微波测量实验

1、北京邮电大学微波测量实验 学院： 电子工程学院班号： 2014211202 学号： 2014210 姓名： 班内序号： 目录实验一微波同轴测量系统的熟悉3一、实验目的3二、实验内容3三、思考题7实验二微波同轴测量系统校准方法8一、实验目的8二、实验内容8实验三 利用微波同轴测量系统进行实际器件测量20一、实验目的20二、实验内容20三、实验结果截图及分析21MATLAB代码：31实验心得42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

2、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) 矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能（1） 微波同轴测量系统实物图（2） 主要组成部分及其功能 ² 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

3、器件进行幅频特性、反射特性和相频特性测量。  ²  同轴线：连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。  ²  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。  ²  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。 （3）矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能面板组成功能CRT显示器显示仪器当前工作状态和测试结果。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、简便的配臵仪

4、器，可引导用户完成初始步骤，根据用户的选择自动配臵仪器。ENTRY （数据输入） 数字键、旋轮和上下键，用于数据输入。SYSTEM （系统功能） SAVERECALL：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。PRESET （复位） 复位仪器。CONFIGURE（配置）SCALE：设臵垂直方向的分辨率和参考位臵等。DISPLAY：显示设臵。 CAL：校准菜单。 MARKER：频标功能键。 FORMAT

5、：数据显示格式。 AVG：平均功能设臵和中频带宽设臵。SOURSE （源）FREQ：频率设臵。 SWEEP：设臵扫描方式、扫描时间。 POWER：RF信号输出开关或者设臵RF信号输出功率。 MENU：设臵扫描点数及单次扫描、连续扫描或保持等。MEAS （测量通道）MEAS1：设臵通道1的测量方式。 MEAS2：设臵通道2的测量方式。软键 对应的功能显示在左边显示屏上。亮度调节旋钮调节显示器亮度。电源开关 打开或关闭整机电源U盘接口 Usb盘接口RF OUT （射频输出）

6、60;射频信号输出口，N型K头。RF IN （射频输入） 射频信号输入口，N型K头。b) S 参数测量步骤 （1） 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 （2） 然后经过SOLT校准,消除系统误差； （3） 在矢量网络分析仪上调处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数据格式的文件。 c) 如何用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

7、simth圆图的显示以及转换直角坐标 d) 如何保存所测数据，以及可存的数据格式 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。 e) 开路校准件的电容值设定(校准系数) 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。对应公式：C(f)=C0+C1f+C2f2+C3f3 f) 短路校准件的电感值设定(校准系数) 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。对应公式：C(f)=L0+L1f+L2f2+L

8、3f3 g) 仪器提供什么样的校准方法 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校准方法，即短接、开路、负载和直通。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 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：      z11z12z21z22=z01+s11s12s211+s221-s1

9、1-s12-s211-s22-1             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、实验内容 1、总结常用微波同轴测量系统的校准方法，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

10、所用的误差模型，并解释各误差项    所用标准件      SOLT:短路标准件、开路标准件、负载标准件和直通线      TRL：直通标准件、反射标准件和直通线    工作原理：利用各种校准件，求出在不同条件下的外部参数，利用一系列的运算，导出误差盒的特征储存在仪器内部，然后就可以从测量数据计算出经过误差校准的S参量。 误差模型² 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

11、越好。小的反射参数会导致信号的耦合泄漏。² 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。² 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。² 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。² 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。² 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，Sa

12、21，Sa22)的过程。 TRL和SOLT的优缺点² 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）; SOLT方法：只需要三个校准件，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; SOLT方法：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；  ² 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;  

13、;TRL方法：比较适用与非同轴环境，例如共面波导，微带线等；² TRL方法：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； SOLT方法：是宽带的。² 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。 注意在实验报告中包括下列内容：1) 校准前测量各校准件S参

14、数，并保存数据a)校准前开路图：b)校准前短路图:c)校准前负载图d）校准前直通图f）校准前的反射2)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。3）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 a)校准后开路对数图及simth圆图s参数初始在1位置，随着频率变话顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线较平滑。 b)校准后短路对数图及simth圆图s参数初始在-1位置，随着频率变话顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线较平滑。 c)校准后负载对数

15、图及simth圆图 s参数始终位于Smith原图中心。校准后参数不在发散，位于单位圆中心。d）校准后直通对数图4） 经过对比可以发现 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

16、，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，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。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

17、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；b) 通过分析其S参数，了解各器件所组成的网络的特性。2、给出分别经过TRL和SOLT校准和没有校准的情况下各器件的测量性能，比较两类测量

18、结果，给出实验报告，包括以下内容：a) 未校准和TRL校准后各器件测量曲线比较；b) 未校准和SOLT校准后各器件测量曲线比较；c) 比较分析TRL和SOLT校准方法的测量精度。三、实验结果截图及分析 a）测量天线：校准前的天线，S11截图：校准后的天线，S11截图： 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频率值是该天线发射时能有较好的性能。b）测量滤波器：校准前的滤波器：校准后的滤波器，S11：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，逐渐趋于平缓，然后

19、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。c）测量耦合器：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。校准前的耦合器：l 耦合器 隔离 S11l 耦合器 耦合 S11l 耦合器 传输 S11

20、l 校准后的耦合器：l 耦合器 隔离S21:l 耦合器 耦合S21:l 耦合器 传输S21:d)测量功分器校准前的功分器：S11截图：校准后的功分器：功分器 隔离S21：功分器 传输 S11 、S21：MATLAB代码：main.mclc;clear all;S11,S22,S12,Freq = TRL();A,B,C,D = SPara_TransferToABCD(S11,S22,S12,S12);invA,invB,invC,invD = invABCD(A,B,C,D);while 1disp(1、滤波器');disp(2、功分器');disp(3、耦合器隔离端'

21、;);disp(4、耦合器耦合端');disp(5、耦合器直通端');disp(6、天线');DeviceNumber = input('请输入要处理的微波器件,输入0退出:');if DeviceNumber = 0 return;end S11Device,S21Device,S12Device,S22Device = getSPara(DeviceNumber); Am,Bm,Cm,Dm = SPara_TransferToABCD( S11Device,S22Device,S12Device,S21Device );%计算DUT的ABCD参量AF

22、 = zeros(201,1);BF = zeros(201,1);CF = zeros(201,1);DF = zeros(201,1);for N = 1:201 ABCD = A(N),B(N);C(N),D(N); %误差盒ABCD矩阵 ABCDinv = invA(N),invB(N);invC(N),invD(N); %误差盒ABCD逆矩阵 ABCDm = Am(N),Bm(N);Cm(N),Dm(N); %DUT的ABCD矩阵 ABCDf = ABCDinv*ABCDm*ABCD; AF(N) = ABCDf(1,1); BF(N) = ABCDf(1,2); CF(N) = A

23、BCDf(2,1); DF(N) = ABCDf(2,2);endS11F,S21F = ABCD_TransferToSPara( AF,BF,CF,DF );subplot(1,2,1);plot(Freq,-20*log10(abs(S11F);axis(3*105 3*109 -50 50);subplot(1,2,2);plot(Freq,-20*log10(abs(S21F);axis(3*105 3*109 -50 50);endTRL.mfunction S11,S22,S12,Freq = TRL()%导入T部分数据Data_T_S11 = read(rfdata.data,

24、'TRL-T-S11.s2p');Data_T_S21 = read(rfdata.data,'TRL-T-S21.s2p');Freq = Data_T_S11.Freq;S11_2 = Data_T_S11.S_Parameters(1,1,:);T11 = reshape(S11_2,201,1);S21 = Data_T_S21.S_Parameters(2,1,:);T12 = reshape(S21,201,1);%导入R部分数据Data_R_S11 = read(rfdata.data,'TRL-R-S11.s1p');S11_2

25、= Data_R_S11.S_Parameters(1,1,:);R11 = reshape(S11_2,201,1);%导入L部分数据Data_L_S11 = read(rfdata.data,'TRL-L-S11.s2p');Data_L_S21 = read(rfdata.data,'TRL-L-S21.s2p');S11_2 = Data_L_S11.S_Parameters(1,1,:);L11 = reshape(S11_2,201,1);S21 = Data_L_S21.S_Parameters(2,1,:);L12 = reshape(S21,2

26、01,1);clear S11;clear S21;%计算传播因子e(-l)l = 66.1*10(-3); %传输线长度66.1mmOne = ones(201,1); %Propagation1为取正好的传播因子e(-l)，2为取负号的传播因子e(-l)Propagation1 = (L12.2+T12.2-(T11-L11).2+(L12.2+T12.2-(T11-L11).2).2-4.*(L12.2).*(T12.2).0.5)./(2.*L12.*T12);Propagation2 = (L12.2+T12.2-(T11-L11).2-(L12.2+T12.2-(T11-L11).

27、2).2-4.*(L12.2).*(T12.2).0.5)./(2.*L12.*T12); %分别计算两种情况的S22，S11，S12，值S22_1 = (T11-L11)./(T12-L12.*Propagation1);S11_1 = (T11-S22_1.*T12);S12_1 = (T12.*(One-S22_1.2).0.5;GammaL1 = (R11-S11_1)./(S12_1.2+S22_1.*(R11-S11_1);S22_2 = (T11-L11)./(T12-L12.*Propagation2);S11_2 = (T11-S22_2.*T12);S12_2 = (T12

28、.*(One-S22_2.2).0.5;GammaL2 = (R11-S11_2)./(S12_2.2+S22_2.*(R11-S11_2); %求两种情况的的相位以取舍AngleGammaL1 = angle(GammaL1);AngleGammaL2 = angle(GammaL2);Angle = zeros(201,1);S22 = zeros(201,1);S11 = zeros(201,1);S12 = zeros(201,1); %遍历两种情况下的相位矩阵，挑选相位0,内的情况，取出其S22，S11，S12值for N = 1:201 if AngleGammaL1(N)>

29、0 Angle(N) = AngleGammaL1(N); S22(N) = S22_1(N); S11(N) = S11_1(N); S12(N) = S12_1(N); end if AngleGammaL2(N)>0 Angle(N) = AngleGammaL2(N); S22(N) = S22_2(N); S11(N) = S11_2(N); S12(N) = S12_2(N); endendendgetSPara.mfunction S11Device,S21Device,S12Device,S22Device = getSPara( DeviceNumber )%UNTIT

30、LED4 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes hereswitch DeviceNumber case 1 Data_S = read(rfdata.data,'Filter.s2p'); case 2 Data_S = read(rfdata.data,'GongFenqi.s2p'); case 3 Data_S = read(rfdata.data,'GeliDuan.s2p'); case 4 Data_S = read(rfdata.data,

31、9;OuheDuan.s2p'); case 5 Data_S = read(rfdata.data,'ZhitongDuan.s2p'); case 6 Data_S = read(rfdata.data,'TianXian.s1p'); otherwise disp(输入不正确，请重新输入');end S11 = Data_S.S_Parameters(1,1,:);S21 = Data_S.S_Parameters(2,1,:);S22 = Data_S.S_Parameters(2,2,:);S12 = Data_S.S_Paramete

32、rs(1,2,:); S11Device = reshape(S11,201,1);S21Device = reshape(S21,201,1);S22Device = reshape(S22,201,1);S12Device = reshape(S12,201,1); endSPara_TransferToABCD.mfunction A,B,C,D = SPara_TransferToABCD( S11,S22,S12,S21 )%UNTITLED2 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes hereA =

33、zeros(201,1);B = zeros(201,1);C = zeros(201,1);D = zeros(201,1);for N = 1:201 S = S11(N)*S22(N)-S12(N)*S21(N); A(N) = (1+S11(N)-S22(N)-S)/(2*S21(N); B(N) = (1+S11(N)+S22(N)+S)/(2*S21(N); C(N) = (1-S11(N)-S22(N)+S)/(2*S21(N); D(N) = (1-S11(N)+S22(N)-S)/(2*S21(N);endendABCD_TransferToSPara.mfunction S

34、11,S21 = ABCD_TransferToSPara( A,B,C,D )%UNTITLED5 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes hereS11 = zeros(201,1);S21 = zeros(201,1);for N = 1:201 S11(N) = (A(N)+B(N)-C(N)-D(N)/(A(N)+B(N)+C(N)+D(N); S21(N) = 2/(A(N)+B(N)+C(N)+D(N);endend invABCD.mfunction invA,invB,invC,invD = invABCD( A,B,C,D )%UNTITLED3 Summary of this function goes here% Detailed explanation goes hereinvA = zeros(201,1);invB = zeros(201,1);invC = z