北邮电磁场与微波实验53微波单元项目.docx
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北邮电磁场与微波实验53微波单元项目
电子工程学院
电磁场微波测量实验
5.3微波实验单元项目
组员：
2015-5-3
执笔：
北京邮电大学
目录
5.3.1频谱分析仪的使用1
一、实验目的1
二、实验设备1
三、实验原理1
四、实验内容2
A.单载波信号的频谱测量2
B.带载波信号的杂散测量3
C.相位噪声测量4
D.幅频特性测量5
5.3.2衰减器的特性测量7
一、实验目的7
二、实验仪器7
三、实验内容7
5.3.3定向耦合器特性测量8
A.耦合度测量8
B.插入损耗测量9
C.定向耦合器的隔离度测量10
5.3.4滤波器的特性及测量11
实验总结12
5.3.1频谱分析仪的使用
一、实验目的
1.了解频谱分析仪的工作原理，熟悉它的使用方法
2.了解微波信号发生器的使用方法
二、实验设备
1.频谱分析仪
2.微波信号发生器
三、实验原理
频谱分析系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。
频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；即时频谱分析仪（Real-TimeSpectrumAnalyzer）与扫描调谐频谱分析仪（Sweep-TunedSpectrumAnalyzer）.即时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器（Detector），再经由同步的多工扫描器将信号传送到CRT或液晶等显示仪器上进行显示，其优点是能显示周期性杂散波（PeriodicRandomWaves）的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围，滤波器的数目与最大的多工交换时间（SwitchingTime）.最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫描产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大，滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。
较低的RBW固然有助於不同频率信号的分辨与量测，低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW固然有助於宽频带信号的侦测，将增加杂讯底层值（NoiseFloor），降低量测灵敏度，对於侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。
四、实验内容
A.单载波信号的频谱测量
a）实验操作步骤
1.按照下图连接测试
频谱分析仪
微波信号发生器
图1
2.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（900MHz、10dBm）
3.设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置合适的扫描带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。
图2
4.用峰值搜索功能测量信号的频率和电平，测试数据记录到表4-1中
5.用差值光标功能测量信号和噪声的相对电平（信噪比），同时记录频谱分析仪的分辨率和带宽设置
b）实验数据记录
表1
频率设置（MHz）
850MHz
900MHz
950MHz
电平设置（dBm）
-10dBm
-15dBm
-20dBm
实测频率（MHz）
849.983
899.983
949.983
实测电平（dBm）
-9.37
-13.77
-20.36
信噪比（dB/RBW）
-50.48
-52.10
-48.36
B.带载波信号的杂散测量
a）实验操作步骤
1.设置微波信号发生器输出制定频率和功率的正弦波（850MHz、-20dBm）
2.设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置合适的扫描带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。
3.用频谱分析仪测量输出信号的频率和电平，测试数据记录到表4.2中
4.增加频谱分析仪的扫描带宽，如100MHz,用手动设置功能适当减小频谱分析仪的分辨率带宽，观察频谱图的变化，直到观测到杂散信号为止。
图3
5.在频谱图中确定最大杂散信号，用差值光标功能测量信号和最大杂散信号的相对电平（杂散抑制度）
b）实验数据记录
表2
信号频率（MHz）
信号电平（dBm）
杂散抑制度（dB）
850
-20.69
-64.94
900
-19.22
-64.50
950
-20.00
-69.84
c）实验数据分析
杂散信号产生原因：
过度激励分析仪的输入可能会导致杂散信号。
C.相位噪声测量
a）实验操作步骤
1.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（850MHz、-10dBm）
2.设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置扫描带宽为50KHz，设置合适的分辨率带宽和视频带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置
图4
3.用峰值搜索功能测量信号的频率和电平，测试数据记录到表4.3中
4.用差值光标和噪声光标功能测量偏离信号10KHz的相位噪声，测试数据记录到表4.3中
5.将扫描带宽设置为500KHz，设置合适的分辨率带宽和扫描带宽，利用同样的方法测量偏离信号100KHz的相位噪声，测试数据记录到表4.3中
6.改变输出频率，重复以上测量，测试数据记录到表4.3中
b）实验数据记录
表3
信号频率（MHz）
信号电平（dBm）
相位噪声（dB/Hz）
偏离10KHz
偏离100KHz
850
-9.32
-57.84
-78.03
900
-8.80
-49.64
-79.32
950
-9.78
-49.64
-78.60
D.幅频特性测量
a）实验操作步骤
1.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号。
2.设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率,设置合适的扫描带宽,适当调整参考电平,使频谱图显示在合适的位置。
3.设置频谱分析仪的轨迹为最大值保持功能。
4.按照一定的步进（0.1MHz），用手动旋钮在指定的频率范围内（+20MHz）调整微波信号发生器的输出频率，观测频谱分析仪显示的幅频特性曲线。
图5
5.用峰值搜索功能测量输出信号在指定频带内的最高电平，测试数据记录到表4-4中。
6.用差值光标功能测量输出信号在指定频带内的幅频特性，测试数据记录到表4-4中。
7.改变测试频率范围，重复以上测量，测试数据记录到表5-5中。
b）实验数据记录
表4幅频特性测量
频率范围（MHz）
最高电平（dBm）
幅频特性（dB/带宽）
850+20
-20.97
0.0325
900+20
-20.88
0.0275
950+20
-19.83
0.3025
5.3.2衰减器的特性测量
一、实验目的
1.熟练掌握频谱分析仪的使用
2.了解衰减器对微波信号的衰减机理以及相关特性。
二、实验仪器
微波信号发生器、衰减器（10db），频谱分析仪
三、实验内容
A.实验操作步骤
1.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如850MHz、-10dBm和-20dBm）。
2.将输入输出电缆短接。
用频谱分析仪测量衰减器的输入信号电平，测试数据记录到表格1中。
3.接入被测衰减器。
用频谱分析仪测量衰减器的输出信号电平，计算衰减器的衰减量以及与标称值得误差，测试数据记录到表格1中。
4.改变微波信号发生器的输出频率，重复以上测量，测试数据记录到表格1中标称值（10dBm）
B.实验数据记录
表5衰减器的衰减量测量
测试频率（MHz）
输入信号电平（dBm）
输出信号电平（dBm）
衰减量（dBm）
标称误差（dB）
误差率（%）
850
-9.37
-19.91
10.54
0.54
5.4%
900
-13.77
-24.07
10.30
0.30
3.0%
950
-20.36
-30.75
10.39
0.39
3.9%
C.实验数据分析
因为我们本次实验并没有对应的衰减器，因此使用的衰减器是PIN衰减器，上面标明的衰减量为>=10dB,而实际上要求用的衰减器其衰减量为10dB，因此在计算标称误差的时候，是以标准衰减量10dB来计算的。
相应的数据计算过程如下：
衰减量=输出信号电平-输入信号电平;标称误差=衰减量-10;误差率=标称误差/10*100%
误差率在3%-5%之间,实验结果满足要求。
5.3.3定向耦合器特性测量
A.耦合度测量
a）实验操作步骤
1.按照下图连接测试系统：
图1
2.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；
3.将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量定向耦合器输入端口的输入电平信号，记录测试数据；
4.接入被测定向耦合器，用频谱分析仪测量定向耦合器耦合端口的输出信号电平，计算定向耦合器的耦合度，记录数据；
5.改变测试频率，重复以上操作。
b）实验数据记录
表6定向耦合器的耦合度测量
测试频率（MHz）
850
900
950
端口1输入功率（dBm）
-9.37
-13.77
-20.36
端口3输入功率（dBm）
-20.27
-24.77
-30.62
耦合度（dB）
10.90
11.00
10.26
c）实验数据分析
设端口1输入功率为P1,端口3输入功率为P3，则耦合度L应该为L=P1/P3;转换为dB值即为L（dB）=10lgL=10lgP1-10lgP3。
根据推导出来的公式和测量数据，可以计算相应的耦合度
B.插入损耗测量
a）实验操作步骤
1.按照如图所示连接测试系统：
图2
2.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；
3.将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量定向耦合器输入端口的输入信号电平，记录测试数据；
4.接入被测定向耦合器，用频谱分析仪测量定向耦合器输出端口的输出信号电平，计算定向耦合器额插入损耗和传输损耗，记录数据；
5.改变测试频率，重复以上操作。
b）实验数据记录
表7定向耦合器的插入损耗测量
耦合度（dB）/耦合损耗（dB）
测试频率（MHz）
850
900
950
端口1输入功率（dBm）
-9.37
-13.77
-20.36
端口2输入功率（dBm）
-11.03
-15.07
-21.83
插入损耗（dB）
1.66
1.30
1.47
传输损耗（dB）
9.24
9.70
8.79
c）实验数据分析
设端口1输入功率为P1,端口2输入功率为P2，则插入损耗IL应为：
IL=-10lgP2/P1=-10lgP2+10lgP1。
则相应的插入损耗=端口1输入功率-端口2输入功率
传输损耗TL应该为：
TL=-10lgP3/P2=10lgP2-10lgP3。
则相应的传输损耗=端口2输入功率-端口3输入功率
C.定向耦合器的隔离度测量
a）实验操作步骤
1.按照下图连接测试系统：
图3
2.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；
3.将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量并记录定向耦合端口的输入信号电平，记录测量数据；
4.接入被测定向耦合器，用频谱分析仪测量定向耦合器输出端口的输出信号电平，计算端口隔离度，记录测量数据；
5.改变测试频率，重复以上操作。
b）实验数据记录
表8定向耦合器的隔离度测量
测试频率（MHz）
850
900
950
耦合端口3输入功率（dBm）
-9.37
-13.77
-20.36
输入端口2输出功率（dBm）
-11.01
-23.74
-29.01
2、3端口隔离度（dB）
1.64
9.97
8.65
d）实验数据分析
隔离度的计算公式如下：
D=10lgP3/P2=10lgP3-10lgP2;
端口隔离度=耦合端口3输入功率-输入端口2输出功率
5.3.4滤波器的特性及测量
a）
实验操作步骤
图1
1.按图所示连接测试系统。
2.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如850MHz、-20dBm）.
3.将输入和输出电缆短接。
用频谱分析仪测量衰减器的输入信号电平。
4.接入被测滤波器。
设置频谱分析仪的中心频率为指定频率（如880MHz），设置合适的扫描带宽（如80MHz），适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。
5.按照一定的步进（如1MHz），用手动旋钮在指定的频率范围内（如840~920MHz）调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上观察扫描带宽是否合适，根据观测结果适当调整频谱分析仪的扫描线。
6.设置频谱分析仪的轨迹为最大值保持功能（Trace—TraceType—MaxHold）。
7.按照一定的步进（如0.1MHz），用手动旋钮在指定的频率范围内（如830~870MHz）调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上观察扫描带宽是否合适，根据观测结果适当调整频谱分析仪的扫描线。
8.根据频谱分析仪显示的幅频特性曲线，测量并计算滤波器的中心频率、3db带宽、插入损耗、带内波动。
裙带带宽、带外抑制度等指标，测量数据记录在数据表格中。
9.将滤波器的输入和输出端口互换、重复上述测量。
观察幅频特性曲线的变化并进行分析。
b）幅频特性曲线
图2带通滤波器的幅频特性曲线
c）实验数据分析
表9滤波器的传输特性测量
中心频率（MHz）
3dB带宽（MHz）
插入损耗（dB）
带内波动（dBp-p）
裙带带宽（MHz）
带外抑制度（dB）
885.0
8.70
1.56
0.96
7.69
16.14
882.3
0.49
1.64
0.45
3.10
16.65
实验总结
本次实验重点在与频谱分析仪的使用和衰减器、定向耦合器、滤波器的特性及测量。
实验过程中我们遇到了一些困难，对频谱分析仪的使用有了新的了解。
频谱仪可以以图示化的方式显示设定频率范围内的射频信号，信号越强，频谱仪显示的幅度也越大。
在使用过程中，合适的分辨率带宽RBW能让我们更好地观察频谱仪的波形，得到较为精准的数据和结论。
实验重复性略高，但是我们在这个过程中轮流练习了频谱分析仪的使用要点。
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