微波测量实验报告-北邮

微波射频测量实验
实验报告
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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
2、掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。

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
i.微波同轴测量系统实物图
ii.主要组成部分及其功能
●矢量网络分析仪：对RF领域的放大器、衰减器、天线、同轴电
缆、滤波器、分支分配器、功分器、耦合器、隔离器、环形器等RF器件进行幅频特性、反射特性和相频特性测量。

●同轴线：连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。

●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。

iii.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
（1）将一个待测的二端口网络通过同轴线接入矢量网络分析仪，组成一个微波同轴测量系统
（2）然后经过SOLT校准,消除系统误差；
（3）在矢量网络分析仪上调处S参数测量曲线，读出相应的二端口网络的S参量，保存为s2p数据格式和cst数据
格式的文件。

c)如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换
TOOLS工具栏下，下拉选项中可得到simth圆图的显示以及转换直角坐标
d)如何保存所测数据，以及可存的数据格式
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.jpg图片格式。

e)开路校准件的电容值设定(校准系数)
在校准菜单下的CalKit（校准件）选项里，打开校准件的开路
件对话框。

对应公式：C(f)=C0+C1f+C2f2+C3f3
f)短路校准件的电感值设定(校准系数)
在校准菜单下的CalKit（校准件）选项里，打开校准件的短路
件对话框。

对应公式：C(f)=L0+L1f+L2f2+L3f3
g)仪器提供什么样的校准方法
仪器提供SOLT校准方法，TRL校准方法等集中校准方法，实验中使用SOLT校准方法，即短接、开路、负载和直通。

三、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：
[Z]=([1]-[S])-1([1]+[S])
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，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
①所用标准件
SOLT:短路标准件、开路标准件、负载标准件和直通线
TRL：直通标准件、反射标准件和直通线
②工作原理：
利用各种校准件，求出在不同条件下的外部参数，利用一系列的运算，导出误差盒的特征储存在仪器内部，然后就可以从测量数据计算出经过误差校准的S参量。

③误差模型
➢EDF，EDR：反射参数，衡量VNA耦合器分离前向波和反射波程度，数值越大越好。

小的反射参数会导致信号的耦合泄漏。

➢ERR，ERF：传输参数，误差与反射测量相关，可以用短路和屏蔽开路校准件进行测量。

➢EXF，EXR：隔离，串扰，误差与串扰相关，可以通过测量接匹配负载的1口和2口来确定。

➢ESF，ESR以及ELF，ELR：信号源匹配和负载匹配，指信号源与50欧姆负载的匹配程度以及负载的质量，这些误差可以通过测量S11和S22确定。

➢ETF，ETR：传输参数，误差与传输测量相关，通过测量1、2口互连时的传输确定。

➢网络分析仪的校准即是通过数学的方法消除以上误差项，得到被测器件真实参量(Sa11，Sa12，Sa21，Sa22)的过程。

④TRL和SOLT的优缺点
➢TRL方法：计算简单，但该方法需要网络分析仪具有四个接收机，分别检测信号a0,a1,b0,b3（以正向为例）;
SOLT方法：只需要三个校准件，分别检测信号a0,b0,b3；
➢TRL方法：仅需要简单的校准件，不需要理想的强反射件（理想的开路或短路），并且传输线校准件比较容易实现;
SOLT方法：需要很多的校准件，并且校准件的性能指标对校准结果的影响较大；
➢SOLT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;
TRL方法：比较适用与非同轴环境，例如共面波导，微带线等；➢TRL方法：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；
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。

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
1)直通
2)短路
3)开路
4)负载
b)矢量网络分析仪SOLT的校准步骤
(1)按CAL键激活校准菜单;
(2)按‘Start Cal’键进入下一级校准菜单;
(3)按‘Two-Port P1 P2’键选择2端口校准，并进入下一级菜单;
(4)按‘TOSM’键选择TOSM校准方式，选择正确的接头形式（Connector），注
意这里的接头指的是测试电缆的接头形式，不是标准件的接头形式，以及正确的校准件（Calibration Kit）的型号。

(5)点击“Next”键，进入校准菜单，SOLT校准共有7个步骤：
①在1端口接开路校准件，用鼠标点击“开路open”。

②在1端口接短路校准件，用鼠标点击“短路Short”。

③在1端口接负载校准件，用鼠标点击“负载Load”。

④在2端口接开路校准件，用鼠标点击“开路Open”。

⑤在2端口接短路校准件，用鼠标点击“短路Short”。

⑥在2端口接负载校准件，用鼠标点击“负载Load”。

⑦在1端口和2端口之间接直通校准件, 用鼠标点击“直通Through”,同时下方的”Apply”键也生效。

点击“Apply”，使校准数据生效。

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
1)直通
2)短路
3)开路
4)负载
d)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
答：分析比较校准前后的数据可以发现，经过校准后有效的减少了原来的误差，带宽的微弱变化虽然很小，但是对于误差来说还是足够证明每次连接测量器件之前校准步骤都是必要的，而且在校准过程中，有校准之后的图形可分析：在Smith圆图上，开路和短路不再是一圈圈缠绕的线，已经减少到靠近开路和短路点的一段线，匹配点经过校准后已经非常接近理论上的一个点而不是一个区域。

所以，校准之后的测量才是符合实际的近乎标准值，在未校准时进行的测量只能大概估计下元件的类型及带宽，对于精确的参数测量未校准时是完全不符合标准的。

3、自制TRL校准件进行校准，编制TRL校准程序。

推导出所用矢
量网络分析仪的误差模型，并以Matlab画图的形式给出。

代码
T1=load('T11.s2p');%直通测量参数文件读取
T2=load('T21.s2p');%直通测量参数文件读取
R_1=load('R11.s1p');%端口1反射测量参数文件读取
L1=load('L11.s2p');%传输线测量参数文件读取
L2=load('L12.s2p');%传输线测量参数文件读取
[m,n] = size(L1)
f = T1(1:m,1);
T_11 = 10.^(T1(1:m,2)./10)%T1(1:m,2);
T_12 = 10.^(T2(1:m,4)./10)%T2(1:m,4);
R_11 = 10.^(R_1(1:m,2)./10)%R_1(1:m,2);
L_11 = 10.^(L1(1:m,2)./10)%L1(1:m,2);
L_12 = 10.^(L2(1:m,4)./10)%L2(1:m,4);
S_11 = zeros(m);
S_12 = zeros(m);
S_21 = zeros(m);
S_22 = zeros(m);
D_11 = zeros(m);
D_12 = zeros(m);
D_21 = zeros(m);
D_22 = zeros(m);
M_11 = zeros(m);
M_12 = zeros(m);
M_21 = zeros(m);
M_22 = zeros(m);
S = zeros(2,2);%对应矩阵【ABCD】
M = zeros(2,2);%对应矩阵【A^mB^mC^mD^m】
DUT = zeros(2,2);%对应矩阵【A'B'C'D'】
qijian11=load('trl_ouheqi_zhitong_s11.s2p');%注意，数据文件开头删除，只保留纯数据，以耦合器_直通为例
qijian_s11=10.^(qijian11(1:m,2)/10);%gongfenqi11(1:m,2);
qijian21=load('trl_ouheqi_zhitong_s21.s2p');
qijian_s21=10.^(qijian21(1:m,4)/10);%gongfenqi21(1:m,4);
P11=[];%用于作图校准前
P12=[];
P21=[];
P22=[];
P_11=[];%校准后
P_12=[];
P_21=[];
P_22=[];
e_11=[];%误差矩阵
e_12=[];
e_21=[];
e_22=[];
for i=1:m
e=(L_12(i)^2+T_12(i)^2-(T_11(i)-L_11(i))^2-sqrt((L_12(i)^2+T_12(i)^2-(T_11(i)-L_11(i))^2)^2-4*L_12(i)^2*T_12(i)^2))/(2*L_12(i)*T_12(i))
S_22(i) =(T_11(i)-L_11(i))/(T_12(i)-L_12(i)*e);
S_11(i) = T_11(i)-S_22(i)*T_12(i);
S_12(i) = sqrt(T_12(i)*(1-S_22(i)^2));
S_21(i) = S_12(i);
S(1,1) = S_11(i);
S(1,2) = S_12(i);
S(2,1) = S_21(i);
S(2,2) = S_22(i);
M_11(i) = qijian_s11(i);
M_21(i) = qijian_s21(i);
M_12(i) = M_21(i);
M_22(i) = M_11(i);
M(1,1) = M_11(i);
M(1,2) = M_12(i);
M(2,1) = M_21(i);
M(2,2) = M_22(i);
DUT = [S_11(i) S_12(i); S_21(i) S_22(i)]^(-1)*[M_11(i) M_12(i); M_21(i) M_22(i)]*[S_11(i) S_12(i); S_21(i) S_22(i)];
P11(i)=10*log10(M_11(i));
P_11(i)=10*log10(DUT(1,1));
end
figure;
plot(f,P11);%校准前
xlabel('f/Hz');
ylabel('db');
figure;
plot(f,P_11);%校准后
xlabel('f/Hz');
ylabel('db');
实验截图
1.校准前
2.校准后
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、测量功分器、耦合器和滤波器的实际性能
二、实验内容
1、存储测量结果，并通过测量结果了解功分器、耦合器和滤波器的工作原理以及性能，报告中包括以下内容
a)功分器、耦合器和滤波器的S参数测量曲线
1)功分器校准前
2)功分器校准后
3)耦合器校准前
4)耦合器校准后
5)滤波器校准前
7)天线校准前
b)通过分析其S参数，了解功分器、耦合器和滤波器所组成的
网络的特性（是否为对称性、互易性和无耗性？）。

答：S11 是S参数中的一个，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。

此参数表示天线的发射效率好不好，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。

对于滤波器来说，通带增益主要由滤波器的S21参数确定。

阻带增益也主要由滤波器的S21参数确定。

通带反射系数由滤波器的S11参数确定。

在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。

S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及
增益、衰减全都表现在S21（S12）随频率变化的曲线上。

S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

对于天线，由于是单端口器件，故只有S11的结果，在工作频率点处，S11（回波损耗）很小，即全部能量发射出去。

对于滤波器,可以看出，是良好的带通滤波器，且同频带较窄
2、在分别经过校准和没有校准的情况下测量功分器、耦合器和滤波器的性能，比较两类测量结果，给出实验报告，包括以下内容：
a)未校准和校准后功分器、耦合器和滤波器测量曲线比较
1）隔离度校准前后
2）耦合器S11，S21校准前后
分析：由上图可以看出，调整前后曲线变得更加平滑了，且方向性变好，带通滤波器1的S11参数曲线可以看出，衰减到10dB，S参数突变小，表明在此频率范围内系统导通，实现带通，但是校准前后最大衰减量变大，说明滤波在中心频率处性能更好。

b)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？
答：实验二指出对于三个器件，十二项误差模型中影响比较大的误差项为：ETF、ETR 传输跟踪误差和ERF、ERR 反射跟踪误差，因为测试电缆等在工作频带范围内其特性都会存在变化。

c)通过测量结果分析三个器件的工作原理
答：滤波器原理：滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，滤波器可以用于消除干扰，将输入或输出经过过滤而得到一个特定频率或消除一个特定频率，滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

有实验结果知，滤波器只能通过特定频段的信号，二队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。

耦合器原理：在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。

由实验所得结果可知，当接直通端时，校准后耦合器的S21参数接近于一条直线，只有很小的波动，表明此时耦合器能让大部分的信号全部通过，具有直通性，当接隔离端时，校准后耦合器的S21参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，说明此时耦合器无法将信号通过，表现出隔离性，当接耦合端时，校准后S21参数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，在大部分的频段近似为一条直线，波动很小，信号在此时也不再通过耦合器。

功分器原理：功分器是将一路的输入信号能量分成两路或者多路输出相等或不相等能量的器件。

3、比较编制TRL程序和矢网SOLT校准后的测试结果，验证TRL校准方法和程序的正确性。

答：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。

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。

实验总结：
本次实验虽然只有一次课，但我仍收获颇多。

老师首先简单介绍了一下操作流程和工作原理后，就开始自己测量各器件的参数，并保存测量结果。

实验做起来很简单，但是其中也会遇到一些大大小小的问题，通过自己查资料和问老师得到了相应的解决。

通过本次实验让我又学到了一种测量技术，在实际测量中必须考虑各种误差的影响，并努力利用各种方法消除误差或者得到误差的具体数据。

在观测中，未校准前和校准后的实验结果有明显的区别，这让我体会到了理论学习与具体实践之间的区别，决不能将理论知识生搬硬套到具体实践中。