北邮微波测量实验报告综述.docx

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北邮微波测量实验报告综述

北京邮电大学

微波测量实验

学院：

电子工程学院

班号：

2011211204

学号：

2011210986

姓名：

班内序号：

15

时间：

2013年12月

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。

微波同轴测量系统实物图如图所示：

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。

1）矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能

面板组成图如下所示：

各部分功能如下：

（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。

2）S参数测量步骤

a）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：

b）然后经过SOLT校准,消除系统误差；

c）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。

3）如何看开路校准件的电容值设定（校准系数）

当传输线终端开路或短路时，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，开路端电流为零。

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信号电压同相。

信号关系满足欧姆定律。

4）如何看短路校准件的电感值设定（校准系数）

传输线终端短路是，开路端电压为零。

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信号电流同相。

信号关系满足欧姆定律。

5）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。

6）如何保存所测数据，以及可存的数据格式

在屏幕的右上角，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。

 。

7）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（短路－开路－负载－直通）校准方法。

三、思考题

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。

）

不可以直接进行电路参数的测量，需要先进行校准。

此外由于仪器仅给出了S参数的测量，但是没有电路参数的测量选项；如果要求电路参数，可以由测量的S参数通过导出选项导出电路参数，如用Γ等计算。

S参数到Z参数的转换公式如下：

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）

1）SOLT校准方法

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。

其使用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。

如下两图所示。

EDF，EDR：

反射参数，衡量VNA耦合器分离前向波和反射波程度，数值越大越好。

小的反射参数会导致信号的耦合泄漏。

ERR，ERF：

传输参数，误差与反射测量相关，可以用短路和屏蔽开路校准件进行测量。

EXF，EXR：

隔离，串扰，误差与串扰相关，可以通过测量接匹配负载的1口和2口来确定。

ESF，ESR以及ELF，ELR：

信号源匹配和负载匹配，指信号源与50欧姆负载的匹配程度以及负载的质量，这些误差可以通过测量S11和S22确定。

ETF，ETR：

传输参数，误差与传输测量相关，通过测量1、2口互连时的传输确定。

网络分析仪的校准即是通过数学的方法消除以上误差项，得到被测器件真实参量（Sa11，Sa12，Sa21，Sa22）的过程。

2）TRL校准方法

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。

如下图所示：

3）两者优缺点比较如下所示：

a）TRL方法计算简单，但该方法需要网络分析仪具有四个接收机，分别检测信号a0,a1,b0,b3（以正向为例），而SOLT方法只需要三个，分别检测信号a0,b0,b3； 

b）TRL方法仅需要简单的校准件，不需要理想的强反射件（理想的开路或短路），并且传输线校准件比较容易实现；而SOLT方法则需要很多的校准件，并且校准件的性能指标对校准结果的影响较大； 

c）SOLT方法 比较适用于同轴环境，也可以用于高频探针和在片测量；TRL方法比较适用与非同轴环境，例如共面波导，微带线等； 

d）TRL方法中，传输线的工作频带和起始频率的关系是8：

1，因此TRL校准是窄带的，宽带的TRL校准需要多个不同长度的线，这样会浪费面积；而SOLT方法是宽带的。

SOLT校准方法得到的测试结果明显优于TRL。

另外在校准和测试过程中，采用TRL校准方式的测试由于不同的传输线适应不同带宽的校准频率范围，校准和测试必须分段进行，所以在测试结果中可以看到曲线的不连续性

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。

1）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

a）校准前开路对数图

b）校准前短路对数图

c）校准前负载对数图

d）校准前直通对数图

2）矢量网络分析仪SOLT的校准步骤

响应→校准→校准向导→选择双端口solt→测量机械标准→一次选择1端口短路、开路、负载、直通，2端口短路、开路、负载进行校准。

3）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

a）校准后开路对数图及simth圆图

b）校准后短路对数图及simth圆图

c）校准后负载对数图及simth圆图

d）校准后直通对数图

4）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

开路：

网络开路，г=1，校准后s参数是一条值为0db的水平线，在圆图上随频率变化顺时针移动，由图知，校准精确度很高；

短路：

网络短路，г=-1，校准后s参数是一条值为0db的水平线，在圆图上随频率变化逆时针移动，由图知，校准精确度很高；

负载：

网络负载匹配，г=0，s参数db值应很小，在圆图上位于圆心一点，由图知，s参数是db=-50db，足够小，因而校准精确度很高。

直通：

电路网络直通，г=0，s参数db值应很小，在圆图上位于圆心一点，由图知，s参数是db=-50db，因此满足条件，校准精确度很高。

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、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。

2、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

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。

三、实验结果截图及分析

1、对三种器件测量及分析如下

a）测量天线,s11截图如下：

说明：

由该图形可以看出，该器件应该是个天线，是能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接受空间某特定方向来的电磁波的装置。

图中明显的下陷处对应的2.29Ghz频率值下该天线发射时能有较好的性能。

b）测量滤波器，s11截图如下：

该滤波器的s21截图如下：

由该图形可以看出，在频率比较小的时候，s12曲线值很小，然后开始增大，逐渐趋于平缓，然后频率达到一定程度后s11曲线下降，由此可见，该器件应该是个带通滤波器。

中心频率约在1.34Ghz，在1.28Ghz到1.41Ghz频率之间，通过性能比较好，实现带通。

c）测量耦合器：

说明：

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。

定向耦合器是四端口网络，端口“①”为输入端，端口“②”为直通输出端，端口“③”为耦合输出端，端口“④”为隔离端，并设其散射矩阵为[S]。

描述定向耦合器的性能指标有：

耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比和工作带宽。

图1：

耦合器隔离s11

图2：

耦合器隔离s21

图3：

耦合器耦合s11

图4：

耦合器耦合s21

图5：

耦合器直通s11

图6：

耦合器直通s21

2、对未校准和校准后天线和滤波器测量曲线比较

校准前天线如下图所示：

校准后天线如下图所示：

校准前滤波器如下图所示：

校准后滤波器如下图所示：

由图可看出，校准后测得的曲线比校准前测得的曲线更平滑，也更精确。

这一点尤其在天线这一器件上，得到了充分体现。

3、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？

实验总结

本次实验我们使用的实验仪器是矢量网络分析仪以及与其配套的校准器件，滤波器、天线和耦合器。

通过用矢量网络分析仪进行器件的测量，加深了我们对S参数的理解，使我们能将课堂上的理论知识应用于实践，用现象再来验证课堂知识，也极大地提高了我们对微波学习的兴趣和积极性。

虽然这次实验设备资源有限，但是我们小组成员还是顺利完成了测量任务，每个人都有很大的收获。

在测量过程中，同学们互相合作配合，极大地提高了实验效率。

遗憾的是，我们组在测量时，耦合器已经损坏，于是我们没有机会进行测量。

不过老师将耦合器的测量步骤和现象原理等进行了讲解，使我们对耦合器也有了一定的理解。

实验结束后，每个人都掌握了微波测量的基本步骤，收获很颇丰。

最后，也感谢老师的耐心讲解和指导。