北邮微波射频测量技术基础.docx

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北邮微波射频测量技术基础

《微波射频测量技术基础》课程实验 

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2016年1月5日

《微波射频测量技术基础》课程实验

实验一微波同轴测量系统的熟悉

一、实验目的

1、了解常用微波同轴测量系统的组成，熟悉各部分构件的工作原理，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

①微波同轴测量系统的实物图

②主要组成部分及其功能

Ø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。

Ø同轴线：

连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。

Ø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。

Ø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。

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

②然后经过SOLT校准,消除系统误差；

③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）看开路校准件的电容值设定（校准系数）

在校准菜单下的CalKit（校准件）选项里，打开校准件的开路件对话框

d）看短路校准件的电感值设定（校准系数）

在校准菜单下的CalKit（校准件）选项里，打开校准件的短路件对话框

e）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

点击【文件】>【另存为】，然后选择相应的保存目录

可保存的数据格式为.jpg图片格式。

g）了解仪器提供的校准方法（SOLT）

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，即短接、开路、负载和直通。

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。

）

答：

不可以，因为微波同轴测量系统只能对于微波的入射和反射的电压电流关系进行分析。

S参数到Z参数的转换公式如下：

=z0

-1

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以及精度。

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。

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。

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。

图2显示了正向误差项：

ED（方向）、ES（源匹配）、EL（负载匹配）、ERF（反射跟踪）、ETF（发射跟踪）和EX（串扰）。

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（图3）。

　　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。

　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。

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。

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

直通

b）矢量网络分析仪SOLT的校准步骤

（1） 按CAL 键激活校准菜单 

（2） 按‘Start Cal’键进入下一级校准菜单 

（3） 按‘Two-Port P1 P2’键选择2端口校准，并进入下一级菜单 

（4） 按‘TOSM’键选择TOSM校准方式，选择正确的接头形式（Connector），注意这里的接头指的是测试电缆的接头形式，不是标准件的接头形式，以及正确的校准件（Calibration Kit）的型号。

（5） 点击“Next”键，进入校准菜单，SOLT校准共有7个步骤：

①在1端口接开路校准件，用鼠标点击“开路open”。

②在1端口接短路校准件，用鼠标点击“短路Short”。

③在1端口接负载校准件，用鼠标点击“负载Load”。

④在2端口接开路校准件，用鼠标点击“开路Open”。

⑤在2端口接短路校准件，用鼠标点击“短路Short”。

⑥在2端口接负载校准件，用鼠标点击“负载Load”。

⑦在1端口和2端口之间接直通校准件, 用鼠标点击“直通Through”,同时下方的”Apply”键也生效。

点击“Apply”，使校准数据生效。

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

短路

匹配

直通

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、自制TRL校准件进行校准，编制TRL校准程序。

推导出所用矢量网络分析仪的误差模型，并以Matlab画图的形式给出。

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、测量天线和滤波器的实际性能。

二、实验内容

1、存储测量结果，并通过测量结果了解天线和滤波器的工作原理以及性能

a）天线和滤波器的S参数测量曲线

①天线的S11测量曲线

②滤波器的S11测量曲线

滤波器的S21曲线

b）通过分析其S参数，了解天线和滤波器所组成的网络的特性。

ØS11是S参数中的一个，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。

此参数表示天线的发射效率好不好，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。

Ø对于滤波器来说，通带增益主要由滤波器的S21参数确定。

阻带增益也主要由滤波器的S21参数确定。

通带反射系数由滤波器的S11参数确定。

在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。

S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21（S12）随频率变化的曲线上。

S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

①对于天线，由于是单端口器件，故只有S11的结果，在工作频率点处，S11（回波损耗）很小，即全部能量发射出去。

②对于滤波器,可以看出，是良好的带通滤波器，且同频带较窄

2、在分别经过校准和没有校准的情况下测量天线和滤波器的性能，比较两类测量结果，

a）未校准和校准后天线和滤波器测量曲线比较

①天线

未校准天线

校准后天线

调整前后，天线的曲线更平滑了，且方向性变好了，更有助于接收和发射信号

②滤波器

未校准的S11测量曲线

校准后的S11测量曲线

为校准的S12测量曲线

校准后的S12测量曲线

③隔离未校准前

隔离校准后

④耦合未校准

耦合校准后

⑤直通未校准

直通校准后

带通滤波器1的S11参数曲线可以看出，衰减到10dB，S参数突变小，表明在此频率范围内系统导通，实现带通，但是校准前后最大衰减量变大，说明滤波在中心频率处性能更好。

b）结合实验二指出对于三个器件，十二项误差模型中哪个误差项的影响比较大，原因是什么？

实验二指出对于三个器件，十二项误差模型中影响比较大的误差项为：

ETF、ETR传输跟踪误差和ERF、ERR反射跟踪误差，因为测试电缆等在工作频带范围内其特性都会存在变化。

c）通过测量结果分析三个器件的工作原理

天线工作原理：

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换，在无线电设备中用来发射或接受电磁波，一般天线都具有可逆性，同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，这称为天线的互易定理。

由实验所得结果可知，天线可以接收到特定频段的信号，而对其余频段的信号则不会接受，在设计天线时可以有不同的内部构造，以根据不同的需求让天线接受不同频段的信号。

滤波器工作原理：

滤波器是减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，滤波器可以用于消除干扰，将输入或输出经过过滤而得到特定频段的信号，对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率，滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

由实验所得结果可知，滤波器只能通过特定频段的信号，而对其余频段的信号有较大的衰减，通过衰减来得到我们所需的信号。

耦合器工作原理：

在微波系统中， 往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题，实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器，主要包括：

定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件，这些元器件一般都是线性多端口互易网络，耦合器也叫适配器。

由实验所得结果可知，当接直通端时，校准后耦合器的S21参数接近于一条直线，只有很小的波动，表明此时耦合器能让大部分的信号全都通过，具有直通性，当接隔离端时，校准后耦合器的S21参数在前半段逐渐增大，后面就越来越平坦，趋于不变，但是衰减都比较大，说明此时耦合器无法让信号通过，表现出隔离性，当接耦合端时，校准后S21参数的走向与隔离端时相似，但是变化没有隔离端那么大，相对比较平缓，在大部分的频段近似为一条直线，波动很小，信号在此时也不能通过耦合器。

实验总结：

这次实验尽管时间很短，但收获很大。

它将之前我们学习的抽象的知识运用到了实际应用中去。

实验中，这些滤波器都很脆弱，一不小心可能损坏，也让我想到我们应该珍惜实验机会、爱惜实验器材，这也是一个合格的学生、合格的科研工作者应该考虑到的。

这次实验让我又学到了一种测量技术，在实际测量中必须考虑各种误差的影响，并努力利用各种方法消除误差或者得到误差的具体数据。

这让我体会到了理论学习与具体实践之间的区别，决不能将理论知识生搬硬套到具体实践中。