北邮微波测量实验报告.docx

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北邮微波测量实验报告

微波测量实验报告

班级：

xxx

姓名：

xxxx

学号：

201221xxxx

《微波测量》课程实验

实验一熟悉微波同轴测量系统

一、实验目的

1、了解常用微波同轴测量系统的组成，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。

微波同轴测量系统包括三个主要部分：

矢量网络分析仪、同轴线和校准元件或测量元件。

各部分功能如下：

1）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。

2）同轴线：

连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。

3）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。

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

（1）CRT显示器

显示仪器当前工作状态和测试结果。

（2）BEGIN

（开始）

在测量放大器、滤波器、宽带无源器件、电缆等被测时能快速、简便的配置仪器，可引导用户完成初始步骤，根据用户的选择自动配置仪器。

（3）ENTRY

（数据输入）

数字键、旋轮和上下键，用于数据输入。

（4）SYSTEM

（系统功能）

SAVERECALL：

存储或调用数据。

HARDCOPY：

打印或者存储测量曲线、数据。

SYSTEMOPTIONS：

系统选项。

（5）PRESET

（复位）

复位仪器。

（6）CONFIGURE

（配置）

SCALE：

设置垂直方向的分辨率和参考位置等。

DISPLAY：

显示设置。

CAL：

校准菜单。

MARKER：

频标功能键。

FORMAT：

数据显示格式。

AVG：

平均功能设置和中频带宽设置。

（7）SOURSE

（源）

FREQ：

频率设置。

SWEEP：

设置扫描方式、扫描时间。

POWER：

RF信号输出开关或者设置RF信号输出功率。

MENU：

设置扫描点数及单次扫描、连续扫描或保持等。

（8）MEAS

（测量通道）

MEAS1：

设置通道1的测量方式。

MEAS2：

设置通道2的测量方式。

（9）软键

对应的功能显示在左边显示屏上。

（10）亮度调节旋钮

调节显示器亮度。

（11）电源开关

打开或关闭整机电源。

（12）U盘接口

Usb盘接口

（13）RFOUT

（射频输出）

射频信号输出口，N型K头。

（14）RFIN

（射频输入）

射频信号输入口，N型K头。

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，如下图所示：

2、在矢量网络分析仪上【measure】键选择测量参数，按下后显示屏的软键菜单会显示[S11]、[S12]、[S21]、[S22]四个待选测试参数，通过按下相应软键来选择要测量的S参数。

利用光标读取测量结果：

按下【marker】键就会在显示屏上的测试曲线上显示光标，对应显示屏的软键菜单处会显示光标编号[1]、[2]、[3]、[4]、[5]，按下相应软键会显示对应编号的光标，默认会显示1号光标。

通过旋转旋钮键就会移动光标的位置，而在显示屏右上角会显示光标对应位置的频率和测量值。

而通过数字键输入频率值也可以确定光标的位置。

3、然后经过SOLT校准,消除系统误差； 

4、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）如何看开路校准件的电容值设定（校准系数）

当传输线中端开路或者短路时，所有输入信号功率被反射到入射端。

造成全反射。

传输线中断开路时，开路端电流为0，端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等，相位相反，而反射信号电压与输入电压同相。

信号关系满足欧姆定理。

d）如何看短路校准件的电感值设定（校准系数）

当传输线中端短路时，开路端电压为0，端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等，相位相反，而反射信号电流与输入电流同相。

信号关系满足欧姆定理。

e）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。

f）如何保存所测数据，以及可存的数据格式

文件菜单下另存为功能，将数据保存为jpeg图片格式或s2p,s1p文件格式方便后续分析。

g）了解仪器提供的校准方法（SOLT）

上述用短路、开路、负载三个标准件和直通校准的方法称为SOLT校准法，这是普遍使用的校准方法。

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。

短接校准，开路校准。

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。

（给出S参数到Z参数的转换公式，以及如何在ADS中应用。

）

不可以，因为矢量网络分析仪是用来处理来自网络的透射波和反射波的幅值和相位，可以直接测量得出S参数，通过S参数导出电路参数。

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。

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。

3、掌握并验证TRL校准方法。

二、实验内容

1、总结常用微波同轴测量系统的校准方法，比如TRL和SOLT，了解其校准原理和优缺点。

用短路、开路、负载三个标准件和直通校准的方法称为SOLT校准法，这是普遍使用的校准方法。

大多数网络分析仪用户最先熟悉的校准方法是SOLT。

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。

SOLT校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向有6项，反向有6项。

操作正确的话，SOLT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。

常用的校准套件中都包含SOLT标准校准件。

这些校准件包括各种连接器类型，并且价格相对便宜，小心使用的话可以用很多年。

有的SOLT校准套件包含滑动负载，因此可改变路径的线路长度，同时保持恒定的负载阻抗（通常为50Ω或75Ω）。

滑动负载在高频时尤为重要，因为在这种情况下很难实施良好的固定负载。

线路长度的变化会直接成比例地改变电长度，导致测量路径中发生相移。

通过在校准过程中使用几种不同长度 的线路和相应的相移，可以更精确地测量网络分析仪的方向性。

双向直通SOL通常称为“未知直通”。

这种方法允许在遵守一些基本原则的条件下，在校准过程中使用电缆、电路板线轨或Ecal模块作为直通路径。

当处理非插入式设备（具有同性或不兼容的连接器，在校准期间需要使用适配器才能建立直通连接）时，未知直通尤为有用。

该适配器会给校准带来一个误差。

未知直通因为无需使用精密的或经过校准的适配器，并且可以最大限度地减少校准期间的电缆移动，所以非常有用。

它通常比其他需要去除适配器的方法更 方便、更精确。

另一个二端口校准形式称为TRL校准（直通、反射和空气线）。

TRL校准主要用在非同轴环境，如对波导进行测试、利用测试夹具或用探针进行晶片上测量。

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。

使用测试夹具进行测量或使用探头进行晶圆上的测量，通常都属于这种情况。

因此，某些情况下需要构建和表征与被测件配置介质类型相同的标准件。

制造和表征三个TRL标准件比制造和表征四个SOLT标准件更容易。

  TRL校准还有另一个重要优势：

标准件不需要像SOLT标准件那样进行完整或精确的定义。

虽然SOLT标准件是完全按照标准的定义进行表征和储存，而TRL标准件只建立模型而不进行完整表征，但是TRL校准的精度与TRL标准件的质量和可重复性成正比。

物理中断（例如传输线路弯曲和同轴结构中的焊缝）将会降低TRL校 准的精度。

接口必须保持清洁并允许可重复的连接。

在同轴应用中，SOLT通常是优先使用的校准技术。

尽管不常用的同轴TRL比SOLT能提供更高的精度，但只有在使用质量很高的同轴传输线（如空气线）时才能实现。

对于SOLT法，相位测试精度主要取决于开路器和短路器的精度，幅度的测试精度取决于所使用的匹配负载。

用滑动负载的SOLT法，通过多次测量找圆心，测量精度高于用固定负载的SOLT法。

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。

校准步骤：

响应→校准→校准向导→校准类型→选择双端口SOLT→测量机械标准→依次选择1端口短路、开路、负载，直通，2端口短路、开路、负载进行校准。

1、用开路器校准件校准 

网络仪端口一般都是N型50欧姆或75欧姆端口，如果被测件端口也是50欧姆或75欧姆，并且阴阳极性匹配，这时只需校准网络仪内部的系统误差。

以下分析都假设被测件是二端口器件，系统误差模型采用全二端口模型。

将已知标准校准件开路器的两端接入实际参考面PA1和PA2，即把开路校准件接入矢量网络分析仪。

2、用短路器校准件校准 

与1原理相同，将已知标准校准件短路器的两端接入实际参考面PA1和PA2，即把短路校准件接入矢量网络分析仪。

3、用匹配器校准件校准 

与1原理相同，将已知标准校准件匹配器的两端接入实际参考面PA1和PA2，即把匹配器校准件接入矢量网络分析仪。

4、用匹配器校准件校准 与1原理相同，将矢量网络分析仪的两个参考面PA1和PA2直接相连即可。

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

开路：

短路：

匹配：

b）矢量网络分析仪SOLT的校准步骤

见实验内容2.

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

开路：

s参数初始在1位置，随着频率变话顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线较平滑。

短路：

s参数初始在-1位置，随着频率变话顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线较平滑。

匹配：

s参数始终位于Smith原图中心。

校准后参数不在发散，位于单位圆中心。

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

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、利用已加工的TRL校准件，进行TRL校准。

保存各测量数据，计算出其误差模型（附编程程序）。

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、测量各加工器件（天线、滤波器、功分器和耦合器等）的实际性能。

3、验证TRL校准方法，并和利用SOLT校准方法测量的结果进行对比。

二、实验内容

1、做完实验二的实验内容3后，测量各器件的S参数，并保存测量结果，通过去嵌误差模型，得到真实的器件S参数。

报告中要给出具体编程计算过程（附编程程序）。

2、利用机器自带SOLT校准后，存储测量结果，并通过测量结果了解所测器件的工作原理以及性能，报告中包括以下内容

a）器件的S参数测量曲线；

b）通过分析其S参数，了解各器件所组成的网络的特性。

2、给出分别经过TRL和SOLT校准和没有校准的情况下各器件的测量性能，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TRL校准后各器件测量曲线比较；

b）未校准和SOLT校准后各器件测量曲线比较；

c）比较分析TRL和SOLT校准方法的测量精度。

MATLAB代码：

———————————————————————main.m———————————————————————

clc;

clearall;

[S11,S22,S12,Freq]=TRL（）;

[A,B,C,D]=SPara_TransferToABCD（S11,S22,S12,S12）;

[invA,invB,invC,invD]=invABCD（A,B,C,D）;

while1

disp（‘1、滤波器'）;

disp（‘2、功分器'）;

disp（‘3、耦合器隔离端'）;

disp（‘4、耦合器耦合端'）;

disp（‘5、耦合器直通端'）;

disp（‘6、天线'）;

DeviceNumber=input（'请输入要处理的微波器件,输入0退出:

'）;

ifDeviceNumber==0

return;

end

[S11Device,S21Device,S12Device,S22Device]=getSPara（DeviceNumber）;

[Am,Bm,Cm,Dm]=SPara_TransferToABCD（S11Device,S22Device,S12Device,S21Device）;

%计算DUT的ABCD参量

AF=zeros（201,1）;

BF=zeros（201,1）;

CF=zeros（201,1）;

DF=zeros（201,1）;

forN=1:

201

ABCD=[A（N）,B（N）;C（N）,D（N）];%误差盒ABCD矩阵

ABCDinv=[invA（N）,invB（N）;invC（N）,invD（N）];%误差盒ABCD逆矩阵

ABCDm=[Am（N）,Bm（N）;Cm（N）,Dm（N）];%DUT的ABCD矩阵

ABCDf=ABCDinv*ABCDm*ABCD;

AF（N）=ABCDf（1,1）;

BF（N）=ABCDf（1,2）;

CF（N）=ABCDf（2,1）;

DF（N）=ABCDf（2,2）;

end

[S11F,S21F]=ABCD_TransferToSPara（AF,BF,CF,DF）;

subplot（1,2,1）;

plot（Freq,-20*log10（abs（S11F）））;axis（[3*10^53*10^9-5050]）;

subplot（1,2,2）;

plot（Freq,-20*log10（abs（S21F）））;axis（[3*10^53*10^9-5050]）;

end

———————————————————————TRL.m———————————————————————

function[S11,S22,S12,Freq]=TRL（）

%导入T部分数据

Data_T_S11=read（rfdata.data,'TRL-T-S11.s2p'）;

Data_T_S21=read（rfdata.data,'TRL-T-S21.s2p'）;

Freq=Data_T_S11.Freq;

S11_2=Data_T_S11.S_Parameters（1,1,:

）;

T11=reshape（S11_2,201,1）;

S21=Data_T_S21.S_Parameters（2,1,:

）;

T12=reshape（S21,201,1）;

%导入R部分数据

Data_R_S11=read（rfdata.data,'TRL-R-S11.s1p'）;

S11_2=Data_R_S11.S_Parameters（1,1,:

）;

R11=reshape（S11_2,201,1）;

%导入L部分数据

Data_L_S11=read（rfdata.data,'TRL-L-S11.s2p'）;

Data_L_S21=read（rfdata.data,'TRL-L-S21.s2p'）;

S11_2=Data_L_S11.S_Parameters（1,1,:

）;

L11=reshape（S11_2,201,1）;

S21=Data_L_S21.S_Parameters（2,1,:

）;

L12=reshape（S21,201,1）;

clearS11;

clearS21;

%计算传播因子e^（-γl）

l=66.1*10^（-3）;%传输线长度66.1mm

One=ones（201,1）;

%Propagation1为取正好的传播因子e^（-γl），2为取负号的传播因子e^（-γl）

Propagation1=（（L12.^2+T12.^2-（T11-L11）.^2+（（L12.^2+T12.^2-（T11-L11）.^2）.^2-4.*（L12.^2）.*（T12.^2））.^0.5））./（2.*L12.*T12）;

Propagation2=（（L12.^2+T12.^2-（T11-L11）.^2-（（L12.^2+T12.^2-（T11-L11）.^2）.^2-4.*（L12.^2）.*（T12.^2））.^0.5））./（2.*L12.*T12）;

%分别计算两种情况的S22，S11，S12，Γ值

S22_1=（T11-L11）./（T12-L12.*Propagation1）;

S11_1=（T11-S22_1.*T12）;

S12_1=（T12.*（One-S22_1.^2））.^0.5;

GammaL1=（R11-S11_1）./（S12_1.^2+S22_1.*（R11-S11_1））;

S22_2=（T11-L11）./（T12-L12.*Propagation2）;

S11_2=（T11-S22_2.*T12）;

S12_2=（T12.*（One-S22_2.^2））.^0.5;

GammaL2=（R11-S11_2）./（S12_2.^2+S22_2.*（R11-S11_2））;

%求两种情况的Γ的相位以取舍

AngleGammaL1=angle（GammaL1）;

AngleGammaL2=angle（GammaL2）;

Angle=zeros（201,1）;

S22=zeros（201,1）;

S11=zeros（201,1）;

S12=zeros（201,1）;

%遍历两种情况下的Γ相位矩阵，挑选相位[0,π]内的情况，取出其S22，S11，S12值

forN=1:

201

ifAngleGammaL1（N）>0

Angle（N）=AngleGammaL1（N）;

S22（N）=S22_1（N）;

S11（N）=S11_1（N）;

S12（N）=S12_1（N）;

end

ifAngleGammaL2（N）>0

Angle（N）=AngleGammaL2（N）;

S22（N）=S22_2（N）;

S11（N）=S11_2（N）;

S12（N）=S12_2（N）;

end

end

end

———————————————————————getSPara.m———————————————————————

function[S11Device,S21Device,S12Device,S22Device]=getSPara（DeviceNumber）

%UNTITLED4Summaryofthisfunctiongoeshere

%Detailedexplanationgoeshere

switchDeviceNumber

case1

Data_S=read（rfdata.data,'Filter.s2p'）;

case2

Data_S=read（rfdata.data,'GongFenqi.s2p'）;

case3

Data_S=read（rfdata.data,'GeliDuan.s2p'）;

case4

Data_S=read（rfdata.data,'OuheDuan.s2p'）;

case5

Data_S=read（rfdata.data,'ZhitongDuan.s2p'）;

case6

Data_S=read（rfdata.data,'TianXian.s1p'）;

otherwise

disp（‘输入不正确，请重新输入'）;

end

S11=Data_S.S_Parameters（1,1,:

）;

S21=Data_S.S_Parameters（2,1,:

）;

S22=Data_S.S_Parameters（2,2,:

）;

S12=Data_S.S_Parameters（1,2,:

）;

S11Device=reshape（S11,201,1）;

S21Device=reshape（S21,201,1）;

S22Device=reshape（S22,201,1）;

S12Device=reshape（S12,201,1）;

end

—————————————————SPara_TransferToABCD.m—————————————————

function[A,B,C,D]=SPara_TransferToABCD（S11,S22,S12,S21）

%UNTITLED2Summaryofthisfunctiongoeshere

%Detailedexplanationgoeshere

A=zeros（201,1）;

B=zeros（201,1）;

C=zeros（201,1）;

D=zeros（201,1）;

forN=1:

201

S=S11（N）*S22（N）-S12（N）*S21（N）;

A（N）=（1+S11（N）-S22（N）-S）/（2*S21（N））;

B（N）=（1+S11（N）+S22（N）+S）/（2*S21（N））;

C（N）=（1-S11（N）-S22（N）+S）/（2*S21（N））;

D（N）=（1-S11（N）+S22（N）-S）/（2*S21（N））;

end

end

—————————————————ABCD_TransferToSPara.m—————————————————

function[S11,S21]=ABCD_TransferToSPara（A,B,C,D）

%UNTITLED5Summaryofthisfunctiongoeshere

%Detailede