微波技术基础实验报告材料

微波技术基础实验报告实验一矢量网络分析仪的使用及传输线的测量
班级：
学号：
姓名：
华中科技大学电子信息与通信工程学院
一实验目的
学习矢量网络分析仪的基本工作原理；
初步掌握AV365380矢量网络分析仪的操作使用方法；
掌握使用矢量网络分析仪测量微带传输线不同工作状态下的S参数；
通过测量认知1/4波长传输线阻抗变换特性。

二实验内容
矢量网络分析仪操作实验
A．初步运用矢量网络分析仪AV36580，熟悉各按键功能和使用方法
B．以RF带通滤波器模块为例，学会使用矢量网络分析仪AV36580测量微波电路的S参数。

微带传输线测量实验
A．使用网络分析仪观察和测量微带传输线的特性参数。

B．测量1/4波长传输线在开路、短路、匹配负载情况下的频率、输入阻抗、驻波比、反射系数。

C．观察1/4波长传输线的阻抗变换特性。

三系统简图
矢量网络分析仪操作实验
通过使用矢量网络分析仪AV36580测试RF带通滤波器的散射参数（S11、S12、S21、S22）来熟悉矢量网络分析仪的基本操作。

微带传输线测量实验
通过使用矢量网络分析仪AV36580测量微带传输线的端接不同负载时的S 参数来了解微波传输线的工作特性。

连接图如图1-10所示，将网络分析仪的1端口接到微带传输线模块的输入端口，另一端口在实验时将接不同的负载。

四实验步骤
矢量网络分析仪操作实验
步骤一调用误差校准后的系统状态
步骤二选择测量频率与功率参数（起始频率600 MHz、终止频率1800 MHz、功率电平设置为-10dBm）
步骤三连接待测件并测量其S参数
步骤四设置显示方式
步骤五设置光标的使用
微带传输线测量实验
步骤一调用误差校准后的系统状态
步骤二选择测量频率与功率参数（起始频率100 MHz、终止频率400 MHz、功率电平设置为-25dBm）
步骤三连接待测件并测量其S参数
1．按照装置图将微带传输线模块连接到网络分析仪上；
2．将传输线模块接开路负载（找老师要或另一端空载），此时，传输线终端呈开路。

选择测量S11，将显示格式设置为史密斯原图，调出光标，调节光标位置，使光标落在在圆图的短路点。

3．记录此时的频率和输入阻抗。

然后将显示格式设置为驻波比，记录下此时的驻波比值。

将显示格式设置为对数幅度，记录下此时的（反射系数）值。

（记录数据时保持光标位置始终不变）
4．将传输线模块的终端接短路负载（找老师要）。

将显示格式设置为史密斯原图，注意观察光标的位置（此时光标所示频率仍为②中的频率），此时光标应在圆图中开路点附近。

5．调节光标至圆图中的开路点，按照③中所示方法和步骤记录数据。

6．将传输线模块另一端接上匹配负载。

将显示格式设置为史密斯原图，将光标调节至最靠近圆图圆心的位置。

7．按照③中方法和步骤记录数据。

五实验记录
矢量网络分析仪操作实验
测量带通滤波器S11反射系数：
Min：1.032GHz -15.3db
Max：882MHz 0.15db
带通滤波器S11驻波比
Min：1.032GHz 1.38
Max：888MHz 412
带通滤波器S22反射系数
Min：1.128GHz -35db
Max：696MHz 3.8db
带通滤波器S22驻波比
Min：1.128GHz 1.03
Max：804MHz 190
带通滤波器正向插入损耗S21
Min：1.8GHz -51db
Max：1.056GHz -4.3db
带通滤波器带宽
B=315.598MHz
带通滤波器反向插入损耗S12
Min：1.8GHz -62db
Max：1.11GHz -2.9db
带通滤波器反向带宽
B=1.847MHz
微带传输线测量实验
1．匹配
频率：215.125MHz
输入阻抗：
实部：49.9Ω虚部：-1mΩ驻波比：1.019
反射系数：-40.677db
2．短路
频率：179.23MHz
输入阻抗：
实部：6.22k Ω 虚部：26Ω
驻波比：45
反射系数：-0.35db
3．开路
频率：166MHz
输入阻抗：
实部：270m Ω 虚部：-451m Ω
驻波比：47
反射系数：-0.34db
六 数据分析处理
矢量网络分析仪操作实验
散射参量S 的定义为：
111112212222i r r i U U S S S S U U ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣
⎦%%%% 散射参量矩阵[S]中各元素的意义分别为：
S11：当输出端接匹配负载时，输入端口的电压反射系数；
S22：当输入端接匹配负载时，输出端口的电压反射系数；
S12：当输入端接匹配负载时，输出端口到输入端口的电压传输系数； S21：当输出端接匹配负载时，输入端口到输出端口的电压传输系数。

因此网络输入端电压反射系数的模
11S Γ=，故输入驻波比为： 11
1111S S ρ+=-
回波损耗(return loss)Lr ：回波损耗用来描述反射系数的幅度,有时又称为失配损耗。

它与负载反射系数大小有关,其绝对值越大，则表明负载匹配越好，反射越小。

引入回波损耗以后，反射系数的大小就可用dB 形式来表示。

11210lg 20lg ()20lg ()
dB S dB ==-Γ=-Γr 1L
插入损耗 (Insertion loss)IL ：插入损耗定义为网络输出端接匹配负载时，网络输入端入射波功率Pi 与负载吸收功率PL 之比，即：
2212202121r i i
U L r U P P S U ====%%%IL
用分贝表示，为：
2211
10log ()dB S =IL
微带传输线测量实验
1．匹配
传输线输入阻抗的表达式为：
)tan()tan()(000d Z j Z d Z j Z Z d Z L L in ββ++=
我们可以利用上式分析负载阻抗Z L 沿着特性阻抗Z 0，长度为d 的传输线是如何变换的，它已通过波数β考虑到了工作频率的影响，β能用频率和相速度或者波长表示，它们分别是
v f p /)2(πβ=和λπβ/2=。

此时应有：
1．输入阻抗等于特性阻抗50Ω，有实验数据可知输入阻抗已经很接近特性阻抗的值。

2．驻波比等于1，实验记录为1.019与理论值接近。

3．反射系数等于0，实验记录为-40.677db=0.0000857，反射系数很小可以看做0。

2．短路
假如0=Z L （负载相当于短路线），输入阻抗表达式可表示为：
)tan()(0d Z j d Z in β=
我们注意到阻抗随着负载的距离增加而周期性变化。

0=d 阻抗等于负载阻抗，其值为零，随着距离d 的增加，线路的阻抗为纯虚数，而数值随着增加。

在此所在位置阻抗为正，表示线路呈现电感特性。

当d 达到1/4波长时，阻抗等于无穷大，这代表开路线情况。

进一步增大距离，出现负的虚阻抗，它等效为
电容特性。

当2/λ=d 时阻抗变为零，而当2/λ>d 时则又重复一个新的周期。

此时应有：
1．1/4波长处输入阻抗等于无穷大，实验数据为实部：6.22k Ω 虚部：26Ω可以看做无穷大。

2．驻波比理论上是无穷大，但实际上不能达到，实验记录中驻波比为45已经很大了
3．理论上此时的反射系数模值为1，实验记录数据为-0.35db=0.92257，与1很接近。

3．开路
假如∞→Z L ，输入阻抗简化为：
)cot()(0d Z j d Z in β-=
可以看到，开路传输线的输入阻抗也是随着负载的距离增加而周期性变化的。

类似于短路传输线，也可以对开路传输线进行周期性分析。

此时应有：
1．1/4波长处输入阻抗等于短路，实验数据为实部：实部：270m Ω 虚部：-451m Ω可以看做短路。

2．驻波比理论上是无穷大，但实际上不能达到，实验记录中驻波比为47已经很大了
3．理论上此时的反射系数模值为1，实验记录数据为-0.34db=0.924698，与1很接近。

七思考题
1. 从图1-3上分析，如果测量被测微波器件的2端口S参数，其内部开关将处于什么工作状态？
AV36580矢网工作原理如下，由内置合成信号源产生30k～3GHz的信号，经过S参数测试装置分成两路，一路作为参考信号R，另一路作为激励信号，激励信号经过被测件后产生反射信号A和传输信号B，由S 参数测试装置进行分离，R、A、B 三路射频信号在幅相接收机中进行下变频，产生4kHz的中频信号，由于采用系统锁相技术，合成扫频信号源和锁相接收机同在一个锁相环路中，共用同一时基，因此被测网络的幅度信息和相位信息包含在4kHz 的中频信号中，此中频信号经A/D 变换器转换为数字信号，嵌入式计算机和数字信号处理器（DSP）从数字信号中提取被测网络的幅度信息和相位信息，通过比值运算求
出被测网络的S 参数，最后把测试结果以图形或数据的形式显示在液晶屏幕上。

当测量被测微波器件的2端口S参数时，其内部开关左侧与地相连，右侧反之，使端口2信号作为R信号进入后续的处理流程中。

2. 对记录的数据进行分析，并思考为什么开路负载时在短路点的光标，在接上短路负载后会在开路点附近？
答：开路负载和短路负载之间相差了1/4波长，又因为具有1/4波长的变换性，所以出现了开路负载时在短路点的光标，在接上短路负载后会在开路点附近的现象。