北邮微波单元项目实验.docx

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北邮微波单元项目实验

电磁场与微波测量实验报告

学院：

电子工程学院

班级：

2011211207

组员：

实验一频谱分析仪的使用

一、实验目的

1.了解频谱分析仪的使用方法。

2.学会使用频谱分析仪对信号源提供的信号进行分析。

3.学会正确使用频谱分析仪对于单载波信号的频谱测量，对于带载波信号的杂散测量，对于相位噪声的测量。

2、实验原理

频谱分析仪：

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。

它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。

现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。

仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

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；即时频谱分析仪与扫描调谐频谱分析仪。

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频谱分析仪相对应的滤波器与检知器，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。

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固然有助于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固然有助于宽频带信号的侦测，将增加杂讯底层值，降低量测灵敏度，对于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。

一般维修者不使用，一是他的价格较高，二是操作较为复杂。

需要配合信号发生器。

但使用起来很方便的可以查找故障。

3、实验步骤

如下图所示连接所使用的仪器。

1.单载波信号的频谱测量

（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900MHz.-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在合适的位置。

（如下图所示）。

（4）用峰值搜索功能测量信号的频率和电平，记录测试数据。

（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带宽设置。

（6）记录的数据如下表：

频率设置（MHz）

850

900

950

点评设置（dBm）

-10

-15

-20

实测频率（MHz）

849.883950

900.134425

950.384944

实际电平（dBm）

-9.19

-14.89

-20.30

信噪比（dB/RBW）

53.67

47.81

41.72

2.带载波信号的杂散测量

（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.-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，测试数据记录到表中。

（4）增加频谱分析仪的扫描带宽（100M），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（或噪声低于信号70dB）为止。

如下图所示。

（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）。

（6）记录的数据如下表：

信号频率（MHz）

信号电平（dBm）

杂志抑制度（dB）

850

-19.35

-60.45

900

-19.92

-62.31

950

-20.30

-60.28

3.相位噪声测量

（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）。

（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50KHz，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置在合适的位置。

（3）用峰值搜索功能测量信号的频率和电平，记录测试数据。

（4）用差值光标功能测量偏离信号10KHz的相位噪声，测试数据记录到表中。

（5）将扫描频率设置为500KHz,设置合适的分辨率带宽和视频带宽。

利用同样的方法测量信号100KHz的相位噪声，测试数据记录到表中。

（6）该表输出频率，重复以上测量，测试数据记录到表格中。

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带宽设置。

信号频率（MHz）

信号电平（dBm）

相位噪声（dB/Hz）

偏离10KHz

偏离100KHz

850

-19.43

-31.97

-82.97

900

-20.12

-33.37

-85.46

950

-20.48

-31.24

-86.35

实验二衰减器的特性

一、实验目的

4.继续了解频谱分析仪的使用方法。

5.学会使用频谱分析仪对信号源提供的信号进行分析。

6.了解衰减器的特性。

4、实验原理

衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。

一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。

在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。

如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。

衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。

有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。

无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。

5、实验步骤

如下图所示连接所使用的仪器。

4.衰减器的测量

（3）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）。

（4）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，测试数据记录在表格中。

（5）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中。

（6）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中。

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）

850

-9.06

-19.32

10.26

0.26

900

-14.63

-24.95

10.32

0.32

950

-20.29

-30.58

10.29

0.29

5.幅频特性测量

（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.-20dBm）。

（2）将输入输出电缆短接。

用频谱分析仪测量并记录衰减器的输入信号电平。

测试数据记录在表格中。

（3）接入被测衰减器。

设置频谱分析仪中心频率为指定频率（如850MHz）,设置合适的扫描带宽（如100MHz）,适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。

（4）设置频谱分析仪的轨迹为最大保持功能。

（5）按照一定的步进（如0.1MHz），用手动按钮在指定的频率范围内调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上显示出幅频特性曲线。

（6）根据频谱分析仪现实的幅频特性曲线，测量并计算衰减器在指定频带内的最小衰减量和幅频特性，测试数据记录在表格中。

频率范围（MHz）

最小衰减量（dBm）

幅频特性（dBp-p/带宽）

830~870

9.86

0.23/40=0.058

880~920

9.45

0.80/40=0.020

930~970

9.78

0.46/40=0.012

实验三定向耦合器特性测量

一、实验目的

1、了解频谱分析仪的使用方法。

2、学会使用频谱分析仪对信号源提供的信号进行分析。

3、学会定向耦合器。

二、实验原理

定向耦合器：

定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。

主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。

定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。

但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。

在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。

随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。

随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。

这样就出现了各种传输线定向耦合器。

第一个真正意义上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。

主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。

三、实验步骤

1、耦合度测量

（1）按照图中所示连接所使用的仪器。

（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）将输入输出电缆短接。

用频谱分析仪定向耦合器输入端口1的输入信号电平，测试数据记录到表格中。

（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3的输出信号电平，计算定向耦合器的耦合度，测试数据列入表中。

（5）改变测试频率，重复以上测量，测试数据列入表中。

（6）记录的数据如下表：

测试频率（MHz）

850

900

950

端口1输入功率（dBm）

-19.62

-20.20

-20.41

端口3输入功率（dBm）

-29.37

-30.67

-31.13

耦合度（dB）

9.75

10.67

10.72

2、带载波信号的杂散测量

（1）按照图中所示连接所使用的仪器。

（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）将输入输出电缆短接。

用频谱分析仪定向耦合器输入端口1的输入信号电平，测试数据记录到表格中。

（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2的输出信号电平，测试数据列入表中。

（5）改变测试频率，重复以上测量，测试数据列入表中。

（6）记录的数据如下表：

耦合度（dB）/耦合损耗（dB）

10/0.460=21.73

测试频率（MHz）

850

900

950

端口1输入功率（dBm）

-19.62

-20.20

-20.41

端口2输入功率（dBm）

-20.63

-21.23

-21.46

插入损耗（dB）

1.01

1.03

1.05

传输损耗（dB）

0.55

0.57

0.59

3、定向耦合器的隔离度测量

（1）按照图中所示连接所使用的仪器。

（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）将输入输出电缆短接。

用频谱分析仪定向耦合器输入端口3的输入信号电平，测试数据记录到表格中。

（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2的输出信号电平，计算端口2、3之间的隔离度，测试数据列入表中。

（5）改变测试频率，重复以上测量，测试数据列入表中。

（6）记录的数据如下表：

测试频率（MHz）

850

900

950

端口3输入功率（dBm）

-19.62

-20.20

-20.41

端口2输入功率（dBm）

-34.84

-35.07

-34.80

2、3端口隔离度（dB）

15.22

14.87

14.39

实验四滤波器的特性及其测量

一、传输特性测量

1实验步骤

（1）按下图所示链接测试系统

（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880MHz、-20dBm）

（3）将输入和输出电缆短接。

用频谱分析仪测量并记录滤波器的输入信号电平

（4）接入被测滤波器。

设置频率分析仪的中心频率为滤波器的标称中心频率（如880MHz），扫描带宽大于滤波器的标称带宽（如80MHz），适当调整参考电平使频谱图显示在合适位置。

（5）按照一定的步进（如1MHz），用手动旋钮（或自动扫频）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（保证频谱分析仪可以显示全部通带和一定的阻带），根据观测结果适当调整频谱分析仪的扫描带宽。

（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（根据调整后的扫描频带确定）调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上显示出滤波器的幅频特性曲线。

（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，记录测试数据。

（9）将滤波器的输入和输出端口互换，重复以上测量。

观察幅频特性曲线的变化并进行分析。

3实验数据

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）

交换前

880

853.067

-25.87

-22.87

848.133

-32.03

交换后

880

852.933

-25.07

-23.44

841.867

-43.01

4数据分析

从表格中的数据可以看出，端口交换前后3dB带宽、插入损耗、裙带带宽以及带外抑制度都有微小变化，带内波动也受到影响，但总体来说端口交换对带通滤波器的幅频特性影响较小。

二、阻抗特性的测量

1、步骤

（1）按下图连接测试系统（定向耦合器反接于测量放射信号功率）

（2）设置微波信号发生器输出指定功率和频率的单载波信号。

（3）将频谱分析仪直接连接到定向耦合器的输出端。

用频谱分析仪测量定向耦合器的输出信号电平（被测滤波器的信号电平），记录测量数据。

（4）将被测滤波器连接到定向耦合器的输出端，将频谱分析仪连接到定向耦合器的耦合端。

（5）根据传输特性的测量结果，合理设置频谱分析仪的中心频率和扫描带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。

（6）设置频谱分析仪的轨迹为最大值保持功能

（7）按照一定的步进，用手动旋钮在指定的频率范围内调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上显示出滤波器的阻抗特性曲线。

（8）将滤波器的输入输出端口互换，重复以上测量，测量滤波器输出端口的回波损耗和电压驻波比，记录测量数据。

2、数据及处理

端口

频率范围（MHz）

输入功率（dBm）

反射功率（dBm）

回波损耗（dB）

输入端

880

-21.06

-30.63

8.81

输出端

880

-21.06

-30.80

8.60

实验六微波TV收发系统的基本原理

一、实验原理

基本无线通信系统一般由发信机、收信机及其天线（含馈线）构成。

如图1所示。

天馈天馈

信源信宿

图1无线通信系统的组成

1.发信机

发信机的主要作用是将需要传输的信源信号进行处理并发送出去。

首先通过调制器用信源信号对高频正弦载波进行调制形成中频已调制载波，中频已调制载波经过变频器和滤波器转换成射频已调制载波，射频已调制载波送至射频放大器进行功率放大，最后送至发射天线，转换成辐射形式的电磁波发射到空间。

一个典型的无线发信机的组成框图，如图2所示。

信源信号天线

图2无线发信机的组成框图

2.收信机

收信机的主要作用是将天线接收下来的射频载波还原成要传输的信源信号。

收信机的工作过程实际上是发信机的逆过程，首先对来自接收天线的射频载波信号进行低噪声放大，然后经过下变频器、中频滤波器中频放大器变换称为满足解调电平要求的中频已调制载波，最后经过解调器还原出原始的信源信号。

一个典型的无线收信机的组成框图，如图3所示。

天线输出信号

图3无线收信机的组成框图

3.天线

天线是无线通信系统不可缺少的重要组成部分之一。

天线的主要作用是把发信机送来的射频载波变换成空间电磁波并辐射出去（发射端）或者把收到的空间电磁波变换成射频载波并送给收信机（接收端）。

本实验将对使用的额微波收发系统（SD3200）微波电路实验训练系统的各个参数进行测量，实验者能完整、透彻的了解微波射频系统，掌握微波收发系统的基础知识。

SD3200R/T微波TV收发系统由发射机系统和接收机系统两个试验箱组成。

该微波TV收发系统是一套工作在900MHz微波频段的无线通信实训系统，可以进行图像和话音业务的无线传输实验，同时可以进行滤波器，放大器，滤波放大器等电路的相关实验。

微波TV收发系统主要由TV发射机系统和TV接收机系统两部分组成。

微波TV收发系统可以提供6个无线信道，信道间隔8MHz，频率设置如下表所示。

信道

CH1

CH2

CH3

CH4

CH5

CH6

中心频率（MHz）

900

892

884

876

868

860

发射机本振频率（MHz）

960

952

944

936

928

920

接收机本振频率（MHz）

938

930

922

914

906

898

二、内容及步骤

1、微波TV发射机系统的调试

1）传输信道的单载波调试

（1）连接测试系统（断开调制器）

（2）设置DDS信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如60MHz、-30dBm）。

（3）将信道选择器分别设置为CH1~CH6，用频谱分析仪测量功率放大器的输出信号频率和电平，测试数据记录在数据表格中。

注：

由于没有DDS信号发生器，由试验系统的视频输入端口代替。

2）发射机的输出频谱测量

（1）连接测试系统（频谱分析仪街道功率放大器的输出端）。

（2）将信道选择器设置为CH1.

（3）用频谱分析仪观测并记录微波TV发射机系统的输出信号频谱图，频谱图记录在数据表格中。

（4）测量并记录输出信号的主要频率分量和信号电平，测试数据记录在数据表格中。

（5）将信道选择器分别设置在CH2~CH6，测量并记录的主要频率分量和信号电平，测试数据记录在数据表格中。

2、微波TV接收机系统调试

1）接收信道的单载波调试

（1）连接测试系统（断开调制器）。

（2）将信道选择器设置为CH1.根据接收信道的中心频率，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900MHz，-40dBm）。

（3）用频谱分析仪测量中频放大器的输出频率和电平，测试数据记录在数据表格中。

（4）将信道选择器分别设置在CH2~CH6，并根据相应的信道设置微波信号发生器的输出信号频率，重复以上测量，测试数据记录在数据表格中。

2）接收信号的频谱测量

（1）连接测试系统（断开调制器，发设计和接收机距离30cm左右）。

（2）将发射机和接收机的信道均设置为CH1。

用频谱分析仪观测中频放大器的输出信号频谱图，并与TV发射机的输出频谱图相比较。

（3）将发射和接收信道分别设置为CH2~CH6，观察频谱图变化。

三、实验数据及分析

1、微波TV发射机系统的调试

⑴传输信道的带载波调试

信道设置

CH1

CH2

CH3

CH4

CH5

CH6

输入频率（MHz）

58.0

输入电平（dBm）

-30

输出频率（MHz）

900．05

892.05

884.03

876.05

868．67

860.83

输出电平（dBm）

2.25

3.93

2.52

1.57

2.22

1.64

⑵发射机的输出频谱测量

信道设置

主要频率分量和电平

CH1

频率（MHz）

899.92

906.51

893.53

电平（dBm）

3.67

-21.18

-18.78

CH2

频率（MHz）

892.01

898.45

885.47

电平（dBm）

3.89

-19.03

-20.95

CH3

频率（MHz）

883.95

890.57

887.40

电平（dBm）

4.01

-18.33

-25.85

CH4

频率（MHz）

875.95

882.59

869.50

电平（dBm）

2.77

-15.61

-21.26

CH5

频率（MHz）

868.00

874.52

861.45

电平（dBm）

3.53

-18.71

-24.28

CH6

频率（MHz）

860.05

866.49

853.43

电平（dBm）

2.96

-15.45

-30.83

2、微波TV接收机系统调试

⑴接收信道的单载波调制

信道设置

CH1

CH2

CH3

CH4

CH5

CH6

输入频率（MHz）

900

892

884

876

868

860

输入电平（dBm）

-38.70

输出频率（MHz）

860.050

860.050

860.068

860.000

860.083

860.68

输出电平（dBm）

-44.86

-47.14

-49.94

-51.53

-47.17

-47.85

⑵接收信号的频谱测量

信道设置

输出频率（MHz）

输出电平（dBm）

CH1

37.9

-28.54

CH2

37.9

-28.27

CH3

37.95

-27.85

CH4

37.93

-29.86

CH5

37.96

-28.53

CH6

37.933

-28.66

4.接收机的灵敏度测量

CH1

CH2

CH3

CH4

CH5

CH6

接收灵敏度（dBm）

-38.39

-45.76

-29.73

-29.91

-28.08

-30.50