北邮微波测量实验报告

.
学京邮电大北
微波技术基础实验
实验名称《微波射频测量技术基础》课程实验：姓名刘梦：班级2011211203 ：学号2011210960 11班内序号：资料Word
.
日期2012年12月20日：
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、掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。

2
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
b)S 参数测量步骤
c)如何看开路校准件的电容值设定(校准系数)
d)如何看短路校准件的电感值设定(校准系数)
e)如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换
f)如何保存所测数据，以及可存的数据格式
g)了解仪器提供的校准方法（SOLT）
资料Word
.
三、实验过程
（一）常用微波同轴测量系统的认识，简要了解其工作原理。

1、微波测试系统
微波测试系统常用的有同轴和波导两种系统。

同轴系统频带宽，一般用在较低的微波频段（二厘米波段以下）；波导系统（常用矩形波导）损耗低、功率容量大，一般用在较高频段（厘米波段直至毫米波段）。

微波测试系统通常由三部分组成，如下图所示：
（1）等效电源部分（即发送端）
这部分包括微波信号源，隔离器，功率、频率监视单元。

信号源是微波测试系统的心脏。

测量技术要求具有足够功率电平和一定频率的微波信号，同时要求一定的功率和频率稳定度。

功率和频率监视单元是由定向耦合器取出一小部分微波能量，经过检测指示来观察源的稳定情况，以便及时调整。

为了减小负载对信号源的影响，电路中采用了隔离器。

资料Word
.
（2）测量装置部分（即测量电路）
包括测量线、调配元件、待测元件、辅助器件（如短路器、匹配负载等），以及电磁能量检测器（如晶体检波架、功率计探头等）。

（3）指示器部分（即测量接收器）
指示器是显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、功率计、示波器、数字频率计等。

（4）同轴测量系统图：
各元件和仪器在系统中的作用：
（a）矢量网络分析仪：测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值，还能测
相位，矢量网络分析仪能用史密斯圆图显示测试数据，可以很好地完成诸如滤波器、放大器、混频器以及系统中有源和无源微波组合等的各种参数的调试。

（b）同轴线：同轴线是常见的信号传输线，中心的铜芯是传送高电平的，被绝
缘材料包覆，绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，传输低电平，同时起到屏蔽作用，这里用来连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。

资料Word
.
（c）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。

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，可以测量其端口的S矩阵等各种参数值，从而了解元件的性能。

2、微波信号源
通常，微波信号源有电真空和固态的两种。

3、测量指示器
常用指示器有指示等幅波的直流微安表、光点检流计、微瓦功率计，有指示调制波的测量放大器、选频放大器。

此外，还可用示波器、数字电压表等作指示器。

实验室常用测量放大器和选频放大器作指示器，因为这类仪表灵敏度高，能对微弱信号进行宽带或选频放大，接在测量线、晶体检波器、热敏电阻架及其它测试设备的输出端可进行各类测量。

（二）掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。

1、矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能
（1）前面板：
整个前面板主要分为3个板块，包括了显示区、按键区、信号输入输出接口。

资料Word
.
显示区：显示区为CRT显示, 显示仪器当前工作状态和测试结果。

按键区：包括各种功能按键和旋轮。

图中，9区对应有8个空白按键，没有字符，
称为软键区，其对应的功能显示在左边显示屏上，在不同的主功能下对有不同的功能。

其余按键均有表示其功能的字符。

射频输入和输出接口：包括射频信号输入和输出接口，接口为N-50K型。

注意，射频输入端口的最大输入功率为+20dBm，最大直流输入为25VDC，超过这个范围会导致仪器损坏。

前面板上各个部分简介：
1-CRT显示器：显示仪器当前工作状态和测试结果。

2-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、简便的配置仪器，可引导用户完成初始步骤，根据用户的选择自动配置仪器。

3-ENTRY（数据输入）：数字键、旋轮和上下键，用于数据输入。

4-SYSTEM（系统功能）：SAVE RECALL：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。

5-PRESET（复位）：复位仪器。

6-CONFIGURE（配置）：SCALE：设置垂直方向的分辨率和参考位置等。

DISPLAY：显示设置。

CAL：校准菜单。

资料Word
.
MARKER：频标功能键。

FORMAT：数据显示格式。

AVG：平均功能设置和中频带宽设置。

7-SOURSE（源）：FREQ：频率设置。

SWEEP：设置扫描方式、扫描时间。

POWER：RF信号输出开关或者设置RF信号输出功率。

MENU：设置扫描点数及单次扫描、连续扫描或保持等。

8-MEAS（测量通道）：MEAS1：设置通道1的测量方式。

MEAS2：设置通道2的测量方式。

9-软键：对应的功能显示在左边显示屏上。

10-亮度调节旋钮：调节显示器亮度。

11-电源开关：打开或关闭整机电源。

12-U盘接口：USB盘接口
13-RF OUT（射频输出）：射频信号输出口，N型K头。

14-RF IN（射频输入）：射频信号输入口，N型K头。

（2）提供入射信号的信号源: 信号源
为激励被测器件，信号源必须在整个感兴趣的频率范围内提供入射波。

被测器件通过传输和反射对激励波做出响应。

被测器件的频率响应通过信号源扫频确定。

测量结果受到多种信号源参数的影响，包括频率范围、功率范围、频率稳定度和信号纯度等。

在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源。

（3）信号分离器分离入射、反射和传输:信号分离
网络分析仪的下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅资料Word
.
度和相位。

矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。

用做信号分离功能的硬件通常称为“测试装置”。

测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。

（4）接收机把高频信号转换为较低频率(中频)的信号: 接收机
网络分析仪的接收机把RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确的
检测任务。

标量网络分析仪采用宽带的晶体检波技术，矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术。

采用调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。

窄带中频滤波器产生相当低的本底噪声，结果显著地改善了灵
敏度。

矢量网络分析仪的接收机的最小等效带宽达10Hz。

（5）处理和显示系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检验和导出的信息: 处理和显示系统一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和显
示各种测量。

矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通道，一个通道作为测试通道。

矢量网络分析仪的显示功能强大灵活，如多种标记功能、极限线功能，为测试带来很大便利。

2、S 参数测量步骤
先校准后，连接微波器件，通过文件在功能中把s参数调出，修改为S_ij，查看
曲线。

3、开路校准件的电容值设定(校准系数)
当传输线终端开路或短路时，所有输入信号功率被反射到入射端。

造成全反射。

传输线终端开路时，开路端电流为零。

端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等、相位相反，而反射信号电压与输入信号电压同相。

信号关系满足欧姆定理。

资料Word
.
4、短路校准件的电感值设定(校准系数)
传输线终端短路时，开路端电压为零。

端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等、相位相反，而反射信号电流与输入信号电流同相。

信号关系满足欧姆定理。

5、如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换
在显示的测试结果中从选项中选择Smith圆图显示；有转换为直角坐标的选
项。

6、如何保存所测数据，以及可存的数据格式
在屏幕的右上角，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.s2p格式。

7、了解仪器提供的校准方法（SOLT）
仪器提供SOLT校准方法。

四、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：
错误!未找到引用源。

=z0错误!未找到引用源。

-1
资料Word
.
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，比如TRL和SOLT，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，画出各校准方法所用的误差模型，并解释各误差项。

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：
a)校准前测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数，并保存数据
b)矢量网络分析仪SOLT的校准步骤
c)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
比较校准前后校准件（开路、短路、匹配和直通）的S参数，解释说明各d)条曲线，并指出所做校准的精度情况
三、实验过程
(一)总结常用波微同轴测量系统的校准方法，比如TRL和SOLT，了解
资料Word
.
其校准原理和优缺点。

常用的校准技术有：SOLT（短路－开路－负载－直通）、TRL （直通－反射－线路）
1、SOLT 校准
大多数网络分析仪采用的校准方法是SOLT，SOLT校准能够提供优异的精度和可
重复性。

这种校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。

如果被测件上有雌雄连接器，还需要分别为雌雄连接提供对应的标准件，连接两个测量平面，形成直通连接。

SOLT校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向有6项，反向有6项。

正向误差项：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（负载匹配）、ERF（反射跟踪）、ETF（发射跟踪）和EX（串扰）。

操作正确的话，SOLT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。

常用的校准套件中都包含SOLT 标准校准件。

资料Word
.
的校准步骤按照以下顺序依次进行：矢量网络分析仪SOLT 1）用开路器校准件校准欧姆端口，如果被测件端口也是欧姆或75N型50网络仪端口一般都是欧姆，并且阴阳极性匹配，这时只需校准网络仪内部的系统误差。

75欧姆或50以下分析都假设被测件是二端口器件，系统误差模型采用全二端口模型。

将已，即把开路校准件接入PA2知标准校准件开路器的两端接入实际参考面PA1和矢量网络分析仪。

用短路器校准件校准2)
和原理相同，将已知标准校准件短路器的两端接入实际参考面1PA1与PA2，即把短路校准件接入矢量网络分析仪。

3) 用匹配器校准件校准和PA1与1原理相同，将已知标准校准件匹配器的两端接入实际参考面，即把匹配器校准件接入矢量网络分析仪。

PA2 4）用匹配器校准件校准直接相连即和PA1PA2原理相同，将矢量网络分析仪的两个参考面与1 可。

资料Word
.
十二项误差模型的校准：
目前最为通用校正方法是SOLT法，即短路器开路器匹配负载直通法在校正件特性理想的情况下，短路器反射为1，开路器反射为1，匹配负载反射为0，直
通时反射为0，传输为1 把这些元件接入到测量系统中得到12个方程具体过程为：
测量11时，两端口接全匹配负载，即：
测量11时，两端口接短路器，即：
测量11时，两端口接开路器，即：
测量21时，两端口接全匹配负载，即：
测量21时，两端口直通，即：
测量11时，两端口直通，即：
资料Word
.
，两端口接全匹配负载，即：测量22 时，
时，两端口接短路器，即：测量22
时，两端口接开路器，即：22测量
时，两端口接全匹配负载，即：测量22
时，两端口直通，即：12测量
时，两端口直通，即：22测量资料Word
.
项误差12 通过上面12个方程，可以解出前向误差：
后向误差：
利用测量值来12项误差代回到校正值的表达式中，12求出项误差后，就可以把得出真实值。

资料Word
.
2、TRL 校准
TRL 校准极为精确，在大多数情况下，精确度甚至超过SOLT 校准。

然而绝大多数校准套件中都不包含TRL 标准件。

在要求高精度并且可用的标准校准件与被测件的连接类型不同的情况下，一般采用TRL校准。

因此，某些情况下需要构建和表征与被测件配置介质类型相同的标准件。

制造和表征三个TRL 标准件比制造和表征四个SOLT标准件更容易。

TRL 校准还有另一个重要优势：标准件不需要像SOLT 标准件那样进行完整或精确的定义。

虽然SOLT标准件是完全按照标准的定义进行表征和储存，而TRL 标准件只建立模型而不进行完整表征，但是TRL校准的精度与TRL 标准件的质量和可重复性成正比。

物理中断（例如传输线路弯曲和同轴结构中的焊缝）将会降低TRL 校准的精度。

接口必须保持清洁并允许可重复的连接。

Thru：
资料Word
.
：Reflect资料Word
.
Line：资料Word
.
和TRL校准过程的误差模型分析，其的优缺点有：根据SOLT分别检测方法计算简单，但该方法需要网络分析仪具有四个接收机，1）TRL方法只需要三个，分别检测信号SOLT信号a0,a1,b0,b3（以正向为例），而a0,b0,b3；
（理想的开路或短TRL方法仅需要简单的校准件，不需要理想的强反射件）2方法则需要很多的校准件，并，并且传输线校准件比较容易实现；而SOLT路）且校准件的性能指标对校准结果的影响较大；TRL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；SOLT3）方法比较适用与非同轴环境，例如共
面波导，微带线等；
资料Word
.
4）TRL方法中，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；而SOLT方法是宽带的。

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。

(二)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。

1、校准前测量各校准件（开路、短路、匹配和直通）S参数，并保存数据
试验中未保存图片。

2、矢量网络分析仪SOLT的校准步骤
响应校准校准向导校准类型选择双端口SOLT测量机械标准依次选择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
试验中未保存图片。

4、比较校准前后校准件（开路、短路、匹配和直通）的S参数，解释说明各条曲线，并指出所做校准的精度情况
开路：电路网络开路，则=1，s参数初始在1位置，随着频率变化顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格从边缘移动，并且曲线平滑。

短路：电路网络短路，则=-1，s参数初始在-1位置，随着频率变化顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格从边缘移动，并且曲线平滑。

匹配：电路网络匹配，则=0，s参数始终位于Smith圆图中心。

在校准后s参资料Word
.
数不再发散，位于单位圆的中心。

直通：电路网络匹配，则=0，s参数始终位于Smith圆图中心。

在校准后s参数不再发散，位于单位圆的中心。

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校准方法进行微波同轴测量系统的校准
2、测量天线和滤波器的实际性能
资料Word
.
二、实验内容
1、存储测量结果，并通过测量结果了解天线和滤波器的工作原理以及性能，报告中包括以下内容
a)天线和滤波器的S参数测量曲线
b)通过分析其S参数，了解天线和滤波器所组成的网络的特性。

2、在分别经过校准和没有校准的情况下测量天线和滤波器的性能，比较两类测量结果，给出实验报告，包括以下内容：
c)未校准和校准后天线和滤波器测量曲线比较
d)结合实验二指出对于三个器件，十二项误差模型中哪个误差项的影响比较大，
原因是什么？
通过测量结果分析三个器件的工作原理
三、实验过程
1、天线和滤波器的S参数测量曲线及分析
资料Word
.
未校准天线测量曲线：
校准后天线的S参数测量曲线：
由天线的S参数曲线可知，在频率为2.1GHz-2.6GHz的带宽内，天线的S11参数有非常明显的衰减，即端口1接匹配负载时端口2的电压反射系数有明显衰
资料Word
.
减，且最大衰减达到20dB左右，电压反射系数衰减，则传输到另一端的信号所
占比例增大，表明天线在此带宽内能够让信号通过，天线具有带通特性。

在校准后，阻带内天线对信号的衰减增大，在通带内天线对信号的传输系数增大，显然校准之后的天线性能明显优于校准之前，符合实际应用的需要。

未校准滤波器测量曲线：
校准后滤波器的S参数测量曲线：
资料Word
.
参数较S21的范围内，滤波器的S参数曲线可知，在频率为0.6GHz-2.1GHz由滤波器的这一段是滤波器的说明在此带宽内滤波器的滤波特性没有太大变化，平坦，几乎没有变化，参数一直处于上升阶段，说明滤波器能够通过的信号能量越来越大，S21过渡带，在此之前滤
2.3GHz-2.5GHz当频率为后，但是由于S21的dB值仍较小，说明这段是滤波器的阻带，参数最大，这一段是滤波器的通带，频率在这一通带内的的信号可以通过，滤波器的S21 波器具有带通特性，是带通滤波器。

在通带阻带内滤波器对信号的衰减较大，校准后，我们能够观察到很明显的阻带和通带，
符合实际显然校准之后的滤波器性能明显优于校准之前，内滤波器对信号的传输系数较大，应用的需要。

、结合实验二指出对于三个器件，十二项误差模型中哪个误差项的2 影响比较大，原因是什么？因为元件的性能对于三个器件，十二项误差模型
中匹配负载失配误差影响最大，受环境因素影响较大，而环境主要会使匹配负载失配。

资料Word
.
和和其中：和为隔离度误差，为有效方向性误差，
为传输跟踪误差，和为源失配误差，和为匹配负载失配误差，
为反射跟踪误差，图中各误差项的第一个下标表示误差项的性质，和”表示正向激励测方向性误差；第二个下标表示方向，“F”表示如“Ddirection(Reverse) ”表示反向激励测量R量(Forward)，“S参数：网络的真实
3、通过测量结果分析三个器件的工作原理校准前耦合器隔离端：资料Word
.
校准后耦合器隔离端：
校准前耦合器耦合端：资料Word
.
校准后耦合器耦合端：
资料Word
.
校准前耦合器直通端：
校准后耦合器直通端：
资料Word
.
天线工作原理：天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变换成在无
在无线电设备中用来发射或接受界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换，也可用作接收一般天线都具有可逆性，同一副天线既可用作发射天线，电磁波，这称为天线的互易定天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，而对其余频段的信天线可以接收到特定频段的信号，由实验所得结果可知，理。

以根据不同的需求让天线在设计天线时可以有不同的内部构造，号则不会接受，
接受不同频段的信号。

滤波器工作原理：滤波器是减少或消除谐波对电力系
统影响的电气部件，滤对特定波器可以用于消除干扰，将输入或输出经过过滤而得到特定频段的信号，其功能就是得到一个特定频率或频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，资料Word
.
本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信滤波，消除一个特定频率，滤波器只能通过特定频段的信号，由实验所得结果可知，号所携带的信息的过程。

而对其余频段的信号有较大的衰减，通过衰减来得到我们所需的信号。

耦合器工作原理：往往需将一路微波功率按比例分成几路，在微波系统中，主要实
现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器，这就是功率分配问题，这些元器件一般都是包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件，
当接直通端时，由实验所得结果可知，线性多端口互易网络，耦合器也叫适配器。

表明此时耦合器能只有很小的波动，校准后耦合器的S21参数接近于一条直线，S21让大部分的信号全都通过，具有直通性，当接隔离端时，校准后耦合器的参数在前半段逐渐增大，后面就越来越平坦，趋于不变，但是衰减都比较大，说参数当接耦合端时，校准后S21明此时耦合器无法让信号通过，表现出隔离性，在
大部分的走向与隔离端时相似，但是变化没有隔离端那么大，相对比较平缓，的频段近似为一条直线，波动很小，信号在此时也不能通过耦合器。

实验总结：
微波测量实验时间只有两个小时，老师简单介绍一下操作流程后，我们就开
可是课下完成实验做起来很简单，始自己测量各器件的参数，并保存测量结果。

老师只把最基本的方法告诉了我由于课堂时间短暂，实验报告却不是那么容易。

们，并没有解释原理，于是课下就需要查阅大量资料去了解并理解相关的知识。

自己也可以学到这次实验让我明白有许多东西不能依靠老师，只要你认真学习，很多东西。

虽然本次微波测量实验就上了一次课，但是我还是从中学到了许多。

通过观
资料Word
.
察老师操作和自己实际测量，知道矢量网络分析仪在测量实际器件前必修要进行校准，因为环境因素会对同轴线和器件周围的电磁场产生不同程度的影响，只有
经过校准后才能得到比较准确的器件特性，这次我们主要测量了元件的S参数，
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，同时了解了不同元器件的滤波特性，加深了我对微波这门课理论知识的理解，使我能更好学习微波这门课。

我感觉安排这个实验是非常有必要的，只有把理论与实践相结合，才能达到融会贯通，才能把知识牢牢地掌握。

资料Word。