微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：姓名： 學(xué)號(hào)：班內(nèi)序號(hào)：一、 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)1. 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的組成圖1 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)圖各元件和儀器在系統(tǒng)中的作用：(1) 掃描振蕩器：產(chǎn)生頻率在一定范圍內(nèi)周期性線性變化的掃頻信號(hào)(2) 功率分配器：將掃頻信號(hào)分為功率相等的兩路信號(hào)，一路VA作為測(cè)試信號(hào)，另一路VR作為參考信號(hào)(3) 本振VCO：產(chǎn)生與掃頻信號(hào)頻率差一定的較高頻信號(hào)，用于混頻得到中頻信號(hào)(4) 中頻濾波器：濾出混頻后的中頻信號(hào)，以便進(jìn)行幅度和相位比較(5) 幅度比較器：比較中頻測(cè)試信號(hào)和中頻參考信號(hào)的幅度(6) 相位檢測(cè)器：檢測(cè)中頻測(cè)試信號(hào)和中頻參考信號(hào)的相位差在本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中我們使用AV365

2、80A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer）作為測(cè)量?jī)x器。2. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作以及測(cè)量方法(1) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的面板組成以及各部分功能圖2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(a) 光標(biāo)/分析部分：光標(biāo)：插入、選擇、刪除光標(biāo) (b) 響應(yīng)部分：測(cè)量：改變測(cè)量值（S11、S21、S12、S22）格式：改變繪圖格式（幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)或者Smith圓圖）比例：改變坐標(biāo)單位（線性坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)）校準(zhǔn)：校準(zhǔn)測(cè)量端口（SOLT法、TRL法）(c) 激勵(lì)部分：起始：改變掃頻起始頻率終止：改變掃頻終止頻率中心：改變掃頻中心頻率(d) 調(diào)節(jié)部分：通過旋鈕和按鍵調(diào)節(jié)光標(biāo)位置或者數(shù)值大小(e) 輸入

3、部分：通過按鍵改變改變數(shù)值大小(2) S參數(shù)測(cè)量步驟(a) 在測(cè)量前提前打開分析儀，進(jìn)行預(yù)熱(b) 根據(jù)待測(cè)器件設(shè)定參數(shù)(c) 用校準(zhǔn)件對(duì)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)(d) 連接待測(cè)器件，進(jìn)行測(cè)量(3) 如何用Smith圓圖顯示所測(cè)結(jié)果以及如何與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)擊儀器面板響應(yīng)部分的格式按鈕，選擇Smith圓圖；也可以選擇直角坐標(biāo)。(4) 如何保存所測(cè)數(shù)據(jù)，以及可存的數(shù)據(jù)格式點(diǎn)擊儀器面板功能部分的保存按鈕，選擇另存為，然后選擇保存目錄，可保存為.jpg圖片格式。(5) 了解儀器提供的校準(zhǔn)方法（SOLT）SOLT校準(zhǔn)是比較常用的一種方法，能夠提供優(yōu)異的精度和可重復(fù)性。儀器經(jīng)過正確的SOLT校準(zhǔn)后，可以測(cè)量百分之一

4、分貝數(shù)量級(jí)的功率和毫度數(shù)量級(jí)的相位。常用的校準(zhǔn)套件中都包含SOLT標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。3. 思考題是否可以直接進(jìn)行電路參數(shù)的測(cè)量，為什么？如何從測(cè)量的S參數(shù)導(dǎo)出電路參數(shù)。不可以直接進(jìn)行測(cè)量，需要先進(jìn)行校準(zhǔn)。電路Z參數(shù)可以由下式導(dǎo)出：二、 微波同軸測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法1. 常用校準(zhǔn)方法(1) SOLT校準(zhǔn)方法SOLT校準(zhǔn)方法要求使用短路、開路和負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。如果被測(cè)件為多端口網(wǎng)絡(luò)，還需要分別為公母連接頭提供對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，連接兩個(gè)測(cè)量平面，形成直通連接。這種校準(zhǔn)方法使用12項(xiàng)誤差修正模型，其中被測(cè)件的正向誤差有6項(xiàng)，如圖3，反向有6項(xiàng)，如圖4。圖3 12項(xiàng)誤差修正模型正向誤差圖4 12項(xiàng)誤差修正模型反向誤

5、差12項(xiàng)誤差模型各誤差項(xiàng)說明：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(huì)導(dǎo)致信號(hào)的耦合泄漏；ERR，ERF：傳輸參數(shù)，誤差與反射測(cè)量相關(guān)，可以用短路和屏蔽開路校準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量；EXF，EXR：隔離，串?dāng)_，誤差與串?dāng)_相關(guān)，可以通過測(cè)量接匹配負(fù)載的1口和2口來確定；ESF，ESR以及 ELF，ELR：信號(hào)源匹配和負(fù)載匹配，指信號(hào)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(cè)量S11和S22確定；ETF，ETR：傳輸參數(shù)，誤差與傳輸測(cè)量相關(guān)，通過測(cè)量1、2口互連時(shí)的傳輸確定。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(xiàng)，得到被測(cè)器件

6、真實(shí)參量(S11，S12，S21，S22)的過程。(2) TRL校準(zhǔn)方法TRL校準(zhǔn)方法要求使用直通、反射、延遲線/匹配負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件。這種校準(zhǔn)方法使用10項(xiàng)或8項(xiàng)誤差修正模型，如圖5。圖5 8項(xiàng)誤差修正模型(3) SOLT與TRL的比較根據(jù)SOLT和TRL校準(zhǔn)過程的誤差模型分析，我們可以得到這樣幾個(gè)結(jié)論：(a) TRL方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但該方法需要網(wǎng)絡(luò)分析儀具有四個(gè)接收機(jī)，分別檢測(cè)信號(hào)a0,a1,b0,b1（以正向?yàn)槔?，而SOLT方法只需要三個(gè)，分別檢測(cè)信號(hào)a0,b0,b1；(b) TRL方法僅需要簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)件，不需要理想的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)；而SOLT方法則

7、需要很多的校準(zhǔn)件，并且校準(zhǔn)件的性能指標(biāo)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響較大；(c) 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(cè)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；(d) TRL方法中，傳輸線的工作頻帶和起始頻率的關(guān)系是8：1，因此TRL校準(zhǔn)是窄帶的，寬帶的TRL校準(zhǔn)需要多個(gè)不同長(zhǎng)度的線，這樣會(huì)浪費(fèi)面積；而SOLT方法是寬帶的。SOLT校準(zhǔn)方法得到的測(cè)試結(jié)果明顯優(yōu)于TRL。另外在校準(zhǔn)和測(cè)試過程中，采用TRL校準(zhǔn)方式的測(cè)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(cè)試必須分段進(jìn)行，所以在測(cè)試結(jié)果中可以看到曲線的不連續(xù)性。2. SOLT校準(zhǔn)及驗(yàn)證(1) 校準(zhǔn)前各校準(zhǔn)件

8、S參數(shù)短路開路負(fù)載(2) SOLT校準(zhǔn)步驟(a) 點(diǎn)擊儀器面板響應(yīng)部分校準(zhǔn)按鈕，選擇SOLT校準(zhǔn)(b) 選擇“前向反射校準(zhǔn)”，依次將三種反射校準(zhǔn)件（短路、開路、負(fù)載）連接到端口1，然后點(diǎn)擊進(jìn)行對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)，全部完成后選擇下方“完成前向反射校準(zhǔn)”(c) 選擇“后向反射校準(zhǔn)”，仿照上一步操作校準(zhǔn)端口2(d) 選擇“傳輸校準(zhǔn)”，將端口1和端口2通過直通校準(zhǔn)件連接，點(diǎn)擊“完成傳輸校準(zhǔn)”(e) 上述步驟全部完成后，點(diǎn)擊“完成校準(zhǔn)”保存校準(zhǔn)結(jié)果(3) 校準(zhǔn)后各校準(zhǔn)件S參數(shù)短路開路負(fù)載(4) 曲線說明(a) 開路：=1，|S|=1，dB值為0。Smith圓圖表現(xiàn)為從開路點(diǎn)隨頻率變化順時(shí)針沿圓周移動(dòng)，校準(zhǔn)后曲線嚴(yán)

9、格沿邊緣移動(dòng)，并且曲線平滑。(b) 短路：=-1，|S|=1，dB值為0。Smith圓圖表現(xiàn)為從短路點(diǎn)隨頻率變化順時(shí)針沿圓周移動(dòng)，校準(zhǔn)后曲線嚴(yán)格沿邊緣移動(dòng)，并且曲線平滑。(c) 匹配：=0，|S|=1，dB值為負(fù)無窮。Smith圓圖表現(xiàn)為圓心一點(diǎn)。從上面的圖中可以看到校準(zhǔn)前各條曲線有誤差，校準(zhǔn)后從圖中看不出誤差，說明校準(zhǔn)精度比較高。三、 利用微波同軸測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際器件測(cè)量1. 天線(1) S參數(shù)測(cè)量曲線(2) 曲線分析天線是單端口網(wǎng)絡(luò)，S參數(shù)是端口反射波與入射波之比。從上圖可以看出，在頻率小于2GHz時(shí)，dB值接近0，|S|接近1，說明低頻信號(hào)基本從端口被反射回來，能量沒有通過天線發(fā)射出去；

10、頻率在2.3GHz附近時(shí)，dB值接近-20，|S|接近0.01，說明此頻率附近反射信號(hào)小，能量通過天線被輻射出去。實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，如果天線附近有遮擋，凹陷部分的曲線會(huì)上移，這說明輻射功率減小，與上面的分析吻合。2. 帶通濾波器(1) S11,S21測(cè)量曲線(2) 曲線分析濾波器是雙端口網(wǎng)絡(luò)，S11是在端口2無入射波（接匹配負(fù)載）的情況下，端口1反射波與入射波之比；S21是在端口2無入射波（接匹配負(fù)載）的情況下，端口2反射波與端口1入射波之比，可理解為網(wǎng)絡(luò)的輸出與輸入之比。從S11圖可以看出光標(biāo)頻率附近|S11|較小，反射信號(hào)小，說明信號(hào)進(jìn)入濾波器；其他頻率|S11|接近1，反射信號(hào)接近入射信

11、號(hào)，說明信號(hào)被反射回來。對(duì)照S22圖，頻率在兩光標(biāo)之間|S21|接近1，端口2出射信號(hào)接近端口1入射信號(hào)，說明這部分信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)后衰減?。黄渌l率|S21|較小，端口2出射信號(hào)小，說明濾波器對(duì)這部分信號(hào)有很大衰減，基本被濾除。S21圖上兩光標(biāo)對(duì)應(yīng)-3dB點(diǎn)，可得帶通濾波器帶寬約為120MHz，中心頻率約為1.3GHz。四、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)其實(shí)這并不是我第一次接觸矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，之前在參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的時(shí)候，由于需要測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的高頻特性，我就在老師的指導(dǎo)下接觸過它。但當(dāng)時(shí)只會(huì)直接接線測(cè)量，根本不清楚它的工作原理，更別提校準(zhǔn)操作了。在經(jīng)過了近一個(gè)學(xué)期系統(tǒng)的微波理論課學(xué)習(xí)后，我對(duì)微波技術(shù)有了些了解，對(duì)S參數(shù)的意義有了較深入的認(rèn)識(shí)，也開始