微波通信实验微波控制电路的设计与测试

电子科技大学
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学生姓名：宫大鹏
学号：0406
指导教师：张小川
电子科技大学
实验报告
学生姓名：宫大鹏学号：0406指导教师：张小川
实验地点：科研楼701实验时间：2012.10
一、实验室名称：微波通信专业学位实验室
二、实验项目名称：微波控制电路的设计及测试
三、实验原理：
微波控制电路根据其用途分类，主要包括以下三种情况：（1）微波信号传输路径通断或转换——微波开关，脉冲调制器等；（2）控制微波信号的大小——电控衰减器，限幅器，幅度调制器等；（3）控制微波信号的相位——数字移相器，调相器等。

控制电路广泛用于微波测量、微波中继、雷达、卫星通信等系统。

本实验重点讲解微波SPST和SPDT 的工作原理、设计及开关、环形器、隔离器主要电性能指标的测试。

衡量开关的电性能指标有：工作频率范围，插入损耗，隔离度，功率容量等。

具体定义为：
1. 工作频率范围，指满足各项指标要求的频率范围，用起止频率表示；
2. 插入损耗，是开关导通时传到负载的实际功率与理想开关传到负载的功率之比；
3. 隔离度，是开关断开时负载上的实际功率与理想开关传到负载的功率之比；
如果用二端口网络参量表征开关网络特性，则开关的插入损耗和隔离度的定义可用（1-1）式表达
1.二极管开关工作原理
由二极管实现SPST分为串联型和并联型，其原理电路及等效电路如图3-1所示。

在串联型电路中，器件呈低阻抗时，对应开关的导通状态，信号沿传输线传输。

当器件呈高
阻抗时，对应开关断开。

在并联型电路中，情况正好相反，当器件呈高阻时，信号可传送至负载。

器件呈低阻时，电路近似短路，信号几乎全部反射。

单刀双掷开关常用于实现共用天线收发信机中接收支路和发射支路间的相互转换。

与SPST 相似，SPDT 按PIN 管联接方式，也可分为并联型和串联型两种电路，电路原理图如图3-2所示。

以并联型电路为例来分析其工作原理。

当D1导通，D2截止时，由于D1管近似短路，经过四分之一波长传输线后，相当于开路，因此B2为开关的导通端，B1为隔离端。

反之，当D2导通，D1截止时，B1为开关的导通端，B2为隔离端。

（a ）串联型 （b ）并联型
（c ）串联等效电路 （d ）并联等效电路
图3-1 单刀单掷开关电路简化图
图3-2 单刀双掷开关原理电路
2. 三极管开关
FET 开关是三端器件，由g V 栅压控制开关状态，典型开关特性是负偏压时()
p g V V >，栅偏压大于截止电压，对应高阻抗状态；零栅压时对应低阻抗状态，都处于器件的线性工作区。

不论器件处于导通和截止的哪种状态，均不需直流偏置功率，因此可归入无源部件类。

三极管开关理论分析可利用等效电路，利用微波网络知识，具体分析求解开关的电性能指标。

若开关不是点频工作，需采用微波仿真软件ADS 或Microwave Office 等软件进行仿真。

四、 实验目的：
1. 了解微波控制电路的分类，工作原理及电性能指标定义；
2. 在掌握微波单刀单掷开关（SPST ）和微波单刀双掷（SPDT ）的设计方法及仿真软件的
基础上，实际分别设计一个SPST 和SPDT ；
3. 掌握微波开关路主要技术指标如插入损耗，隔离度的测试方法。

五、实验内容：
1.根据指标要求，选用管子，传输线类型及基片；
2.在ADS中建立文件名；
3.从元器件面板中调出MSUB并设置其参数；
4.计算50欧姆传输线参数（微带线指宽度，鳍线缝隙宽度等）；
5.添加PIN开关模型；
6.设置开关电路原理图，并给出各电路的初始值；
7.在原理图设计窗口中选择“Simulation-S_Param”列表,设置开关端口，选择S参数
扫描控件并设置扫描频率和步长；
8.进行初始仿真；
9.在数据窗口中查看S参数；
10.设置优化变量及优化目标，不断进行优化直至达到设计目标。

表5-1 实验室可提供的PIN二极管型号及参数
六、实验器材
网络分析仪（E5071C）——矢量网络分析仪，测试待测件S参数（包括幅度及相位）；
矢量信号源（N5182A）——提供微波信号
射频信号分析仪（N9010A）——测试微波信号的频谱及功率大小
功率计（N1913A）——测试被测微波信号的功率
测试系统组成：
SPST，SPDT，环形器和隔离器，四者的主要技术指标是插入损耗，隔离度及端口驻波。

SPST和隔离器插入损耗和隔离度的测试有三种方式，如图4-3，图4-4，图4-5所示。

当将SPDT, 环形器不需测试的另一端口接匹配负载后，测试方法与SPST相同。

图6-1 无源器件插入损耗及回波损耗（驻波）测试框图
图6-2 无源器件插入损耗测试框图
图6-3 无源器件插入损耗测试框图
七、实验步骤：
用网络分析仪测试待测件的插入损耗、隔离度及端口驻波
1.开启网络分析仪，预热10-20分钟；
2.设置网络分析仪，包括测试频率，功率，测试点数等；
3.图4-3中不接待测件，对网络分析仪进行校准；
4.将待测件接入系统，根据待测件的不同工作状态，测试其插入损耗(S21)、隔离度(S21)
及端口驻波(S11,S22);
5.记录数据。

用射频信号分析仪测试待测件的插入损耗、隔离度
1.开启矢量信号源，预热10-20分钟；
2.设置信号源和网络分析仪，包括测试频率，功率（数值在器件和射频信号分析仪能正
常工作范围内），开启射频信号分析仪；
3.按照图6-2连接测试系统；
4.记录测试数据，插入损耗，隔离度为射频信号分析仪与信号源输入功率之差。

用功率计测试待测件的插入损耗、隔离度
1.开启功率计，预热15-30分钟，开启矢量信号源，预热10-20分钟；
2.设置矢量信号源参数，包括测试频率，功率（数值在器件和功率计能正常工作范围内），
3.设置功率计参数，包括测试频率，校准因子；
4.按照图4-3连接测试系统；
5.记录测试数据，插入损耗，隔离度为功率计读数与信号源输入功率之差。

八、实验数据及结果分析：
九、实验结论：
从实验结果中我们可以看出,在中心频率2GHz,带宽400MHz的范围内满足插入损耗小于1dB，隔离度大于15dB;
十、总结及心得体会：
1.实验过程中，原理学习不够，导致动手能力不足，实验效果不是太好，不过发现了一些问题，也学习到了相关仪器的使用，通过动手实验加深了产生信号源的原理，为以后的继续学习打下了很好的基础。

2.指导老师在整个实验过程认真讲解、悉心指导，帮助我们能够准时、正确、安全的完成实验，特此感谢。

十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：
因为个人能力的差异，而且对于研究生有一部分人可能在本科阶段没有接触过这个专业的一些东西，包括理论知识、工具软件等，所以建议开课的时间能够适当的往后延迟或者老师的PPT能够有更加详细的操作流程，这样可以顺着自己动手做一下。

报告评分：
指导教师签字：。