矢网分析.docx

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矢网分析

实验矢网分析

（注：

此份作业之前由同学代为提交，但不确定那位同学是否投至正确信箱内，故保险起见重新打印提交一次。

因而如有重复提交，请忽略此实验报告。

谢谢！

）

一、实验目的

1.了解矢量网络分析仪的操作和使用。

2.掌握矢量网络分析仪测量s参数的原理和方法。

3.掌握传输/反射法由s参数计算介电常数和磁导率的过程和方法。

二、实验原理

矢量网络分析仪能够对网络参数进行全面测量，它既可测量网络的幅频特性，又可测量网络的相频特性和群延迟特性。

可广泛应用于天线和雷达散射截面RCS测量，发射/接收（T/R）模块测量，介质材料特性测量，微波脉冲特性测量，光电特性测量和低温电子测量等领域，是相控阵雷达、精密制导、电子对抗、隐身和反隐身技术、微波通信和卫星等电子系统的科研、生产过程中必不可少的测试设备。

矢量网络分析仪的工作原理：

矢量网络分析仪的信号源产生测试信号输入到被测件，当测试信号通过被测件时，一部分信号被反射，另一部分信号则被传输，那么反射和传输信号就携带了被测件的特征信息，矢量网络分析仪通过测量反射和传输信号得到被测件的特征参量。

矢量网络分析仪AV3629用于测量器件和网络的反射和传输特性。

整机主要包括45MHz—40GHz合成信号源、53MHz—24GHz本振源、s参数测试装置模块、幅相接收模块、数字信号处理与嵌入式计算机模块和液晶显示模块。

合成信号源产生45MHz—40GHz的测试激励信号，此信号通过整机锁相电路与本振源同步扫描。

s参数测试装置模块用于分离被测件的入射信号、反射信号和传输信号。

当源在端口1时，产生入射信号R1、反射信号A和传输信号B；当源在端口2时，产生入射信号R2、反射信号B和传输信号A。

幅相接收模块将射频信号转换成固定频率的中频信号，由于采用系统锁相技术，本振源和信号源锁相在同一个参考时基上，保证在频率变换过程中，被测件的幅度和相位信息不丢失。

在数字信号处理与嵌入式计算机模块中，将模拟中频变成数字信号，通过计算得到被测件的幅相信息，这些信息做各种格式变换处理后，将结果送给显示模块，液晶显示模块将被测件的幅相信息以用户需要的格式显示出来。

实验中待测样品材料通过同轴波导转换器接在矢量网络分析仪端口1和端口2之间。

根据微波网络理论，本实验实际上是测量一个二端口网络的s参数，如图1所示，a1、a2和b1、b2分别是端口1和端口2的内向波和外向波；T1和T2分别为端口1和端口2的参考面；V1，I1和V2，I2分别端口1和端口2的归一化电压和电流。

图1二端口网络

外向波与内向波和s参数之间的关系可表示为：

其中，

，

，

，

s11表示端口1的反射系数，s12表示端口2到端口1的传输系数，s21表示端口1到端口2的传输系数，s22示端口2的反射系数。

本实验两端口网络具有对称性，因此有s11=s22，s12=s21。

根据传输/反射法，在矩形波导传输线中包含样品时，微波在空气—介质界面要发生反射和透射，s参数与反射系数和传输系数有关，可以得到：

其中，Tl表示待测样品的传输系数，Γc表示待测样品的反射系数。

由上述两式，令

可以得到

其中

号的选择依据是满足|Γc|<1

同时考虑到材料样品的传输系数Tl可以通过传播常数γ与材料的电磁参数εr，μr联系起来，即

其中，l为待测样品厚度，γ为样品区的传播常数，c为光速，λ0为空气中的工作波长，λ0=c/f，λc为截止波长。

空气—介质界面的反射系数Γc也可以通过波阻抗与材料的电磁参数εr，μr联系起来，即

其中，Zc和Z0分别代表传输线中样品段和空气段的波阻抗，即有

联合以上各式可以得到

式中，

并且有

λg为待测材料中的波导波长。

综合上述诸式，只要测得材料样品端面的散射参数s11和s21，就可以得到界面的反射系数Γc和材料的传输系数Tl，继而得到材料的电磁参数εr，μr。

此方法优点，简单且具有较高精度，同时对波导与同轴系统均适用。

此方法会产生以下两个问题：

（1）厚度谐振问题

对于低损耗材料，某些频点，即微波材料样品长度正好是半波长的整数倍时，s11→0，K值具有极大的不确定性，εr产生尖峰，即厚度谐振为不确定值需要去除。

（2）多值问题

传播常数与厚度紧密相关，当l>λ时，传播常数有多个解，在式中需要对Tl取自然对数，设Tl=Tejθ，则有

由于n可能取多个不同的值，γ值存在多个值，因而得到的介电常数可能存在多值。

三、实验仪器

测试系统如图2所示，主要仪器是高性能微波一体化矢量网络分析仪。

图2实验系统示意框图

四、实验内容

1.打开矢量网络分析仪，预热60分钟。

2.测量待测材料厚度，波导板的厚度和波导尺寸（多点平均法）。

3.在矢量网络分析仪上根据波导尺寸设置好扫描频率、点数和扫描时间。

4.根据波导尺寸，使用矢量网络分析仪的标准件（开路器、断路器、匹配负载、直通）和自带的校准程序对测试系统进行校准：

（1）打开校准菜单选择校准向导，选择校准类型，点中全双端口SOLT（忽略隔离），然后选择测量机械校准，选择标准件开始进行校准。

（2）将两转换头波导口对接，进行直通校准。

（3）在两转换头波导口分别接上短路板，进行短路校准。

（4）在两转换头波导口分别接上四分之一波长负载进行偏移校准。

（5）在两转换头波导口分别接上精密波导负载进行负载校准。

（6）点“确定”，矢量网络分析仪自动记录校正信息。

5.在测试程序界面建立四个窗口，分别测试s11，s12，s21，s22。

6.将待测量的微波材料接在两个转换器之间，测量此时的s参数。

因为本系统是对称的两端口网络，因此测得的s11=s22，s12=s21。

7.把测得的结果存成数据文件。

8.利用s参数编程计算微波材料的介电常数εr和磁导率μr随频率的变化。

五、数据记录与处理

图3s参数的实部随频率的变化曲线

1.绘制s11，s21，s12，s22的实部随着频率的变化曲线。

2.同样地，s参数的虚部也可以被绘制出。

图4s参数的虚部随频率的变化曲线

可以看到，s参数实部和虚部并不能够严格满足前述s11=s22，s12=s21的对称性条件（由本身的条件限制），但是在数量级和变化趋势上能够保持相对一致。

在接下来的计算中，为了方便，我们取s11与s22的平均值，以及s12与s21的平均值，代入后续公式。

图5Γc的实部和虚部随频率f的变化

算得的Γc和Tl的实部和虚部分别如图5和图6所示：

图6Tl的实部和虚部随频率f的变化

可以明显看到Γc和Tl产生明显波动的区域出现在1×1010Hz左右。

最后可以根据进一步的公式求得相对磁导率μr和相对介电常数εr。

两个参量随着频率的变化，分别绘制于图7和图8中。

（测得的样品厚度为l=，波导的截止波长为λc=2a=）

图8εr的实部和虚部随频率f的变化

可见在这两个参量的是不和虚部中，几乎无一例外地在10GHz处出现了大幅振荡。

这很有可能是未考虑到厚度的谐振问题和多值问题导致的；当然也有可能是被测样品本身的εr，μr特性（如在某一区域产生强烈共振等）。

具体原因还需进一步做详细分析。

六、思考题

1.本实验测得材料的介电常数和磁导率其主要误差来源是什么

答：

主要的误差来源有以下几种：

（1）多值问题未被计入考虑范围之内，导致在多种可能的解中只选取了相对合理的一组；

（2）校准过程及测量过程中，由于操作不规范、非理想情况而产生的偏差；

（3）在厚度和波导尺寸上产生的测量误差；

（4）对s11与s22，s21与s21之间的不同，未做认真分析处理，而是简单地取了平均值；

（5）对谐振问题也没有进行分析处理。

2.微波材料的隐身特性与材料的涂覆厚度有关，试计算本实验测得的微波材料涂覆在金属平板上，微波垂直入射时反射系数随材料厚度以及频率的变化，考察材料厚度对隐身性能的影响。

答：

对于涂覆在金属平板（假定其为理想导体）表面的单层吸波材料，空气与涂层界面处的输入阻抗为：

其中，

是自由空间波阻抗，γ为电磁波在涂层中的传播常数，如公式所示，l为吸波涂层厚度，εr，μr分别为涂层的相对介电常数和磁导率。

当电磁波由空气向涂层垂直入射时，在界面上的反射系数为：

将之前求得的εr，μr值代入该公式，使得Γ为厚度l和频率f的函数，并对结果进行三维绘图，则可得到图9所示的Γ实部和虚部简图。

图9反射系数的实部和虚部随频率f和厚度l的变化

可以看到，在低频段，Γ随着厚度的增大而发生剧烈变化；而高频段则相对平缓。

而Γ随着频率的增大，也普遍体现出在f=10GHz处发生突变的现象。

七、参考文献

[1]李宗谦、佘京兆、高葆新，微波工程基础[M]，北京：

清华大学出版社，2004

[2]周清一，微波测量技术[M]，北京：

国防工业出版社，1964

[3]K.Q.Zhang,D.J.Li,electromagnetictheoryformicrowavesandoptoelectronics[M].NewYork:

Springer,1988