微波与天线测量

Vector Network Analyzer (8722ES) 0.00E+00 -1.00E+01
(dB)
-2.00E+01 -3.00E+01 -4.00E+01 0.00E+ 2.00E+ 4.00E+ 6.00E+ 8.00E+ 1.00E+ 1.20E+ 1.40E+ 1.60E+ 00 09 09 09 09 10 10 10 10 Frequency (Hz)
(4)
其中 K = Z2/Z1，设1=2，谐振时，Yi= 0，可以得到第一个阻带中心频率 f0= 2.4GHz 处的电长度为：
0 tan 1
K
通过计算得到 SIR 尺寸为：Z1 = 118Ω (W1 = 0.25mm), Z2 = 44.8Ω (W2 = 1.63mm), L1 =L2=7.5mm，K= 0.38，0 = 31π/180。
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4．检验校准 校准完成后，接好两条电缆，查看 4 个通道 Channel1、Channel2、Channel3、 Channel4。按 Format 键，在屏幕右侧选择 SWR，通过观察驻波来检验校准结果： SWR=1，说明校准完成，此时屏幕应出现的是一条直线；若有波峰出现，则校 验工作需重做，按 Preset 键，依照上述步骤重新校准。 5．进行测量 检验校准正确后就可以接上双频微带带阻滤波器进行测试。选择测量通道 Channel1，选择测量参数 S11，保存 S11 数据和曲线；选择测量通道 Channel2， 选择测量参数 S21，保存 S21 数据和曲线。保存方法为：将网络分析仪与电脑连 接，通过一软件将 S11、S21 数据和曲线传送到电脑，保存为 excel 格式。
W2 L2 Ө2
Z2
L1
W1
d1
Z1
Ө1 W
g
d2 L3
W3
(a)
(b)
图 4 (a)双频微带带阻滤波器正面结构 (b)背面结构
(a) (b) 图 5 (a)双频微带带通滤波器实物正面面图 (b)实物背面图
由图 4 可以看出： 该双频带阻滤波器的正面包括一对阶梯阻抗谐振器(SIR)， 背面有一对蚀刻在地上的 DGS（缺陷地结构） 。两 SIR 之间的距离 d1 为四分之 一波长,该波长为第一个阻带中心频率（2.4GHz）处的波长。两 DGS 之间的距 离 d2 也为四分之一波长，该波长为第二个阻带中心频率（5.4GHz）处的波长。 A. 单个四分之一波长 DGS 特性：
图 2 矢网 Agilent8722ES
图 3 矢网的校准器件
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2、双频微带带阻滤波器原理 带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到 极低水平的滤波器。带阻滤波器分有源带阻滤波器和无源带阻滤波器。 本实验要测量的为无源双频微带带阻滤波器。图 4 给出了待测双频微带带 阻滤波器的结构图。图 5 给出了双频微带带阻滤波器的实物图，其尺寸为 4.3mm× 2.5mm。
图 9 双频带阻滤波器的 S11 测试曲线
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Vector Network Analyzer (8722ES) 0.00E+00 -1.00E+01 -2.00E+01 -3.00E+01 -4.00E+01 -5.00E+01 -6.00E+01 0.00E+ 2.00E+ 4.00E+ 6.00E+ 8.00E+ 1.00E+ 1.20E+ 1.40E+ 1.60E+ 00 09 09 09 09 10 10 10 10 Frequency (Hz)
三、实验原理
1、矢量网络分析仪 矢量网络分析仪可以用来测量无源和有源网络的 S 参量， 它是一台双(或四) 通道微波接收机， 设计成可用来处理来自网络的透射波和反射波的幅值和相位。 在现代微波测量中，矢量网络分析仪是最重要的测量工具之一。
源
功分器
接收机器 信 号 (正向测试)
R: 输入信号
开关 A: 反射信号
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双频微带带阻滤波器的 S 参数测量
一、实验目的
1、利用矢量网络分析仪测量双频微带带阻滤波器的 S 参数。 2、通过测量双频带阻滤波器，了解网络分析仪的工作原理。 3、熟练网络分析仪的使用操作。
二、实验内容
利用矢量网络分析仪(Agilent 8722ES)测量双频微带带阻滤波器的 S 参数。
(c) (b) 单个四分之一波长 DGS 仿真结果
图 6(a)为单个 DGS 的结构图。该设计的介质厚度 h=0.508mm，介质介电 常数r = 2.65。图 6(b)为单个四分之一波长 DGS 的仿真结果，通过软件优化仿 真得出单个 DGS 的其他几何尺寸为：L3 = 9.6mm, g = 0.2mm, d2 = 9.6mm, W3 = 0.6mm。图中微带线特性阻抗为 Z0 = 50Ω，其宽度为 W = 1.4mm。图 6(c)为单个 四分之一波长 DGS 的等效电路图，该等效电路为一个并联 RLC 谐振电路，根 据下面公式(1)-(3)可算出谐振电路中的 C = 2.412pF， L = 0.347nH， R = 16.25kΩ。
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L
Z0
L
Z0
9.6mm
C R
C R
Z0
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80 -85 -90 -95 -100 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Magnitude (dB)
S11-EM simulation S21-EM simulation S11-Equaivalent circuit S21-Equaivalent circuit
B: 输出信号
INCIDENT (R)
R
定向耦合器
A
B
定向耦合器
接收机
Port 1
反射信号 (A) 传输信号 (B) DUT
Port 2
正向
输入信号
反向
输出信号
图 1 矢量网络分析仪的内部组成框图
1
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图 1 为矢量网络分析仪的内部组成框图。其内部由激励信号源、信号分离装 置、接收机和处理显示单元组成。工作时，扫频的高频源通常设置在制定的频宽 范围内。四端口反射计对入射、反射和透射 RF 波进行取样；一个开关可以从端 口 1 或端口 2 激励网络。四个双重转换通道把这些信号变换成 100KHz 的中频， 然后进行检测并转换成数字形式。 用功能强大的内置计算机计算并显示出 S 参量 的幅值和相位，或可从 S 参量导出其他量，如驻波比(SWR)、回波损耗、群延时、 阻抗等。 图 2 给出了矢量网络分析仪(Agilent8722ES)的实物图。 利用矢量网络分析仪测试外围设备时，需对其进行校准。矢量网络分析仪 的校准有一定的规则， 校准有专门的校准件。 图 3 给出了矢网校准所用的校准件。 校准件包括开路元件（open） 、短路元件(short)、负载(load)和接头。
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10
11
12
13
Frecqyency (GHz)
(a)
图 7 (a)DGS 对等效电路图
(b)
(b)DGS 对的特性
B. SIR 设计 SIR 对用来实现另一个阻带。设终端开路看进去的输入导纳为 Yi，Yi 由下 式给出：
Yi jY2
2( K tan 1 tan 2 ) ( K tan tan 2 ) K (1 tan 2 1 ) (1 tan 2 2 ) 2(1 K 2 ) tan 1 tan 2
C
wc 2 2 2 Z 0 w0 wc
1 4 f 02 C
2
(1)
L
(2)
R
2Z 0 1 2Z 0 w0C 1 2 w L S11 ( w0 ) 0 1
2
(3)
上式中，ω0 为带阻滤波器的中心频率，ωc 为 3dB 截止频率，Z0 是微带特性 阻抗。 根据(1)-(3)及图 6(c)可得出 DGS 对的特性， 以及其等效电路图。 如图 7(a) 和(b)所示。图 7(a)电路与图 6(c)电路具有相同的参数。
图 10 双频带阻滤波器的 S21 测试曲线
0 -5 -10 -15 -20 -25
(dB)
Magnitude (dB)
-30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
S11-Simulation S21-Simulation S11-Measurement S21-Maesurement
(a)
3
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0 -5 -10
L
Z0
Magnitude (dB)
-15 -20 -25 -30 -35 -40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C R
Z0
S11 S21
Frequency (GHz)
(b) 图 6 (a)单个四分之一波长 DGS 结构图 (c) DGS 等效电路图
五、测量结果
图 9 和图 10 为本次实验的测量结果。 图 11 是双频带阻滤波器的测量和仿真 结果对比。由图 11 可以看出，其测量结果与仿真结果很好的吻合。由图 9 和图 10 可以看出，该双频带阻滤波器的阻带中心频率分别是 2.4GHz(相对带宽为 43.8%)和 5.4GHz(相对带宽为 17%)，整个阻带内的回波损耗低于-15dB。
0 -5 -10 -15 -20
Magnitude (dB)
-25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
S11-SIR S21-SIR S11-Open stub S21-Open stub
Frequency (GHz)
图8
SIR 仿真结果
四、实验步骤
测量前，首先要对矢网进行校准，然后再对带阻滤波器进行测试。具体测 试步骤如下：
5Leabharlann Baidu
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1、接好电源，启动矢网，使之预热 2-3 分钟。 2、设置矢网的测试状态，此设置状态包含频率范围、功率、测试点数、接收 机带宽和扫描时间等。设置频率：Start(设置起始频率)=0.4GHz，Stop(设置终 止频率)=14GHz。设置功率：Power，默认-10dBm。设置扫频点数：Sweep setup-number of point，不断按上下选择键，直到出现 401 个点。定义四种参数： Chan1 S11，Chan2 S21，Chan3 S12，Chan4 S22。定义 marker 点：按 marker 键可以设定 5 个频率点。 3、校准 按 CAL 键，在屏幕右侧按校准件选择键完成 2.4mm-3.5mm 校准件转换。 CAL 键在屏幕右侧按校准菜单方式键， 选两端口网络校准 calibratemenu-2-port， 屏幕右侧出现三项：reflection(反射)，transimission（传输） ，isolation(隔离)（逐 一选择进行校准） 。 a) reflection 校准 按 reflection 键， 屏幕右侧出现 forward： open、 short、 load； backward： open、 short、load。即校准前向通路的开路、短路、负载及反向通路的开路、短路、 负载。在前向通路的电缆线连接好开路元件(open),按 forward 下的 open 键，听 到“嘟”的一声后，此项校准完成。同理可完成 short 的校准工作。 校准 load 时，选 load 项，然后选 Broadband 及 done load。按上述方法完成 反向通道的 open、short、load 的校准工作。 上述步骤完成后，按屏幕键右下角的 standards done 键。 b) transmission 校准 在前向传输电缆与反向传输电缆间接上双阴或双阳转接头，将两条电缆线 连接起来，按下 transmission 键选择屏幕右侧的 done both 键，校准工作将自动 进行。 c) isolation 校准 在实验要求不是很严的情况下，此项工作可以忽略。按 isolation 键，选择 omit 项，最后按右下侧的 done2-port cal 键，整个校验工作完成。