完成，方可下课。n实验过程中记得记录原始数据，回去完成实验报告。n每个小组实验完后，报告老师检查数据、仪器及实验箱，检查完毕后方可离开。实验注意事项！n仪器是昂贵的，弄坏是要

2、负责任的！ 并非不能动，只是不要盲目的瞎动，按照老师讲授的方法操作，不明白的问老师。n实验箱内的实验模块不要乱拿乱放，按照需要的取出来。用完放回去。目 录实验一 矢量网络分析仪的使用及传输线的测量实验二 微波元件特性参数测量实验一 矢量网络分析仪的使用 及传输线的测量一、实验目的n学习矢量网络分析仪的基本工作原理；n初步掌握AV36580矢量网络分析仪的操作使用方法；n掌握使用矢量网络分析仪测量微带传输线不同工作状态下的S参数；n通过测量认知1/4波长传输线阻抗变换特性。矢量网络分析仪u现代微波工程中占支配地位的是应用网络分析方法将微波电路看作是微波网络，用散射参数（S参数）来描述微波电路的性

3、能。S参数表达的是功率波，是用入射功率波和反射功率波的方式定义微波网络的输入输出关系，因此两端口网络S参数的测量需要涉及功率波在两个端口的反射和传输。 u微波矢量网络分析仪是全面测定网络参数的一种仪器，它是结合了计算机技术的一种全自动多功能的测量装置，功能强大，使用方便。u它既能测量反射系数和传输参数，也能自动转换为其它需要的参数；既能测量无源网络，也能测量有源网络；既能点频测量，也能扫频测量；既能在液晶屏显示，也能打印输出，甚至直接输出到计算机中。因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功能和提高了工作效率。矢量网络分析仪的构成n矢量网络分析仪主要组成部分包括合成信号源、S 参数测试装置、幅相接收

4、机和显示部分。nR入射信号 A反射信号 B传输信号 (DUTDevice under test)矢量网络分析仪的工作原理1121ASRBSRAV36580矢量网络分析仪前面板 硬键即前面板按键，在讲义中这些键由键名加【 】来描述。如【Preset】 软键为8 个空白键，在屏幕边上。在本文中，这些键用键名加 来描述。 如：SWEEP TIME AV36580矢量网络分析仪后面板AV36580的主要性能指标 频 率 范 围AV36580A300 kHz3GHz功率范围-85+8 dBm功率扫描范围23 dB接收机损毁电平 射频26 dBm (400mW)直流 30V AV36580射频一体化矢量网

5、络分析仪有下列测量格式：na）笛卡尔坐标(直角坐标）：对数幅度、线性幅度、相位、群延迟、驻波比、复数参数实部和虚部。nb）史密斯圆图：对数幅度、线性幅度、阻抗 R+jX 或导纳 G+jB 。nc）极坐标： 对数幅度、线性幅度、相位、实部和虚部。AV36580的鼠标用户界面AV36580的基本操作说明 n电缆与被测微波器件的连接 我们采用的是N型接头。注意连接时只旋转接头有齿纹的一端，不要旋转内螺纹一端。AV36580的基本操作说明n测量频率范围设置 当AV36580开机后，显示屏默认以直角坐标的方式显示，纵轴的参数为所测量的S参数，横轴的参数为频率，默认频率范围为最大频率量程300k3GHz。

6、按下【起始】键可以设置扫频的起始频率，按下后，显示屏左上方会显示当前起始频率，要改变的话通过按数字键加上相应的单位键【G/n】、【M/n】、【K/n】来设置频率，上面三个单位键分别对应GHz、MHz、KHz。类似，按【终止】键设置扫频的终止频率，设置方法与起始频率相同。比例调节用鼠标调节起始和终止频率AV36580的基本操作说明n源功率设置 按鼠标点击菜单栏 激励-功率设置矢网合成源的功率大小。AV36580的基本操作说明n测量的S参数设置 【测量】键选择测量参数，按下后显示屏的软键菜单会显示S11、S12、S21、S22四个待选测试参数，通过按下相应软键来选择要测量的S参数。 AV36580

7、的基本操作说明n被测S参数显示格式设置 【格式】键选择参数显示格式，按下后显示屏的软键菜单会显示对数幅度、相位、群延时、史密斯原图、极坐标、线性幅度、驻波比 ，分别表示以对数幅度、相位、群延迟、史密斯圆图、极座标、线性幅度、驻波比的形式显示测量参数，通过按下相应软键来选择要显示的测量格式。 AV36580的基本操作说明n利用光标读取测量结果 按下【光标】键就会在显示屏上的测试曲线上显示光标，对应显示屏的软键菜单处会显示光标编号1、2、3按下相应软键会显示对应编号的光标，默认会显示1号光标。通过旋转旋钮键就会移动光标的位置，而在显示屏右上角会显示光标对应位置的频率和测量值。而通过数字键输入频率值

8、也可以确定光标的位置。 微带电路n微带传输线目前是混合微波集成电路和单片微波集成电路使用最多的一种微波平面型传输线，主要是因为它可以用照相印刷工艺来加工，而且容易与其它无源微波器件和有源微波器件集成，构成微带电路，实现微波部件和系统的集成化。 微带传输线n特性阻抗 反射系数 驻波比微带传输线接不同负载时的工作状态n端接负载的传输线的输入阻抗n终端短路的传输线n终端开路的传输线n1/4波长传输线 )tan()tan()(000dZjZdZjZZdZLLin)cot()(0dZjdZin)tan()(0dZjdZinZZZinL0实验内容n矢量网络分析仪操作实验初步运用矢量网络分析仪AV36580

9、，熟悉各按键功能和使用方法以RF带通滤波器模块为例，学会使用矢量网络分析仪AV36580测量微波电路的S参数。n微带传输线测量实验使用网络分析仪观察和测量微带传输线的特性参数。测量1/4波长传输线在开路、短路、匹配负载情况下的频率、输入阻抗、驻波比、反射系数。观察1/4波长传输线的阻抗变换特性。1.矢量网络分析仪操作实验 n通过使用矢量网络分析仪AV36580测试RF带通滤波器的散射参数（S11、S12、S21、S22）来熟悉矢量网络分析仪的基本操作。微带带通滤波器模块矢量网络分析仪操作实验步骤n步骤一 调用误差校准后的系统状态n步骤二 选择测量频率与功率参数（起始频率600 MHz、终止频率

10、1800 MHz、功率电平设置为-10dBm）n步骤三 连接待测件并测量其S参数n步骤四 设置显示方式n步骤五 设置光标的使用测量带通滤波器S11反射系数带通滤波器S11驻波比带通滤波器S22反射系数带通滤波器S22驻波比带通滤波器S22驻波比带宽带通滤波器正向插入损耗S21带通滤波器正向相位带通滤波器带宽带通滤波器反向插入损耗S12带通滤波器反向相位带通滤波器反向带宽带通滤波器群延时光标光标功能光标面板光标切换光标搜索带通滤波器4通道同时显示数据存储显示工具栏2. 微带传输线测量实验 n通过使用矢量网络分析仪AV36580测量微带传输线的端接不同负载时的S参数来了解微波传输线的工作特性。连接

11、图如图1-10所示，将网络分析仪的1端口接到微带微带传输线模块传输线模块的输入端口，另一端口在实验时将接不同的负载。微带传输线模块微带传输线测量实验步骤n步骤一 调用误差校准后的系统状态n步骤二 选择测量频率与功率参数（起始频率100 MHz、终止频率400 MHz、功率电平设置为-25dBm）n步骤三 连接待测件并测量其S参数 按照装置图将微带传输线模块连接到网络分析仪上； 将传输线模块接开路负载（找老师要或另一端空载），此时，传输线终端呈开路。选择测量S11，将显示格式设置为史密斯原图，调出光标，调节光标位置，使光标落在在圆图的短路点。 记录此时的频率和输入阻抗。然后将显示格式设置为驻波比

12、，记录下此时的驻波比值。将显示格式设置为对数幅度，记录下此时的（反射系数）值。（记录数据时保持光标位置始终不变） 微带传输线测量实验步骤 将传输线模块的终端接短路负载（找老师要）。将显示格式设置为史密斯原图，注意观察光标的位置（此时光标所示频率仍为中的频率），此时光标应在圆图中开路点附近。 调节光标至圆图中的开路点，按照中所示方法和步骤记录数据。 将传输线模块另一端接上匹配负载。将显示格式设置为史密斯原图，将光标调节至最靠近圆图圆心的位置。 按照中方法和步骤记录数据。 传输线开路史密斯传输线开路对数幅度传输线开路驻波比传输线短路史密斯(未调节频率)传输线短路史密斯传输线短路对数幅度传输线短路驻

13、波比传输线匹配对数幅度传输线匹配史密斯传输线匹配驻波比修改扫描点数五、实验报告n实验目的、内容、系统简图；n步骤简述，记录有关数据；n数据处理，根据有关公式算出各测量值。n完成思考题n1. 从图1-3上分析，如果测量被测微波器件的2端口S参数，其内部开关将处于什么工作状态？n2. 对记录的数据进行分析，并思考为什么开路负载时在短路点的光标，在接上短路负载后会在开路点附近？实验二 微波元件特性参数测量一、实验目的n掌握利用矢量网络分析仪扫频测量微带谐振器Q值的方法。n学会使用矢量网络分析仪测量微波定向耦合器的特性参数。n掌握使用矢量网络分析仪测试微波功率分配器传输特性的方法。微波谐振腔的Q值测量

14、 n品质因素Q描述了谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度n本实验主要运用扫频功率传输法来测量微带谐振器的Q值。功率传输法是根据谐振腔的功率传输特性来确定它的Q值。下图表示测量谐振腔功率特性的方框图。 0022TllWWWQWPTP匹 配微波源待 测谐振腔匹配 微波功率检测器P1P2微波谐振腔的Q值测量原理n当微波振荡源的频率逐渐改变时，由于谐振腔的特性，传输到负载的功率将随着改变，它与频率的关系曲线如图所示。n根据功率传输法测量谐 振腔的等效电路可推得， 谐振腔两端同时接有匹 配微波源和匹配负载时 的有载品质因数为： 0021LffQfff微带谐振器模块微波定向耦合器 n定向耦合器是一种

15、有方向性的微波功率分配器件，通常有波导、同轴线及微带线等几种类型。理想的定向耦合器一般为互易无损四口网络，如图所示。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合机构，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传输（称正方向），而在另一个方向几乎没有或极少功率传输（称反方向）。 微波定向耦合器的特性参数n耦合度 输入至主线的功率（端口1输入功率）与副线中正方向传输的功率（端口2输出功率）之比的对数称为定向耦合器的耦合度C： n方向性 用副线中正方向传输的功率（端口2输出功率）与反方向传输的功率（端口4输出功率）之比的对数来表示定向传输

16、的性能，称为耦合器的方向性D ：2110lgdBPCP2410lgdBPDP微波定向耦合器的特性参数n隔离度 有时，反映定向程度的指标也可以用隔离度来表示。定义隔离度为输入至主线的功率（端口1输入功率）与副线中反方向传输的功率（端口4输出功率）之比的对数： n输入输出驻波比n插入损耗n工作频带1410lgdBlPDP微带线定向耦合器模块2134微带线定向耦合器n微带线定向耦合器是由两条等宽的平行耦合微带线所构成，耦合线长是奇模和偶模波长平均值的1/4，如图所示。若信号从端口1输入，则端口2和端口3将有输出，端口4没有输出。由于耦合信号（端口2的输出）的传输方向与输入信号方向相反，故这种定向耦合

17、器称为反向定向耦合器。微带线定向耦合器的工作原理 定向耦合器为什么会有方向性呢？要具有方向性必须要有两种以上的耦合因素起作用，使耦合到副线某一端口的能量能够互相抵消。我们来看一段如图所示的平行耦合传输线。当导线1-3中有交变电流流过时，由于2-4线和1-3线互相靠近，故2-4线中便耦合有能量，此能量是既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合过来的。通过Cm的耦合，在传输线2-4中引起的电流为Ic2及Ic4；同时由于的交变磁场的作用，在2-4线上感应有电流IL。根据电磁感应定律，感应电流IL的方向与I1的方向相反，如图上所示。因此，若能量由端口1输入，则耦合端口是2端口。而在

18、4端口因为电耦合电流与磁耦合电流的作用相反而能量互相抵消，故4端口是隔离端口。这样，我们就定性地了解了耦合微带线定向耦合器具有方向性的原理。 微波功率分配器n在实际应用中，有时需要将信号源的功率分别馈送给若干个分支电路（负载），就是说，进行功率分配，实现这种功能的射频器件就称为功率分配器。由于功率分配器一般为满足互易定理的无源网络，所以功率分配器与合成器是等价的。 n根据输出功率的比例，微波功率分配器有等分功率与不等分功率两类。大功率微波功率分配器采用同轴线结构，中小功率微波功率分配器采用带状线或微带线结构。 微波功率分配器的结构n功率分配器的具体结构型式很多，最基本的就是下图所示的采用 阻抗

19、变换段的两路微带功率分配器的结构。两个分支臂长都为 ，是完全对称的结构，对称性保证输入功率将平均分配于两个输出端，得到同相同模的输出。 /4g/4g微波功率分配器模块 RZ01Z01Z0Z0Z0微波功率分配器的工作原理n两分支臂之间接有隔离电阻R，是为了保证两个输出端口的隔离。当两个输出端口均为良好匹配时，对称性保证各个传输支路是同电位的，故无电流通过隔离电阻，隔离电阻上无功率损耗。但当其中一输出端失配，致使有反射波折回，则此反射功率将分拆开：一部分经过隔离电阻到达另一输出端；另一部分沿自己支路反射回输入端，然后又反射回来，沿另一支路到达另一输出端。如果隔离电阻尺寸很小而可视为集总元件时，则它

20、的电长度可近似地认为是零。由于各支路的长度为，电长度在中心频率时为，因而往返二次的电长度是。因此到达另一输出端的两部分信号是反相的。可以证明，只要适当选择隔离电阻和支线的特征阻抗值，就可以使这两部分信号幅度相等，因而彼此相消。这就是利用隔离电阻R达到各分支端口之间的隔离的原理。 0102ZZ02RZ微波功率分配器的特性参数n工作频带n插入损耗n各端口幅度偏差 n各端口隔离度 实验内容n微带谐振器品质因数的扫频测量实验使用矢网AV3620扫频测量微带谐振器的Q值。n微波定向耦合器实验 使用矢网AV3620测量微带定向耦合器的特性参数。 n微波功率分配器实验 利用矢网AV3620测量功率分配器的传

21、输频率响度特性。根据测量所得的数据计算出功率分配器的插入损耗、各端口幅度偏差、各端口隔离度等特性参数。1.微带谐振器Q值的扫频测量实验n通过使用矢量网络分析仪AV3620扫频测试微带谐振器的散射参数S21来得到其Q值 微带谐振器Q值的扫频测量实验步骤n步骤一 调用误差校准后的系统状态n步骤二 选择测量频率与功率参数n步骤三 连接待测件并进行测量 测量设置选择为测量微带谐振器模块的S21参数的对数幅度，记下S21幅度值最大点的频率f0，即为微带谐振器的谐振频率f0 ，还要记下在f0点处的S21幅度值，这个值即为微带谐振器在谐振频率f0处的插入衰减 。然后将光标从谐振频率f0开始向两边移动，记下衰

22、减量比 小3dB点处的频率分别为f1 和f2 。 n步骤四 进行计算n步骤五 Q值的自动测量00Q值的手动测量Q值的自动测量2. 微波定向耦合器实验n通过使用矢网AV3620测量微波定向耦合器的S参数来了解定向耦合器的特性参数 微波定向耦合器实验步骤n步骤一 调用误差校准后的系统状态n步骤二 选择测量频率与功率参数n步骤三 连接微波定向耦合器测量耦合特性 采用对数幅度模式，观察数据S21的轨迹，找出其在设置频率范围内的最大值，即为耦合器的耦合度，此时的频率值为耦合器的中心频率；选择S12测量，观察数据S12的轨迹及与S21的关系；选择S11和S22测量，采用SWR模式，其值分别为耦合器相应端口的反射系数。 n步骤四 连接微波定向耦合器测量传输特性 选择正向传输测量，采用对数幅度模式，观察S21的轨迹，读出其在中心频率处的数值，即为耦合器的插入损耗；选择S12测量，观察数据S12的轨迹及与S21的关系；选择S11和S22测量，采用SWR模式，其值分别为耦合器相应端口的反射系数。微波定向耦合器测量耦合特性对数幅度模式下数据S21的轨迹对数幅度模式下数据S12的轨迹SWR模式下数据S11的轨迹SWR模式下数据S