微波测量实验报告

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一、      微波同轴测量系统

1.       微波同轴测量系统的组成

图1  微波同轴测量系统图

         各元件和仪器在系统中的作用：

(1)     扫描振荡器：产生频率在一定范围内周期性线性变化的扫频信号

(2)     功率分配器：将扫频信号分为功率相等的两路信号，一路VA作为测试信号，另一路VR作为参考信号

(3)     本振VCO：产生与扫频信号频率差一定的较高频信号，用于混频得到中频信号

(4)     中频滤波器：滤出混频后的中频信号，以便进行幅度和相位比较

(5)     幅度比较器：比较中频测试信号和中频参考信号的幅度

(6)     相位检测器：检测中频测试信号和中频参考信号的相位差

在本学期的实验中我们使用AV36580A矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer）作为测量仪器。

2.       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

图2  矢量网络分析仪

(a)     光标/分析部分：

光标：插入、选择、删除光标

(b)     响应部分：

测量：改变测量值（S11、S21、S12、S22）

格式：改变绘图格式（幅频响应、相频响应或者Smith圆图）

比例：改变坐标单位（线性坐标、对数坐标）

校准：校准测量端口（SOLT法、TRL法）

(c)     激励部分：

起始：改变扫频起始频率

终止：改变扫频终止频率

中心：改变扫频中心频率

(d)     调节部分：

通过旋钮和按键调节光标位置或者数值大小

(e)     输入部分：

通过按键改变改变数值大小

(2)     S参数测量步骤

(a)     在测量前提前打开分析仪，进行预热

(b)     根据待测器件设定参数

(c)     用校准件对分析仪进行校准

(d)     连接待测器件，进行测量

(3)     如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换

点击仪器面板响应部分的格式按钮，选择Smith圆图；也可以选择直角坐标。

(4)     如何保存所测数据，以及可存的数据格式

点击仪器面板功能部分的保存按钮，选择另存为，然后选择保存目录，可保存为.jpg图片格式。

(5)     了解仪器提供的校准方法（SOLT）

SOLT校准是比较常用的一种方法，能够提供优异的精度和可重复性。仪器经过正确的SOLT校准后，可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度数量级的相位。常用的校准套件中都包含SOLT标准校准件。

3.       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。

不可以直接进行测量，需要先进行校准。电路Z参数可以由下式导出：

二、      微波同轴测量系统的校准方法

1.       常用校准方法

(1)     SOLT校准方法

SOLT校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。如果被测件为多端口网络，还需要分别为公母连接头提供对应的标准件，连接两个测量平面，形成直通连接。

这种校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向误差有6项，如图3，反向有6项，如图4。

图3  12项误差修正模型正向误差

图4  12项误差修正模型反向误差

         12项误差模型各误差项说明：

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(S11，S12，S21，S22)的过程。

(2)     TRL校准方法

TRL校准方法要求使用直通、反射、延迟线/匹配负载标准件。这种校准方法使用10项或8项误差修正模型，如图5。

图5  8项误差修正模型

(3)     SOLT与TRL的比较

根据SOLT和TRL校准过程的误差模型分析，我们可以得到这样几个结论：

(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,b1（以正向为例），而SOLT方法只需要三个，分别检测信号a0,b0,b1；

(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.       SOLT校准及验证

(1)     校准前各校准件S参数

短路

                   开路

                   负载

(2)     SOLT校准步骤

(a)       点击仪器面板响应部分校准按钮，选择SOLT校准

(b)       选择“前向反射校准”，依次将三种反射校准件（短路、开路、负载）连接到端口1，然后点击进行对应校准，全部完成后选择下方“完成前向反射校准”

(c)       选择“后向反射校准”，仿照上一步操作校准端口2

(d)       选择“传输校准”，将端口1和端口2通过直通校准件连接，点击“完成传输校准”

(e)       上述步骤全部完成后，点击“完成校准”保存校准结果

(3)     校准后各校准件S参数

短路

         开路

         负载

(4)     曲线说明

(a)       开路：Γ=1，|S|=1，dB值为0。Smith圆图表现为从开路点随频率变化顺时针沿圆周移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线平滑。

(b)       短路：Γ=-1，|S|=1，dB值为0。Smith圆图表现为从短路点随频率变化顺时针沿圆周移动，校准后曲线严格沿边缘移动，并且曲线平滑。

(c)       匹配：Γ=0，|S|=1，dB值为负无穷。Smith圆图表现为圆心一点。

从上面的图中可以看到校准前各条曲线有误差，校准后从图中看不出误差，说明校准精度比较高。

三、      利用微波同轴测量系统进行实际器件测量

1.       天线

(1)     S参数测量曲线

(2)     曲线分析

天线是单端口网络，S参数是端口反射波与入射波之比。从上图可以看出，在频率小于2GHz时，dB值接近0，|S|接近1，说明低频信号基本从端口被反射回来，能量没有通过天线发射出去；频率在2.3GHz附近时，dB值接近-20，|S|接近0.01，说明此频率附近反射信号小，能量通过天线被辐射出去。实验过程中还发现，如果天线附近有遮挡，凹陷部分的曲线会上移，这说明辐射功率减小，与上面的分析吻合。

2.       带通滤波器

(1)     S11,S21测量曲线

(2)     曲线分析

滤波器是双端口网络，S11是在端口2无入射波（接匹配负载）的情况下，端口1反射波与入射波之比；S21是在端口2无入射波（接匹配负载）的情况下，端口2反射波与端口1入射波之比，可理解为网络的输出与输入之比。从S11图可以看出光标频率附近|S11|较小，反射信号小，说明信号进入滤波器；其他频率|S11|接近1，反射信号接近入射信号，说明信号被反射回来。对照S22图，频率在两光标之间|S21|接近1，端口2出射信号接近端口1入射信号，说明这部分信号通过网络后衰减小；其他频率|S21|较小，端口2出射信号小，说明滤波器对这部分信号有很大衰减，基本被滤除。S21图上两光标对应-3dB点，可得带通滤波器带宽约为120MHz，中心频率约为1.3GHz。

四、      实验总结

其实这并不是我第一次接触矢量网络分析仪，之前在参加电子设计竞赛的时候，由于需要测量网络的高频特性，我就在老师的指导下接触过它。但当时只会直接接线测量，根本不清楚它的工作原理，更别提校准操作了。在经过了近一个学期系统的微波理论课学习后，我对微波技术有了些了解，对S参数的意义有了较深入的认识，也开始慢慢理解当时竞赛所做的测量的意义。经过这次微波测量实验，我对微波测量又有了更加深入的理解，实验中我了解了矢量网络分析仪的工作原理，知道了测量前要校准的原因和SOLT校准方法的操作步骤，也学会了使用仪器来测量待测网络，观察仪器显示的图形。

通过这次实验我不仅温习了在理论课上学到的微波网络的知识，也提高了在理论课上没有办法学到的实践能力，有了很大收获。

第二篇：20xx微波基本参数测量 实验报告

微波基本参数测量实验报告

摘  要：

本次实验主要了解由可变衰减器，隔离器，可变短路器等组成的微波系统。了解反射式速调振荡器的结构、特性、工作状态。掌握微波的基本测量：利用谐振腔法测量频率；利用绝对测量法测量功率；利用直接法测量中、小驻波比，二倍法测大驻波比驻波比。

关键词：

反射式速调振荡器 微波的频率测量 微波的功率测量 驻波比测量

引  言：

            微波是波长很短，频率很高的电磁波。它的波长在1m~2mm范围，他的频率在300MHz~300GHz之间。微波具有波长短、频率高、直线传播和量子特性等特点。研究微波电路必须考虑电路中电磁场的空间分布和电磁波的传播。

             微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，其重要标志是雷达的发明与使用。微波技术不仅在国防、通讯、农业生产的哥哥方面有着广泛的应用，而且在当代尖端科学研究中也是一种重要手段。微波测量的内容虽然很多，但频率测量、功率测量和驻波测量时三个基本测量。

正  文：

一、实验内容

（一）频率测量

    微波频率测量的方法有两种：一是谐振腔法；二是频率比较法。实际测量中主要使用谐振腔法，只有在作精密测量和校准时才使用频率比较法。

    谐振腔法的测量设备是谐振腔波长计，谐振腔波长计有两种不同方法与微波系统连接：传输式和吸收式。在本实验中采用的是吸收式谐振腔波长计。其测量频率的工作原理在于谐振腔只有一个输入端与微波传输线相连接，以形成传输线内微波的能量分支。

按如图所示连接。将检波指示器和检波器接到被测件位置上，利用波长表可以测出微波信号源的频率。旋转波长表的侧微头当波长表与被测频率谐振时，将出现吸收峰，反应在检波指示器上的指示是一跌落点，读出测量头读数，在附录表中查出对应频率。

 (二)功率测量

    微波功率测量包括两种方法：1.相对测量——确定微波功率的相对大小；2.绝对测量——确定微波功率的绝对值。在测量工作中常常需要检测微波功率的存在或估计其相对大小，借助检波晶体管的建波电流，在可以简单地估计功率的大小。

    在实验中，微波绝对功率的测量时利用吸收式微瓦功率计。其探头的结构是由两种不同金属组成的回路，如果加热其中一个结点，造成两个结点之间的温度差，于是在此回路中将产生正比于温差的热电动势，这就是温差热电偶，它可将微波能量转变成直流电势，这种转变是通过探头中的铋-锑热电偶膜片来实现。

功率绝对测量    按如图所示连接电路。将检波器输出接探头和微瓦功率计，并选择合适的量程，并把功率探头通过波导——同轴转换接到被测功率源上，此时功率计上的指示几位测得微波功率的绝对值。

 

(三)微波驻波比测量

驻波测量可以判断微波传输系统是否处于良好的匹配状态，还可以测量波导波长、衰减、阻抗、谐振腔Q值等。

    驻波测量的方法和仪器种类很多，在本实验中用驻波测量线，根据直接法测量中、小驻波比，等指示度法（或称二倍最小功率法）测大驻波比。

    驻波比依据不同的负载，结合大，小驻波比，分别使用二倍最小功率法，直接测量法测量。

    （1）小、中驻波比的测量。电压驻波比是传输线中电场最大值与最小值之比，表示为：

具体步骤是：按照下面的图连接，在选频放大器上选择合适的电压以及量程和增益按钮，调节频率旋钮，使放大器的表头数字最大。再移动探测头使其分别移到波腹和波谷处，记录下表头读数，按照公示计算。

    （2）测量大驻波比（二倍法适用于S>10）

当待测器件驻波比大于10时，驻波波腹和波节相差很大。因而使晶体检波输入处于不同的检波律。这样用直接法测量驻波比会带来较大的误差（即最大值和最小值相差太大，某个读数有很大误差）。而二倍法是采用测量驻波波节点附近驻波分布规律来进行驻波比测量的方法。

具体步骤是：当E最小值小到难以读数时，适当增加放大电压，使其最小值读数变大。我们只需要测量驻波波节点处的幅值Imin和2Imin时测量线探针间距d＝｜d1-d2｜。

当检波器的检波律是平方检波时，负载的驻波比可以按下式作近似计算：

　，当S较大时，很小，上式可以简化为：。

而驻波波长的测量则可通过探针任意选取驻波上某个点，记录下读数，再向一个方向移动过相同数值第三次时，此时的读数与第一次的读数之差就是驻波的波长。

二、数据记录与处理

1.频率的测量

2.功率的测量

3.驻波比的测量

小驻波比

由得  S= 1.044

中驻波比

λg=48.6mm

d=3.591mm

由计算得到，S=4.31

大驻波比

λg=49.4mm

d=0.592mm

由计算得到， S=26.6

三、实验结论与分析

1.频率的测量

    频率的测量所得的数据中，实际功率与输入功率比为1.6左右。符合实际情况，此数据为有效数据。

    其中需要注意的是，虽然测量所得的波长读数基本没有变化，但还是需要经过至少三次的测量。

2.功率的测量

由所得数据可知，随着衰减长度的增加，功率变小。

在功率的测量中用到了利用吸收式微瓦功率计。其主要功能是将微波能量通过探头中的铋-锑热电偶膜片，利用两种金属受热产生温度差，从而产生电势，来对应表盘的读数。利用这个方法，我们可以将较难测量的微波能量，利用温度差转化为能够测量的电势。

3.驻波比的测量

小驻波比的测量较为简单，利用E与I的平方成正比。因此可直接利用所得电流求出S。

中驻波比的测量中，由于电流最小值接近0，因此，只能用二倍法测量。但是二倍法测量的前提是S最好大于10，这与我们所得的S=4.31不符。因此，此数据不是有效数据，次实验结论无效。应先调节信号源和选频放大器，以及检查短路器是否旋转到位，直至能够得到较为理想的数据后再开始测量。

大驻波比的测量所得数据均较为合理，此数据为有效数据。