微波測量實驗報告北郵

1、微波射頻測量實驗實驗報告學(xué)院：班級：學(xué)號：姓名：班內(nèi)序號：指導(dǎo)老師： 實驗一 微波同軸測量系統(tǒng)的熟悉一、實驗?zāi)康?1、了解常用微波同軸測量系統(tǒng)的組成，熟悉各部分構(gòu)件的工作原理，熟悉其操作和特性。 2、熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測量方法。二、實驗內(nèi)容1、常用微波同軸測量系統(tǒng)的認(rèn)識，簡要了解其工作原理。注意在實驗報告中需畫出微波同軸測量系統(tǒng)圖，并說明各元件和儀器在系統(tǒng)中作用 2、掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測量方法。 注意在實驗報告中給出儀器使用報告包括下列內(nèi)容：a) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能i. 微波同軸測量系統(tǒng)實物圖ii. 主要組成部分及其功能l 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：對RF領(lǐng)域的放

2、大器、衰減器、天線、同軸電纜、濾波器、分支分配器、功分器、耦合器、隔離器、環(huán)形器等RF器件進行幅頻特性、反射特性和相頻特性測量。 l 同軸線：連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和校準(zhǔn)元件或測量元件。 l 校準(zhǔn)元件：對微波同軸側(cè)量系統(tǒng)進行使用前校準(zhǔn)，以盡量減小系統(tǒng)誤差。 l 測量元件：待測量的原件（如天線、濾波器等），可方便地通過同軸線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連起來。iii. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能（1）CRT顯示器顯示儀器當(dāng)前工作狀態(tài)和測試結(jié)果。（2）BEGIN（開始）在測量放大器、濾波器、寬帶無源器件、電纜等被測時能快速、簡便的配置儀器，可引導(dǎo)用戶完成初始步驟，根據(jù)用戶的選擇自動配置儀器。（3）EN

3、TRY（數(shù)據(jù)輸入）數(shù)字鍵、旋輪和上下鍵，用于數(shù)據(jù)輸入。（4）SYSTEM（系統(tǒng)功能）SAVERECALL：存儲或調(diào)用數(shù)據(jù)。HARD COPY：打印或者存儲測量曲線、數(shù)據(jù)。SYSTEM OPTIONS：系統(tǒng)選項。（5）PRESET（復(fù)位）復(fù)位儀器。（6）CONFIGURE（配置）SCALE：設(shè)置垂直方向的分辨率和參考位置等。DISPLAY：顯示設(shè)置。CAL：校準(zhǔn)菜單。MARKER：頻標(biāo)功能鍵。FORMAT：數(shù)據(jù)顯示格式。AVG：平均功能設(shè)置和中頻帶寬設(shè)置。（7）SOURSE（源）FREQ：頻率設(shè)置。SWEEP：設(shè)置掃描方式、掃描時間。POWER：RF信號輸出開關(guān)或者設(shè)置RF信號輸出功率。MENU

4、：設(shè)置掃描點數(shù)及單次掃描、連續(xù)掃描或保持等。（8）MEAS（測量通道）MEAS1：設(shè)置通道1的測量方式。MEAS2：設(shè)置通道2的測量方式。（9）軟鍵對應(yīng)的功能顯示在左邊顯示屏上。（10）亮度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)顯示器亮度。（11）電源開關(guān)打開或關(guān)閉整機電源。（12）U盤接口Usb盤接口（13）RF OUT（射頻輸出）射頻信號輸出口，N型K頭。（14）RF IN（射頻輸入）射頻信號輸入口，N型K頭。b) S 參數(shù)測量步驟（1） 將一個待測的二端口網(wǎng)絡(luò)通過同軸線接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，組成一個微波同軸測量系統(tǒng)（2） 然后經(jīng)過SOLT校準(zhǔn),消除系統(tǒng)誤差；（3） 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上調(diào)處S參數(shù)測量曲線，讀出相應(yīng)的二

5、端口網(wǎng)絡(luò)的S參量，保存為s2p數(shù)據(jù)格式和cst數(shù)據(jù)格式的文件。c) 如何用Smith圓圖顯示所測結(jié)果以及如何與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換TOOLS工具欄下，下拉選項中可得到simth圓圖的顯示以及轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)d) 如何保存所測數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式點擊【文件】>【另存為】，然后選擇相應(yīng)的保存目錄可保存的數(shù)據(jù)格式為.jpg圖片格式。e) 開路校準(zhǔn)件的電容值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))在校準(zhǔn)菜單下的CalKit（校準(zhǔn)件）選項里，打開校準(zhǔn)件的開路件對話框。對應(yīng)公式：C(f)=C0+C1f+C2f2+C3f3f) 短路校準(zhǔn)件的電感值設(shè)定(校準(zhǔn)系數(shù))在校準(zhǔn)菜單下的CalKit（校準(zhǔn)件）選項里，打開校準(zhǔn)件的短路件對話框。對

6、應(yīng)公式：C(f)=L0+L1f+L2f2+L3f3g) 儀器提供什么樣的校準(zhǔn)方法儀器提供SOLT校準(zhǔn)方法，TRL校準(zhǔn)方法等集中校準(zhǔn)方法，實驗中使用SOLT校準(zhǔn)方法，即短接、開路、負(fù)載和直通。三、思考題1、是否可以直接進行電路參數(shù)的測量，為什么？如何從測量的S參數(shù)導(dǎo)出電路參數(shù)答：不可以，因為微波同軸測量系統(tǒng)只能對于微波的入射和反射的電壓電流關(guān)系進行分析。  S參數(shù)到Z參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式如下：   Z=(1-S)-1(1+S)實驗二 微波同軸測量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法一、實驗?zāi)康?1、了解常用微波同軸測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法以及精度。 2、熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的SOLT校準(zhǔn)步驟以及校準(zhǔn)精度

7、驗證方法。二、實驗內(nèi)容1、總結(jié)常用微波同軸測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，了解其校準(zhǔn)原理和優(yōu)缺點。注意在實驗報告中需給出各校準(zhǔn)方法所用校準(zhǔn)件以及說明其工作原理，畫出各校準(zhǔn)方法所用的誤差模型，并解釋各誤差項 所用標(biāo)準(zhǔn)件 SOLT:短路標(biāo)準(zhǔn)件、開路標(biāo)準(zhǔn)件、負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件和直通線 TRL：直通標(biāo)準(zhǔn)件、反射標(biāo)準(zhǔn)件和直通線 工作原理： 利用各種校準(zhǔn)件，求出在不同條件下的外部參數(shù)，利用一系列的運算，導(dǎo)出誤差盒的特征儲存在儀器內(nèi)部，然后就可以從測量數(shù)據(jù)計算出經(jīng)過誤差校準(zhǔn)的S參量。 誤差模型Ø EDF，EDR：反射參數(shù)，衡量VNA耦合器分離前向波和反射波程度，數(shù)值越大越好。小的反射參數(shù)會導(dǎo)致信號的耦合泄漏。

8、6; ERR，ERF：傳輸參數(shù)，誤差與反射測量相關(guān)，可以用短路和屏蔽開路校準(zhǔn)件進行測量。Ø EXF，EXR：隔離，串?dāng)_，誤差與串?dāng)_相關(guān)，可以通過測量接匹配負(fù)載的1口和2口來確定。Ø ESF，ESR以及 ELF，ELR：信號源匹配和負(fù)載匹配，指信號源與50歐姆負(fù)載的匹配程度以及負(fù)載的質(zhì)量，這些誤差可以通過測量S11和S22確定。Ø ETF，ETR：傳輸參數(shù)，誤差與傳輸測量相關(guān)，通過測量1、2口互連時的傳輸確定。Ø 網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)即是通過數(shù)學(xué)的方法消除以上誤差項，得到被測器件真實參量(Sa11，Sa12，Sa21，Sa22)的過程。TRL和SOLT的優(yōu)缺點

9、Ø TRL方法：計算簡單，但該方法需要網(wǎng)絡(luò)分析儀具有四個接收機，分別檢測信號a0,a1,b0,b3（以正向為例）; SOLT方法：只需要三個校準(zhǔn)件，分別檢測信號a0,b0,b3； Ø TRL方法：僅需要簡單的校準(zhǔn)件，不需要理想的強反射件（理想的開路或短路），并且傳輸線校準(zhǔn)件比較容易實現(xiàn);SOLT方法：需要很多的校準(zhǔn)件，并且校準(zhǔn)件的性能指標(biāo)對校準(zhǔn)結(jié)果的影響較大； Ø SOLT方法：比較適用于同軸環(huán)境，也可以用于高頻探針和在片測量; TRL方法：比較適用與非同軸環(huán)境，例如共面波導(dǎo)，微帶線等； Ø TRL方法：傳輸線的工作頻帶和起始頻率的關(guān)系是8：1，因此TR

10、L校準(zhǔn)是窄帶的，寬帶的TRL校準(zhǔn)需要多個不同長度的線，這樣會浪費面積； SOLT方法：是寬帶的。 Ø SOLT校準(zhǔn)方法得到的測試結(jié)果明顯優(yōu)于TRL。另外在校準(zhǔn)和測試過程中，采用TRL校準(zhǔn)方式的測試由于不同的傳輸線適應(yīng)不同帶寬的校準(zhǔn)頻率范圍，校準(zhǔn)和測試必須分段進行，所以在測試結(jié)果中可以看到曲線的不連續(xù)性。2、掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的SOLT校準(zhǔn)步驟以及校準(zhǔn)精度驗證方法。 注意在實驗報告中包括下列內(nèi)容：a) 校準(zhǔn)前測量各校準(zhǔn)件（開路、短路、匹配和直通）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù)1) 直通2) 短路3) 開路4) 負(fù)載b) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SOLT的校準(zhǔn)步驟(1) 按CAL鍵激活校準(zhǔn)菜單;(2) 按St

11、art Cal鍵進入下一級校準(zhǔn)菜單;(3) 按Two-Port P1 P2鍵選擇2端口校準(zhǔn)，并進入下一級菜單;(4) 按TOSM鍵選擇TOSM校準(zhǔn)方式，選擇正確的接頭形式（Connector），注意這里的接頭指的是測試電纜的接頭形式，不是標(biāo)準(zhǔn)件的接頭形式，以及正確的校準(zhǔn)件（Calibration Kit）的型號。(5) 點擊“Next”鍵，進入校準(zhǔn)菜單，SOLT校準(zhǔn)共有7個步驟：在1端口接開路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點擊“開路open”。 在1端口接短路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點擊“短路Short”。 在1端口接負(fù)載校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點擊“負(fù)載Load”。&

12、#160;在2端口接開路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點擊“開路Open”。 在2端口接短路校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點擊“短路Short”。 在2端口接負(fù)載校準(zhǔn)件，用鼠標(biāo)點擊“負(fù)載Load”。 在1端口和2端口之間接直通校準(zhǔn)件, 用鼠標(biāo)點擊“直通Through”,同時下方的”Apply”鍵也生效。點擊“Apply”，使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)生效。c) 校準(zhǔn)后測量各校準(zhǔn)件（開路、短路、匹配和直通）S參數(shù)，并保存數(shù)據(jù)1) 直通2) 短路3) 開路4) 負(fù)載d) 比較校準(zhǔn)前后校準(zhǔn)件（開路、短路、匹配和直通）的S參數(shù)，解釋說明各條曲線，并指出所做校準(zhǔn)的精度情況答：分析比較校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過校

13、準(zhǔn)后有效的減少了原來的誤差，帶寬的微弱變化雖然很小，但是對于誤差來說還是足夠證明每次連接測量器件之前校準(zhǔn)步驟都是必要的，而且在校準(zhǔn)過程中，有校準(zhǔn)之后的圖形可分析：在Smith圓圖上，開路和短路不再是一圈圈纏繞的線，已經(jīng)減少到靠近開路和短路點的一段線，匹配點經(jīng)過校準(zhǔn)后已經(jīng)非常接近理論上的一個點而不是一個區(qū)域。所以，校準(zhǔn)之后的測量才是符合實際的近乎標(biāo)準(zhǔn)值，在未校準(zhǔn)時進行的測量只能大概估計下元件的類型及帶寬，對于精確的參數(shù)測量未校準(zhǔn)時是完全不符合標(biāo)準(zhǔn)的。3、自制TRL校準(zhǔn)件進行校準(zhǔn)，編制TRL校準(zhǔn)程序。推導(dǎo)出所用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差模型，并以Matlab畫圖的形式給出。l 代碼 T1=load(&#

14、39;T11.s2p');%直通測量參數(shù)文件讀取T2=load('T21.s2p');%直通測量參數(shù)文件讀取R_1=load('R11.s1p');%端口1反射測量參數(shù)文件讀取L1=load('L11.s2p');%傳輸線測量參數(shù)文件讀取L2=load('L12.s2p');%傳輸線測量參數(shù)文件讀取 m,n = size(L1)f = T1(1:m,1);T_11 = 10.(T1(1:m,2)./10)%T1(1:m,2);T_12 = 10.(T2(1:m,4)./10)%T2(1:m,4);R_11 = 10.(R_

15、1(1:m,2)./10)%R_1(1:m,2);L_11 = 10.(L1(1:m,2)./10)%L1(1:m,2);L_12 = 10.(L2(1:m,4)./10)%L2(1:m,4);S_11 = zeros(m);S_12 = zeros(m);S_21 = zeros(m);S_22 = zeros(m);D_11 = zeros(m);D_12 = zeros(m);D_21 = zeros(m);D_22 = zeros(m);M_11 = zeros(m);M_12 = zeros(m);M_21 = zeros(m);M_22 = zeros(m);S = zeros(2

16、,2);%對應(yīng)矩陣【ABCD】M = zeros(2,2);%對應(yīng)矩陣【AmBmCmDm】DUT = zeros(2,2);%對應(yīng)矩陣【A'B'C'D'】qijian11=load('trl_ouheqi_zhitong_s11.s2p');%注意，數(shù)據(jù)文件開頭刪除，只保留純數(shù)據(jù)，以耦合器_直通為例qijian_s11=10.(qijian11(1:m,2)/10);%gongfenqi11(1:m,2);qijian21=load('trl_ouheqi_zhitong_s21.s2p');qijian_s21=10.(qiji

17、an21(1:m,4)/10);%gongfenqi21(1:m,4);P11=;%用于作圖 校準(zhǔn)前P12=;P21=;P22=;P_11=;%校準(zhǔn)后P_12=;P_21=;P_22=;e_11=;%誤差矩陣e_12=;e_21=;e_22=;for i=1:me=(L_12(i)2+T_12(i)2-(T_11(i)-L_11(i)2-sqrt(L_12(i)2+T_12(i)2-(T_11(i)-L_11(i)2)2-4*L_12(i)2*T_12(i)2)/(2*L_12(i)*T_12(i)S_22(i) =(T_11(i)-L_11(i)/(T_12(i)-L_12(i)*e);S_

18、11(i) = T_11(i)-S_22(i)*T_12(i);S_12(i) = sqrt(T_12(i)*(1-S_22(i)2);S_21(i) = S_12(i);S(1,1) = S_11(i);S(1,2) = S_12(i);S(2,1) = S_21(i);S(2,2) = S_22(i); M_11(i) = qijian_s11(i);M_21(i) = qijian_s21(i);M_12(i) = M_21(i);M_22(i) = M_11(i);M(1,1) = M_11(i);M(1,2) = M_12(i);M(2,1) = M_21(i); M(2,2) =

19、M_22(i); DUT = S_11(i) S_12(i); S_21(i) S_22(i)(-1)*M_11(i) M_12(i); M_21(i) M_22(i)*S_11(i) S_12(i); S_21(i) S_22(i);P11(i)=10*log10(M_11(i);P_11(i)=10*log10(DUT(1,1);endfigure;plot(f,P11);%校準(zhǔn)前xlabel('f/Hz');ylabel('db');figure;plot(f,P_11);%校準(zhǔn)后xlabel('f/Hz');ylabel('db&

20、#39;);l 實驗截圖1. 校準(zhǔn)前2. 校準(zhǔn)后實驗三 利用微波同軸測量系統(tǒng)進行實際器件測量一、實驗?zāi)康?1、利用SOLT校準(zhǔn)方法進行微波同軸測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)2、測量功分器、耦合器和濾波器的實際性能二、實驗內(nèi)容1、存儲測量結(jié)果，并通過測量結(jié)果了解功分器、耦合器和濾波器的工作原理以及性能，報告中包括以下內(nèi)容a) 功分器、耦合器和濾波器的S參數(shù)測量曲線1) 功分器校準(zhǔn)前2) 功分器校準(zhǔn)后3) 耦合器校準(zhǔn)前4) 耦合器校準(zhǔn)后5) 濾波器校準(zhǔn)前6) 濾波器校準(zhǔn)后7) 天線校準(zhǔn)前8) 天線校準(zhǔn)后b) 通過分析其S參數(shù)，了解功分器、耦合器和濾波器所組成的網(wǎng)絡(luò)的特性（是否為對稱性、互易性和無耗性？）。答：S1

21、1 是S參數(shù)中的一個，表示回波損耗特性，一般通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數(shù)表示天線的發(fā)射效率好不好，值越大，表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的效率就越差。對于濾波器來說，通帶增益主要由濾波器的S21參數(shù)確定。阻帶增益也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。通帶反射系數(shù)由濾波器的S11參數(shù)確定。在進行設(shè)計時，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化的曲線上。S11（S22）參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過大，就會導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級匹配，使系統(tǒng)性能下

22、降。對于天線，由于是單端口器件，故只有S11的結(jié)果，在工作頻率點處，S11（回波損耗）很小，即全部能量發(fā)射出去。對于濾波器,可以看出，是良好的帶通濾波器，且同頻帶較窄2、在分別經(jīng)過校準(zhǔn)和沒有校準(zhǔn)的情況下測量功分器、耦合器和濾波器的性能，比較兩類測量結(jié)果，給出實驗報告，包括以下內(nèi)容：a) 未校準(zhǔn)和校準(zhǔn)后功分器、耦合器和濾波器測量曲線比較1）隔離度校準(zhǔn)前后2）耦合器S11，S21校準(zhǔn)前后分析：由上圖可以看出，調(diào)整前后曲線變得更加平滑了，且方向性變好，帶通濾波器1的S11參數(shù)曲線可以看出，衰減到10dB，S參數(shù)突變小，表明在此頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)導(dǎo)通，實現(xiàn)帶通，但是校準(zhǔn)前后最大衰減量變大，說明濾波在中心頻

23、率處性能更好。b) 結(jié)合實驗二指出對于三個器件，十二項誤差模型中哪個誤差項的影響比較大，原因是什么？答：實驗二指出對于三個器件，十二項誤差模型中影響比較大的誤差項為：ETF、ETR 傳輸跟蹤誤差和ERF、ERR 反射跟蹤誤差，因為測試電纜等在工作頻帶范圍內(nèi)其特性都會存在變化。c) 通過測量結(jié)果分析三個器件的工作原理答：濾波器原理：濾波器是減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件，濾波器可以用于消除干擾，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到一個特定頻率或消除一個特定頻率，濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。有實驗結(jié)果知，濾波器只能通過特定頻段的信號，二隊其余頻段的信號有較大的衰減，通過衰減來得到我們所需的信號。耦合器原理：在微波系統(tǒng)中，往往需