微波实验指导教程.docx

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微波实验指导教程

　　　　　　　　目录　　微波实验系统组成...............................................................................................................2实验一微波发送系统电路组成及介绍.........................................................................10实验二微波接收系统电路组成及介绍.........................................................................14实验三微波设计及仿真软件的介绍.............................................................................19实验四史密斯圆图分析与应用.....................................................................................25实验五网络分析仪的构成及S参数测量机理.............................................................31实验六传输线理论及微带传输线的设计与制作.........................................................36实验七阻抗匹配网络理论.............................................................................................45实验八阻抗匹配网络的设计与制作.............................................................................53实验九微波定向耦合器的原理与设计.........................................................................71实验十微波功率分配器的原理与设计.........................................................................85实验十一固定功率衰减器的原理与设计.....................................................................94实验十二PIN二极管压控衰减器的原理与设计.......................................................103实验十三集总参数滤波器的原理与设计....................................................................111实验十四微带滤波器的原理与设计...........................................................................132实验十五微波低噪声放大器的原理与设计...............................................................140实验十六微波压控振荡器的原理与测量...................................................................156实验十七微波锁相环原理与测量...............................................................................164实验十八微波上下变频器的原理与测量...................................................................175实验十九微带天线理论与设计...................................................................................189实验二十微波腔体滤波器的原理与测量...................................................................199实验二十一模拟微波通信系统的组装及调试...........................................................209实验二十二数字微波通信系统的组装及调试...........................................................215实验二十三微波中继系统的组装及调试...................................................................221　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　微波实验系统组成　　一、概述　　LTE-WB-02D微波通信综合实验系统根据微波教学特点，结合具体电路，带领学生浅入深地从感性认识到原理分析，再到测试方法、设计开发。

通过该实验系统训练充分掌握传输线、滤波器、衰减器等模块的设计方法。

并在对阻抗圆图有深入了解的基础上完全掌握用微带传输线来进行阻抗匹配的设计方法。

　　　　二、系统特点　　1．工作频率为3G频段，即TD-SCDMA移动通信系统的频段；　　2．具备通信设备前端的几乎所有无源和有源模块，可组成各微波传输系统以及微波中继系统；　　3．通过对各实验模块标准测试接口的测试，掌握现代网络频谱测量技术。

如频谱仪的使用，网络分析仪的构建；　　4．本实验系统所包含的各模块均采用现代微波工艺设计制造；5．通过ADS仿真软件的学习及应用，真正做到较为方便的二次开发；6．支持3G移动通信系统科研活动，可组合出3G移动通信系统的射频前端。

　　三、电路组成及关键指标　　本实验系统有源模块实验箱及无源模块实验箱组成。

　　1．有源模块实验箱主要有微波发送系统和微波接收系统中的各有源模块组成，各实验模块既可以作为一个独立的功能模块来完成实验，同时也是构成微波通信系统的一个子模块，具体而言，本实验系统的各有源模块可以组合为数字微波通信系统、模拟微波通信系统以及微波中继系统等具备实际功能的传输系统，以下功能模块组成：

　　1）　　视频音频调制模块　　第2页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　2）微波上变频模块　　主要指标：

中频频率范围：

0～　　本振频率范围：

～　　变频损耗：

　　本振功率：

9～17dBm　　IIP3：

19dBm　　3）　　压控衰减器模块　　主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　最小衰减：

6dB±1dB最大衰减：

>25dB　　控制电压：

0～9V驻波比：

≤IIP3：

35dBm　　4）　　功率放大器模块　　主要指标：

频率范围：

2010MHz～2025MHz　　增益：

30dB　　OIP3：

35dBm　　P1db：

17dBm　　输入输出驻波：

≤5）　　腔体滤波器模块　　主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　带内差损：

≤通带波动：

≤阻抗：

50Ω驻波比：

≤带外抑制　　　　　　第3页共222页　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　≥70dB@225MHzoffset≥18dB@20MHzoffset　　6）　　低噪声放大器模块　　主要指标：

频率范围：

2010MHz～2025MHz　　噪声系数：

≤增益：

45dBOIP3：

35dBm输入输出驻波：

≤　　7）　　微波下变频模块　　主要指标：

中频频率范围：

0～　　本振频率范围：

～　　　　变频损耗：

左右　　本振功率：

9～17dBm　　IIP3：

19dBm8）9）　　数字调制与解调模块微波锁相源模块　　主要指标：

频率范围：

1970～2030MHz　　相位噪声：

≤-85dBc/Hz@100KHz　　10）功分器模块　　主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　插入损耗：

≤　　幅度平衡度：

≤1dB　　输出隔离：

≥20dB11）压控振荡器模块　　主要指标：

频率范围：

1970～2030MHz　　相位噪声：

≤-85dBc/Hz@100KHz　　第4页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　　　输出功率：

16dBm　　系统布局图如下：

　　腔体滤波器低噪声放大器微波下变频模块数字调制与解调模块微波锁相源功分器压控振荡器功率放大器压控衰减器微波上变频模块视频音频调制模块微波有源实验系统　　微波有源实验系统布局图　　　　传输系统框图如下：

　　PA影音调制模块PAATT混频模块PALNA混频模块微波发送系统微波接收系统模拟微波传输系统　　数字USB接口调制模块PAPAATT混频模块PALNA混频模块微波发送系统微波接收系统数字解调模块USB接口数字微波传输系统　　第5页共222页

　　　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　PA影音调制模块PAATTLNA混频模块PAPA混频模块微波发送系统微波转发系统　　微波中继传输系统　　2．无源模块实验箱基本上涉及到了微波通信教材中所提到的各种类型的无源模块和电路，特别对微波电路设计中经常会涉及到的匹配网络技术给予了详细深入介绍。

它包括以下模块：

　　1）2）　　50Ω传输线模块　　λ/4传输线阻抗变换模块　　主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　驻波比：

　　3）4）5）　　L型匹配模块П型匹配模块T型匹配模块　　主要指标：

频率：

65～75MHz　　驻波比：

≤　　6）7）8）9）　　单端短路匹配模块双端短路匹配模块单端开路匹配模块单端扇形开路匹配模块　　10）双端开路匹配模块11）λ/8单端开路匹配模块12）3λ/8单端开路匹配模块主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　驻波比：

≤　　第6页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　13）双分支型定向耦合器模块主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　耦合度：

6dB±1dB　　隔离度：

>20dB　　驻波比：

20dB14）平行线型定向耦合器模块主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　耦合度：

20dB±1dB　　驻波比：

　　15）Π型、T型衰减器　　主要指标：

频率：

2010～2025MHz　　驻波比：

≤　　　　衰减：

5dB±　　16）集总参数LPF主要指标：

BW3dB：

50MHz　　截止频率：

150MHz阻抗：

50Ω　　17）集总参数HPF主要指标：

BW3dB：

60MHz　　截止频率：

30MHz阻抗：

50Ω　　18）集总参数BPF　　主要指标：

中心频率：

75MHz　　BW3dB：

15MHzBW45dB：

35MHz　　　　　　第7页共222页　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　通带波动：

1dB阻抗：

50Ω　　19）微带带通滤波器　　主要指标：

中心频率：

　　BW1dB：

25MHzBW45dB：

250MHz通带波动：

1dB阻抗：

50Ω　　20）微带天线　　主要指标：

频率范围：

2010MHz～2025MHz　　输入SWR：

≤　　增益：

≥3dB　　系统布局图如下：

　　L型匹配模块T型匹配模块3λ/8单端开路匹配模块微带带通滤波器模块微带天线2微带天线1集中参数LPF模块Π型、T型衰减器模块平行线型定向耦合器模块双端开路匹配模块单端短路匹配模块50Ω传输线模块集总参数HPF模块集总参数BPF模块双分支型定向耦合器模块П型匹配模块单端扇形开路匹配模块λ/8单端开路匹配模块双端短路匹配模块单端开路匹配模块λ/4传输线阻抗变换模块微波无源实验系统布局图　　第8页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　四、应用说明　　在该硬件平台中，模块化功能较强。

各单元都有专用测试接口，可以在不带电的情况下打开屏蔽盖，对该单元电路进行测试和信号的提取等。

　　在微波有源实验系统中，电源插座在实验箱后面，电源模块在该实验平台电路板下面，它主要完成交流~220V到+12V的直流变换，给整个硬件平台供电。

　　测试模块之前，请务必校准测试仪器！

　　第9页共222页　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　实验一微波发送系统电路组成及介绍　　一、实验目的　　1.了解射频前端发射系统主要设计参数；2.了解本实验系统中微波发送系统的基本结构；3.了解发送系统的主要特性。

　　二、实验原理　　实际射频前端发射器的基本结构　　在无线通讯中，射频发射器担任着重要的角色。

无论是语言还是数字信号都要利用电磁波经空气传送到远端，而此过程都要使用射频前端发射器。

其主要电路结构如图1-1所示，它大致可分为9个部分。

　　　　图1-1基本射频前端发射结构图　　　　1．中频放大器2．中频滤波器3．上变频混频器4．射频滤波器5．射频驱动放大器　　第10页共223页

　　　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　6．射频功率放大器7．载波振荡器8．载波滤波器9．发射天线　　发射器的重要设计参数　　1．1dB压缩点　　功率放大器的1dB压缩点是决定发射器最大发射功率的主要参数。

其定义如图1-2所示。

　　POUT（dBm）1dB1dB压缩点F1dB图1-2（a）放大器的1dB压缩点　　PIN（dBm）　　PowerGain1dB压缩点1dB压缩点越高放大器的LDR越大PIN放大器的线性动态范围　　　　图1-2放大器的1dB压缩点与LDR的关系　　第11页共223页　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　2．内调变失真　　所谓的内调变失真是指发射天线接收到同波道其它较大功率信号后，经功率放大器内调制混频所产生的再发射信号使原发射信号产生的失真。

解决的方法是在发射天线与功率放大器之间加接一个或多个环行器来降低发射器的内调变失真。

　　3．噪声抑制率　　对于射频前端发射器而言，较大的噪声信号是来自功率放大器大信号放大所产生的谐波，而其它噪声则是载波振荡器与混频器混频产生的。

一般要求噪声低于主要载波信号功率70至90dB，以降低对其它波道的干扰。

　　4．载波频率稳定性　　发射器的载波频率需要符合系统要求，以避免对其他波道干扰，尤其在窄频带系统中更为重要。

可利用锁相环路技术来增加载波频率的稳定性。

　　5．邻波道功率　　此项参数是于系统的调制方法或是发射器快速的开关所造成的。

在窄频带系统中，一般要求低于载波信号功率50dB。

而在宽频带系统中，则要求达到80dB。

　　6．发射启动时间　　对于数字通讯系统而言，发射器的发射启动时间是很重要的参数，必须保证其足够短，以免限制系统的数据流流量。

一般要求为发射器输出功率达到额定功率90％所需的时间。

　　　　本实验发射电路框图如图1-3：

　　　　天线微波锁相源数字/模拟已调信号混频模块压控衰减器功放　　图1-3微波发射系统框图　　微波锁相源产生的射频信号，作为本振信号经放大后与调制模块产生的信号进行混频，　　第12页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　和频信号经过压控衰减器，再经过功率放大，最后经天线发射出去。

该发射系统电路在系统实验中将多次用到，在此仅对其做一个初步了解。

　　　　三、实验思考题　　1.点。

　　2.　　为什么功率放大器的1dB压缩点是决定发射器最大发射功率的主要参数？

射频发射机的结构和以前学过的高频发射机的结构相同吗？

请举出你观察到的异同　　第13页共223页　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　实验二微波接收系统电路组成及介绍　　一、实验目的　　1.了解射频前端接收系统主要设计参数；2.了解本实验系统中微波接收系统的基本结构；3.了解接收系统的主要特性。

　　二、实验原理　　实际射频前端接收器的基本结构　　射频前端接收器的基本电路结构如图2-1所示。

　　　　图2-1射频前端接收器　　　　共分为天线、射频低噪声放大器（RFLAN）、下变频器（DOWNMIXER）、中频滤波器（IFBPF）和本地振荡器（LO）。

其工作原理是将发射端所发射的射频信号天线接收后，经低噪声放大器将功率放大，再送入下变频器与本地振荡器混频后中频滤波器将设计所要的频段信号滤出，最后再经过中频放大器将信号放大后，送到基频电路部分解调出所需要的信息信号。

　　这种只经一个混频器降频的电路结构称为一次变频形式。

而在实际应用中，亦有二次变频形式，甚至多变频形式。

具体使用视系统要求而定。

因为基带处理单元　　第14页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　的处理频率有所限制，所以须利用变频器及本地振荡器将射频信号下变频为中频段信号后，再送入基带处理单元。

或是将基带处理单元送出的中频信号用射频前端发射器上变频至射频段信号并放大后，再辐射到空气中。

　　本实验仅以一次变频形式来说明一个射频前端接收器的各设计参数。

　　主要设计参数　　1．接收灵敏度　　S?

FT?

BW?

SNRd?

ZS　　　　　　其中S：

接收灵敏度　　k?

10?

23（J/K），玻尔兹曼常数　　T（K）?

，绝对温度　　BW：

系统的等效噪声频宽　　SNRd：

在检波器输入端，系统要求的信噪比　　ZS：

系统阻抗　　FT：

总等效输入噪声系数　　而上述中，总等效输入噪声系数则是三部分组成。

Fin1，接收器各级的噪声系数。

Fin2，镜像频率产生的噪声。

　　Fin3，宽频带的本地振荡器振幅调制产生的噪声。

其计算公式如下式所列。

　　FT?

Fin1?

Fin2?

Fin3　　第15页共223页

　　　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　?

’（Fi?

1）?

1’?

Gj?

NFin1?

1（Fi?

1）i?

F1?

F2?

1G1?

F3?

1G1G2?

...　　　　Fin2?

GNGN’N?

1　　?

Gj?

0jMFin3?

sb?

110（PLO?

WNsb?

Lsb?

MNBsb）/10NT　　j1000?

T0?

Gj?

1上述公式中变量说明如下：

　　Fi：

第i级的噪声系数Gj：

第i级的增益　　Fi：

在镜像频率下的单级噪声系数　　N’’：

在接收器中，从接收端计算至混频器前的总级数：

本地振荡器的输出功率　　PLOWNsb：

边带频率上的相位噪声Lsb：

滤波器在边带频率上的衰减值　　2．接收选择性　　接收选择性是设计射频接收器的重要参数，它是用来衡量一个接收器对相邻波道信号的接收抑制能力。

对于这个参数的设计需要考虑许多方面的因素，如：

接收器的前端带宽，中频带宽，中频波形因数及极限频率的抑制等。

3．接收噪声响应　　从中频端观察，所有非设计所需要的信号皆称为噪声信号，而大部分的接收噪声信号是RF与LO的谐波混频产生。

在实际应用中，噪声信号是不可能没有的，其对系统产生的影响需视其功率高低而定。

较常出现的接收噪声响应有：

　　镜像频率，　　fRF?

2fIF　　第16页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　半中频，中频，4．接收能叉点　　fIFfRF?

（fIF/2）　　　　接收能叉点是接收器动态性能的重要参数，它是系统线性度的评价指标，此可推算出一输入信号大小是否会造成的互调或交调失真。

当接收器工作在线性区时，n阶互调谐波信号均很弱，都低于噪声电平。

但是，随着输入信号电平的增加，接收器工作趋向饱和非线性区，n阶互调谐波信号高于噪声电平，对有用信号造成干扰。

　　其定义如图2-2所示。

在实际应用中，常用的能叉点有二阶能叉点和三阶能叉点。

二阶能叉点是用来判断混频器对半中频噪声的抑制能力的主要参数。

三阶能叉点是用来衡量接收系统抵抗内调变失真能力的参数。

　　POUT（dBm）n阶能叉点设计信号增益111PIN（dBm）图2-2n阶能叉点定义图　　　　本实验接收电路框图如下：

　　天线微波锁相源非设计信号增益n　　腔体滤波器低噪声放大器数字/模拟解调混频模块　　图2-3微波接收系统框图　　第17页共223页　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司　　天线接收到的信号经过腔体滤波器，再经过低噪声放大器，与微波锁相源产生的射频信号作为本振信号进行混频，取出其的差频信号，该信号再经过中频放大、解调，再进入下级。

该接收系统电路在最后的系统实验中将多次用到，在此仅对其做一个初步了解。

　　　　三、实验思考题　　1.射频发射机的结构和以前学过的高频发射机的结构相同吗？

请举出你观察到的异同点。

2.什么是镜像频率？

什么方法能抑制镜像频率？

　　　　第18页共223页　　武汉凌特电子技术有限公司　　　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　实验三微波设计及仿真软件的介绍　　一、实验目的　　1．微波设计软件的了解；2．微波电路的仿真设计过程。

　　　　二、实验原理　　微波电路的CAD软件大致可以分成下面几类：

　　①线性/非线性微波电路仿真软件；②平面电路电磁场仿真软件；③3D电磁场仿真软件；④系统仿真软件；⑤专用电路的设计软件。

⑥排版软件　　微波电路计算计辅助设计技术是电子设计自动化技术的一个分支，用于射频及微波电路的计算机仿真和优化设计。

表3-1所示为主要的微波电路CAD软件。

　　　　表3-1主要的微波电路CAD软件简介　　序名称号123ADSSverenadeMWOffice综合软件包综合软件包线性/非线性电路、电磁场仿真AgilentAnsoftAWR主要性能厂商第19页共223页　　LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书　　　　武汉凌特电子技术有限公司4567891011121314　　GENESYSMMICADMomentumEnsembleemHFSSMWStudioSymphonyClementineProtel

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