實(shí)驗(yàn)二微波元件特性參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、微波技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：微波元件特性參數(shù)測量 班 級： 通信 學(xué) 號： U2013 姓 名： 2016年3月31日一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃頻測量微帶諧振器Q值的方法。2、學(xué)會(huì)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量微波定向耦合器的特性參數(shù)。3、掌握使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試微波功率分配器傳輸特性的方法。二 實(shí)驗(yàn)原理1. 微波諧振腔Q值的測量 品質(zhì)因數(shù)Q是表征微波諧振系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)參量，品質(zhì)因素Q描述了諧振系統(tǒng)頻率選擇性的優(yōu)劣及電磁能量損耗程度。它定義為 其中為腔的平均損耗功率，W為腔內(nèi)的儲(chǔ)能。品質(zhì)因素Q的測量方法很多，例如：功率傳輸法、功率反射法、阻抗法等等，通?？筛鶕?jù)待測諧振腔Q值的大小、

2、外界電路耦合的程度及要求的精度等，選用不同的測量方法。本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用掃頻功率傳輸法來測量微帶諧振器的Q值。 功率傳輸法是根據(jù)諧振腔的功率傳輸特性來確定它的Q值。圖2-1表示測量諧振腔功率特性的方框圖。圖2-1 測量諧振腔功率傳輸特性的方框圖當(dāng)微波振蕩源的頻率逐漸改變時(shí)，由于諧振腔的特性，傳輸?shù)截?fù)載的功率將隨著改變，它與頻率的關(guān)系曲線如圖2-2所示。 圖2-2 諧振腔傳輸功率與頻率的關(guān)系曲線根據(jù)功率傳輸法測量諧振腔的等效電路可推得，諧振腔兩端同時(shí)接有匹配微波源和匹配負(fù)載時(shí)的有載品質(zhì)因數(shù)為 （2-1）式（2-1）中為諧振腔的諧振頻率，、是傳輸功率自最大值下降到一半時(shí)的“半功率點(diǎn)”的頻率。與之間的差

3、值為諧振頻率的通頻帶。2. 微波定向耦合器2.1 工作原理與特性參數(shù)定向耦合器是一種有方向性的微波功率分配器件，通常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶線等幾種類型。理想的定向耦合器一般為互易無損四口網(wǎng)絡(luò)，如圖2-3所示。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ式?jīng)過小孔或間隙等耦合機(jī)構(gòu)，將一部分功率耦合到副線中去，由于波的干涉和疊加，使功率僅沿副線中的一個(gè)方向傳輸（稱正方向），而在另一個(gè)方向幾乎沒有或極少功率傳輸（稱反方向）。 圖2-3 定向耦合器方框圖定向耦合器有四個(gè)端口，其作用可由圖2-3所示的四端口網(wǎng)絡(luò)說明。設(shè)圖中1、3為主線，2、4為副線。若波由端口1輸入，則一部分直通端口3輸出

4、，另一部分經(jīng)耦合到端口2輸出，端口4無輸出；或端口4輸出，端口2無輸出。端口3稱為輸出端口，端口2稱為耦合端口，端口4稱為隔離端口。在一定條件下，1、2兩端口彼此隔離，3、4兩端口也彼此隔離。在各端口均接匹配負(fù)載的條件下，可以定義描述定向耦合器的特性參量，主要包括耦合度、方向性、輸入駐波比和工作頻帶等。2.2 微帶線定向耦合器微帶線定向耦合器是由兩條等寬的平行耦合微帶線所構(gòu)成，線長是奇模和偶模波長平均值的1/4，線的各端口都接以匹配負(fù)載，如圖2-4所示。若信號從端口1輸入，則端口2和端口3將有輸出，端口4沒有輸出。由于耦合信號（端口2的輸出）的傳輸方向與輸入信號方向相反，故這種定向耦合器稱為反

5、向定向耦合器。圖2-4 耦合微帶線定向耦合器定向耦合器為什么會(huì)有方向性呢？要具有方向性必須要有兩種以上的耦合因素起作用，使耦合到副線某一端口的能量能夠互相抵消。我們來看一段如圖2-5所示的平行耦合傳輸線。當(dāng)導(dǎo)線1-3中有交變電流流過時(shí)，由于2-4線和1-3線互相靠近，故2-4線中便耦合有能量，此能量是既通過電場（以耦合電容表示）又通過磁場（以耦合電感表示）耦合過來的。通過的耦合，在傳輸線2-4中引起的電流為及；同時(shí)由于的交變磁場的作用，在2-4線上感應(yīng)有電流。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電流的方向與的方向相反，如圖上所示。因此，若能量由端口1輸入，則耦合端口是2端口。而在4端口因?yàn)殡婑詈想娏髋c磁耦合

6、電流的作用相反而能量互相抵消，故4端口是隔離端口。這樣，我們就定性地了解了耦合微帶線定向耦合器具有方向性的原理。圖2-5 耦合線方向性的解釋3微波功率分配器3.1 工作原理 在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要將信號源的功率分別饋送給若干個(gè)分支電路（負(fù)載），就是說，進(jìn)行功率分配，實(shí)現(xiàn)這種功能的射頻器件就稱為功率分配器。由于功率分配器一般為滿足互易定理的無源網(wǎng)絡(luò)，所以功率分配器與合成器是等價(jià)的。 根據(jù)輸出功率的比例，微波功率分配器有等分功率與不等分功率兩類。當(dāng)一個(gè)微波功率平均分成n路時(shí)，稱為n路等分功率分配器，反之，稱為n路不等分功率分配器。微波功率分配器在微波天線的饋線中和微波儀表中都得到了應(yīng)用。大功率微波

7、功率分配器采用同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率微波功率分配器采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)。 功率分配器的具體結(jié)構(gòu)型式很多，最常用的是采用阻抗變換段的功率分配器，一般來說功率分配器都是相等的，圖2-6所示的是兩路微帶功率分配器的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)分支臂長都為，是完全對稱的結(jié)構(gòu)，對稱性保證輸入功率將平均分配于兩個(gè)輸出端，得到同相同模的輸出。圖2-6 兩路微帶功率分配器的結(jié)構(gòu)原理圖 兩分支臂之間接有隔離電阻R，是為了保證兩個(gè)輸出端口的隔離。當(dāng)兩個(gè)輸出端口均為良好匹配時(shí)，對稱性保證各個(gè)傳輸支路是同電位的，故無電流通過隔離電阻，隔離電阻上無功率損耗。但當(dāng)其中一輸出端失配，致使有反射波折回，則此反射功率將分拆開：一部分經(jīng)過隔離電阻

8、到達(dá)另一輸出端；另一部分沿自己支路反射回輸入端，然后又反射回來，沿另一支路到達(dá)另一輸出端。如果隔離電阻尺寸很小而可視為集總元件時(shí)，則它的電長度可近似地認(rèn)為是零。由于各支路的長度為，電長度在中心頻率時(shí)為，因而往返二次的電長度是。因此到達(dá)另一輸出端的兩部分信號是反相的。可以證明，只要適當(dāng)選擇隔離電阻和支線的特征阻抗值，就可以使這兩部分信號幅度相等，因而彼此相消。這就是利用隔離電阻R達(dá)到各分支端口之間的隔離的原理。 經(jīng)過對電路的分析計(jì)算，可以得到隔離電阻R和支線特征阻抗分別應(yīng)該為：和；其中為輸入端微帶傳輸線的特征阻抗，一般都為50。三 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置圖本次實(shí)驗(yàn)主要包括三個(gè)內(nèi)容：一是通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分

9、析儀AV36580掃頻測試微帶諧振器的散射參數(shù)來得到其Q值，實(shí)驗(yàn)裝置連接圖如圖2-7所示，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口接到微帶諧振器模塊的輸入端口1，將微帶諧振器模塊的輸出端口2接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口；二是通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580測量微波定向耦合器的S參數(shù)來熟悉定向耦合器的特性。連接圖如圖2-8、圖2-9所示：（a）測量傳輸特性時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口接到微波定向耦合器的輸入端口，將耦合器的輸出端口接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，耦合端口接50歐姆匹配負(fù)載；（b）測量耦合特性時(shí)，將耦合器的耦合端口接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，輸出端口接50歐姆匹配負(fù)載。三是通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580測試功率分

10、配器的S參數(shù)來得到其傳輸頻率響應(yīng)特性和插入損耗、各端口幅度偏差、端口隔離度等技術(shù)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置連接圖如圖2-10所示，功率分配器的輸入端口1接網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口，功率分配器的一個(gè)輸出端口2接網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，功率分配器的另一個(gè)輸出端口3接匹配負(fù)載。 圖2-7 圖2-8圖2-9 圖2-10四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 微帶諧振器品質(zhì)因數(shù)的掃頻測量實(shí)驗(yàn)n 利用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV36580掃頻測量微帶諧振器的Q值步驟一 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)步驟二 選擇測量參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻率范圍為1GHz-2GHz，將功率電平設(shè)置為-20dBm。步驟三 連接待測件進(jìn)行測量按照實(shí)驗(yàn)裝置連接圖2-7將微帶諧振器模塊

11、與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接好。測量設(shè)置選擇為測量介電常數(shù)測量模塊的參數(shù)的幅度的對數(shù)值，記下幅度的對數(shù)值最大的那個(gè)點(diǎn)的頻率，這個(gè)點(diǎn)的頻率即為微帶諧振器的諧振頻率。還要記下在該諧振頻率點(diǎn)上的幅度的對數(shù)值，這個(gè)值即為微帶諧振器在諧振頻率上的衰減量。然后將光標(biāo)從諧振頻率開始向兩邊移動(dòng)，記下衰減量比小3dB點(diǎn)處的頻率分別為和。步驟四 進(jìn)行計(jì)算 將測得的頻率、和代入到式（2-1）中，就可以計(jì)算出被測的微帶諧振器的品質(zhì)因素Q的值。f1=1.29449GHz, f2=1.33825GHzf0=1.31637GHz 29.909步驟五 Q值的自動(dòng)測量 網(wǎng)絡(luò)分析儀能自動(dòng)計(jì)算顯示帶寬、中心頻率、質(zhì)量因子(定義為電路諧振頻率與

12、其帶寬的比例)，和被測件在中心頻率下的損耗。這些值在光標(biāo)數(shù)據(jù)讀出區(qū)中顯示。Q0=30.0792. 微波定向耦合器實(shí)驗(yàn)n 使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測量微帶線定向耦合器的S參數(shù)。步驟一 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)步驟二 選擇測量參數(shù) 設(shè)置頻率范圍：起始頻率為700 MHz，終止頻率為1000 MHz設(shè)置源功率：將功率電平設(shè)置為-20dBm步驟三 連接待測器件測量耦合特性按照耦合特性測量裝置圖2-9連接待測器件；采用對數(shù)幅度模式，觀察數(shù)據(jù)S21的軌跡，找出其在設(shè)置頻率范圍內(nèi)的最大值，即為耦合器的耦合度，此時(shí)的頻率值為耦合器的中心頻率；選擇S12測量，觀察數(shù)據(jù)S12的軌跡及與S21的關(guān)系；選擇S1

13、1和S22測量，采用SWR模式，其值分別為耦合器相應(yīng)端口的反射系數(shù)。 步驟四 連接待測器件測量傳輸特性按照傳輸特性測量裝置圖2-9連接待測器件；選擇正向傳輸測量，采用對數(shù)幅度模式，觀察S21的軌跡，讀出其在中心頻率處的數(shù)值，即為耦合器的插入損耗；選擇S12測量，觀察數(shù)據(jù)S12的軌跡及與S21的關(guān)系；選擇S11和S22測量，采用SWR模式，其值分別為耦合器相應(yīng)端口的反射系數(shù)s21插入損耗s11和s22端口的反射系數(shù)3. 微波功率分配器實(shí)驗(yàn)n 利用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測量功率分配器的傳輸頻率響度特性。n 根據(jù)測量所得的數(shù)據(jù)計(jì)算出功率分配器的插入損耗、各端口幅度偏差、各端口隔離度等技術(shù)參數(shù)。步驟一

14、 調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)步驟二 選擇測量參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻率范圍為800MHz-1GHz，將功率電平設(shè)置為-20dBm。 步驟三 連接待測件進(jìn)行測量 按照實(shí)驗(yàn)裝置連接圖2-10將功率分配器模塊與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接好，功率分配器的輸入端口1接網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口，功率分配器的一個(gè)輸出端口2接網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，功率分配器的另一個(gè)輸出端口3接匹配負(fù)載。測量設(shè)置選擇為測量功率分配器模塊的參數(shù)的幅度的對數(shù)值和相位值，記下其曲線。在935MHz上記下幅值和相位，則插入損耗S21的幅度對數(shù)值和相位值 。 將功率分配器的另輸出一端口2接匹配負(fù)載，輸出端口3接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2。測量另一支路的參數(shù)，記下其

15、曲線。同樣在935MHz上記下幅度的對數(shù)值和相位值，則另一支路的插入損耗。比較兩次記錄的的幅度值和相位值，并將兩者作差就可得出兩端口的幅度偏差和相位偏差。S21的幅度對數(shù)值S21的相位值 將功率分配器的端口1接匹配負(fù)載，功率分配器的端口2和端口3分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2。測量此時(shí)的參數(shù)，記下其曲線。同樣在935MHz上記下幅值，則隔離度。S21的幅度對數(shù)值S21的相位值步驟四 進(jìn)行參數(shù)計(jì)算五 思考題1. 根據(jù)測量所得的數(shù)據(jù)計(jì)算出微帶諧振器的Q值，并與網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)測量得到結(jié)果進(jìn)行對比，分析兩者之間產(chǎn)生誤差的原因。答：由數(shù)據(jù)f1=1.29449GHz, f2=1.33825GHzf0=1

16、.31637GHz 29.909而自動(dòng)測量值為Q0=30.079這可能是因?yàn)槲覀冊谡业降?dB的頻率和不準(zhǔn)確。2. 以圖2-3為例，如果要用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量圖中定向耦合器的方向性與隔離度，應(yīng)該怎么測量？答：方向性：，所以要測量方向性，首先測量以對數(shù)幅度表示的耦合度，再把耦合器的4端口接入網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口（耦合器的1端口接網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口，耦合器的3端口接匹配負(fù)載），測量對數(shù)幅度，前者減后者，得到方向性。表示隔離度，已側(cè)得，取負(fù)即為隔離度。3. 比較功率分配器兩個(gè)支路的傳輸特性，說明不一致性產(chǎn)生的原因。答：在理論上，功率分配器兩支路的輸出特性應(yīng)相等，在本實(shí)驗(yàn)中，二者的幅度偏差為0.06·dB，相位偏