微波工程基础实验报告

           

  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。

微波测量系统常用的有同轴和波导两种系统。同轴系统频带宽,一般用在较低的微波频段。波导系统损耗低，功率大，一般用在较高频段。

一个完整的微波测量系统通常有信号源，测量装置和指示器三部分组成。

（1）微波信号源部份：

它包括微波信号发生器，隔离器和功率、频率监视单元，信号发生器提供测量所需的微波信号，它具有一定频率和足够功率。功率、频率监视单元是由定向耦合器取出一部分微波能量，经过检测指示来观察信号的稳定情况，以便及时调整，为了减少负载对信号源的影响，电路中采用了隔离器。

（2）测量装置（即测量电路）：

包括测量线，调配元件，待测元件和辅助元件（如短路器，匹配负载），以及电磁能量检测器（如晶体检波器，功率计探头等）。

（3）指示部分（即测量接收器）：

指示器是显示测量信号与特性的仪表，如直流电流表，测量放大器，功率计，示波器，数字功率计等。

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

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  提供入射信号的信号源:信号源

为激励被测器件，信号源必须在整个感兴趣的频率范围内提供入射波。被测器件通过传输和反射对激励波做出响应。被测器件的频率响应通过信号源扫频确定。测量结果受到多种信号源参数的影响，包括频率范围、功率范围、频率稳定度和信号纯度等。在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源。

②  信号分离器分离入射、反射和传输:信号分离

网络分析仪的下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅度和相位。矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。用做信号分离功能的硬件通常称为“测试装置”。测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。

③  接收机把高频信号转换为较低频率(中频)的信号: 接收机

网络分析仪的接收机把RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确的检测任务。标量网络分析仪采用宽带的晶体检波技术，矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术。采用调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。窄带中频滤波器产生相当低的本底噪声，结果显著地改善了灵敏度。矢量网络分析仪的接收机的最小等效带宽达10Hz。

④    处理和显示系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检验和导出的信息:处理和显示系统一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和显示各种测量。矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通道，一个通道作为测试通道。矢量网络分析仪的显示功能强大灵活，如多种标记功能、极限线功能，为测试带来很大便利。

b)S 参数测量步骤

先校准后，连接微波器件，通过文件在功能中把s参数调出，修改为，查看曲线。

c)如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换

    在显示的测试结果中从选项中选择Smith圆图显示；有转换为直角坐标的选项。

d)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。

e)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。传输线终端开路时，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理。

f)短路校准件的电感值设定(校准系数)

传输线终端短路时，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理。

g)仪器提供什么样的校准方法

    仪器提供多种校准方式，包括频响、单端口、响应隔离、增强型响应、全双二端口校准。

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？

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，如等来计算。

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TRL和SOLT校准方法，了解其校准原理和优缺点。

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：

1）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；

2）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；

3）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；

4）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。

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

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。

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

开路：电路网络开路，则=1，s参数初始在1位置，随着频率变化顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格从边缘移动，并且曲线平滑。

短路：电路网络短路，则=-1，s参数初始在-1位置，随着频率变化顺时针沿边缘移动，校准后曲线严格从边缘移动，并且曲线平滑。

匹配：电路网络匹配，则=0，s参数始终位于Smith圆图中心。在校准后s参数不再发散，位于单位圆的中心。

直通：电路网络匹配，则=0，s参数始终位于Smith圆图中心。在校准后s参数不再发散，位于单位圆的中心。

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、测量功分器、耦合器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功分器、耦合器和滤波器的工作原理以及性能，报告中包括以下内容

a)功分器、耦合器和滤波器的S参数测量曲线

注：实际测量中只测量了两个带通滤波器、一个天线、一个低通滤波器，不完全符合题给要求。全部截图见下方的第二部分实验内容。

b)通过分析其S参数，了解功分器、耦合器和滤波器所组成的网络的特性。

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，给出实验报告，包括以下内容：

a)未校准和校准后天线和滤波器测量曲线比较；

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？

c)通过测量结果分析三个器件的工作原理。

带通滤波器1的S11参数曲线

校准后的S11参数曲线

带通滤波器2的S11参数曲线

校准后的S11参数曲线

低通滤波器的S11参数曲线

校准后的S11参数曲线

天线的S11参数曲线

校准后的S11参数曲线

从上面4组微波器件可以看出，校准后的S11参数曲线明显比校准前平滑，曲线特性也更为明了，前后对比更突出了校准对为微波测量的结果有着极为重要的影响。

通过分析上述曲线，我们可以发现莎车的两个带通滤波器的功能是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。利用电源滤波器的这个特性，可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波，变成一个特定频率的正弦波。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。

带通滤波器1的S11参数曲线可以看出，在1.53GHz到1.55GHz左右衰减到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。

带通滤波器2的S11参数曲线可以看出，在2.40GHz到2.52GHz左右衰减到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几乎不变。

低通滤波器的S11参数曲线可以看出，在0到2.56GHz内，S参数虽然有起伏变化，但衰减小于10dB，表明在此范围内系统导通，实现低通，但是校准前后带宽大致不变。

天线的S11参数曲线可以看出，在2.14GHz到2.56GHz左右，S参数衰减在10 dB内，表明在此范围内系统可以导通，能够实现带通的效果，说明调整前后天线的方向性变好了，更有助于接收和发射信号。

实验总结：

     这是我们第一次做与微波测量相关的实验，感觉很陌生，但是也很新鲜。我们本次使用的实验仪器是矢量网络分析仪(Agilent 8722ES)和它配套的校准器件以及滤波器、天线等微波元件。矢量网络分析仪可以用来测量无源和有源网络的S参量，它是一台双(或四)通道微波接收机，设计成可用来处理来自网络的透射波和反射波的幅值和相位。我们利用这台仪器来校准器件，并进行微波器件的S参数测量。这次实验温习了我在理论课上学到的微波网络的知识，对S参数有了更深入的了解。微波器件的S参数在实际工程中是非常重要的，设计师根据器件的S参数曲线来对微波器件进行设计以达到设计要求。

     我们是班里第三个做实验的小组，也许是我们的操作不当，又或许是器件已经有了一些程度的损伤与偏差，总之我们的实验做得不是很顺利，最终的结果与理论曲线也有一些出入。但是我们还是学到了实验知识，粗略掌握了仪器的简单使用。而我们曲线的偏差也证明了微波测量是一个要求比较精确的实验，一些微小的错误也会导致很大的误差。这也告诫我们做实验，尤其是精确测量的实验一定要有谨慎的态度。

   

第二篇：实验报告Ⅳ-微波的基本参数测量

微波的基本参数测量

物理082班 李春宇 08180240 摘要：微波技术是一门独特的现代科学技术，我们应掌握它的基本知识和实验方法。在通过对微波测试系统的基本组成和工作原理的观察和研究后，我们掌握了频率、功率以及驻波比等基本量的测量，同时掌握了微波的基本知识；了解了微波在波导中的传播特点，初步掌握微波的测量技术；学习用微波作为观测手段来研究物理现象。

关键词：微波、频率、驻波比、功率、测量

引言：微波的用途极为广泛，已经成为我们日常生活中不可缺少的一项技术。微波通常是指波长从1米（300MHZ）到1毫米（300GHZ）范围内的电磁波，其低频段与超短波波段相衔接，高频端与远红外相邻，由于它比一般无线电波的波长要短的多，故把这一波段的无线电波称为微波，可划分为分米波、厘米波和毫米波。

微波的基本特性明显，如波长极短、频率极高、具有穿透性、似光性等。基本特性明显使得微波被广泛应用于各类领域。微波技术不仅在国防、通讯、工农业生产的各个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，如高能粒子加速器、受控热核反应、射电天文与气象观测、分子生物学研究、等离子体参量测量、遥感技术等方面。近年来，微波技术与各类学科交叉衍生出各类微波边缘学科，如微波超导、微波化学、微波生物学、微波医学等，在各自领域都得到了长足的发展。

微波技术是一门独特的现代科学技术，其重要地位不言而喻，因此掌握它的基本知识和实验方法变得尤为重要。

一、实验目的：

1、了解微波传输系统的组成部分

2、了解微波工作状态及传输特性

3、掌握微波的基本测量：频率、功率、驻波比和波导波长

二、实验原理：

1．微波的传输特性.

在微波波段中，为了避免导线辐射损耗和趋肤效应等的影响，一般采用波导作为微波传输线。微波在波导中传输具有横电波（TE波）、横磁波（TM波）和横电波与横磁波的混合波三种形式。微波实验中使用的标准矩形波导管，通常采用的传输波型是TE10波。 波导中存在入射波和反射波，描述波导管中匹配和反射程度的物理量是驻波比或反射系数。依据终端负载的不同，波导管具有三种工作状态：

(1) 当终端接"匹配负载"时，反射波不存在，波导中呈行波状态；

(2) 当终端接"短路片"、开路或接纯电抗性负载时，终端全反射，波导中呈纯驻波状态；

(3) 一般情况下，终端是部分反射，波导中传输的既不是行波，也不是纯驻波，而是呈混波状态。

2．微波频率的测量

微波的频率是表征微波信号的一个重要物理量，频率的测量通常采用数字式频率计或吸收式频率计进行测量。下面主要介绍较常用的吸收式频率计的工作原理：

当调节频率计，使其自身空腔的固有频率与微波信号频率相同时，则产生谐振，此时，通过连接在微波通路上的微安表或功率计可观察到信号幅度明显减小的现象（注意，应以减幅最大的位置作为判断频率测量值的依据）。

调整L，找到谐振频率，记下此时L，查波长校正表，可知频率f（由?＝c/f,可求波长）。

3．微波功率的测量

微波功率是表征微波信号强弱的一个物理量，通常采用替代或比较的方法进行测量。也就是将微波功率借助于能量转换器，转换成易于测量的低频或直流物理量，来实现微波功率 的测量。实验室中通常采用吸收式微瓦功率计(如GX2A)：

传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。

4. 波导波长和驻波比的测量

（1）驻波比的测量.

关于驻波比，定义为波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场之比。

其中Emax和Emin分别表示波导中驻波极大值点与驻波极小值点的电场强度。 实验中通常采用驻波测量线来测定波导波长和驻波比，其结构如图所示．

探针

驻波测量线的结构

使用驻波测量线进行测量时，要考虑探针在开槽波导管内有适当的穿伸度，探针穿伸度一般取波导窄边宽度的5%~10%。实验前应注意驻波测量线的调谐，使其既有最佳灵敏度，又使探针对微波通路的影响降至最低。一般是将测量线终端短接，形成纯驻波场。移动探针置于波节点，调节测量线，使得波节点位置的检波电流最大，反复进行多次。

由于终端负载不同，驻波比s也有大中小之分。因此驻波比测量的首要问题是，根据驻波极值点所对应的检波电流，粗略估计驻波比s的大小。在此基础上，再作进一步的精确测定：

（a）小驻波比的测量

在这种情况下，驻波波腹和波节都不尖锐，因此要多测几个驻波波节和波腹，按下式计算S的平均值：

S?Emax1?Emax2???Emaxx Emin1?Emin2???Eminx

当检波晶体管满足平方检波律时，则

S?

（b）中驻波比的测量

此时只需测一个驻波腹和一个驻波节，按下式计算即可：

S?Emax?Emin

（c）大驻波比的测量

波腹振幅与波节振幅的差别很大，测量线不能同时测量波腹和波节，此时可以用二倍极小功率法进行测量。利用探针测量极小点两旁，功率为极小功率二倍的两点的距离W，波导波长λg，可按下式计算驻波比：

S?

?g

?W

（2） 波导波长的测量．

波导波长在数值上为相邻两个驻波极值点（波腹或波节）距离的两倍：

?g?2(L2?L1)

由于场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不易确定，实际采用测定驻波极小点的位置来求出波导波长。考虑到驻波极小点附近变化平缓，因而测量值不够准确。为此，测量时通常不采取直接测量驻波极小点位置的方式，而是通过平均值法间接测量。亦即测极小点附近两点（此两点在指示器上的输出幅度相等）的坐标，然后取这两点坐标的平均值，即得极小点坐标。波导波长需在驻波测量线上测量，一般为两个波节间的距离。

三、实验步骤：

(1)、根据讲义中介绍的常用微波器件和实验室提供的仪器使用说明书，掌握它们的工作原理及使用方法。

(2)、仔细旋转吸收式波长计上螺旋测微计的刻度，在7mm～8mm的范围内，细心观察微安表电流值的变化。在找到最大吸收点时，记下波长计的读数D。

(3)、传输线路终端接入探头和功率计，并选择合适的量程，功率计调零后把波导开关旋至检波器上，读出功率读数。

(4)、由于直接测量极大点和极小点不够准确，所以采取测量极点两边的值的方法来代替直接测量。分别测量大驻波比、中驻波比、小驻波比。 四、数据处理

3．驻波比的测量

由公式得：平均值（2）中驻波比的测量

将吸收端置于中驻波处，测得微波信号源频率为8584Hz时，Emax=92.0μV，Emin=1.7

μV；根据公式S=Emax

Emin=7.385

（3）大驻波比的测量

根据大驻波比的特点，采用二倍极小功率法进行测量。下面是数据分析要用到的公式：

S??g ?W

? ? 2 (2?L1)g

W为功率为极小功率二倍的两点的距离，λ为波导波长

先求出波腹波节的位置，再求出极小功率二倍的两点的距离分别为158.0mm、151.7mm、130.0mm、124.5mm；还求出相邻驻波极值点为7.902mm、7.803mm。

根据以上公式,大驻波比：S??g=37.96 ?W

实验结论：

微波频率、波导波长和功率的测量方法较为直接简单，但在理解原理的过程中花费了很长的时间。通过对实验数据的整理和分析发现波导波长的两组数据差值较大，分析原因可能有下：在实验过程无意间改变了衰减器的数值；在移动波导测量线的游标卡尺时有一组数据不是相邻的两个波峰和波谷间的数值；也可能是人为误差，错误的读取了数值。

试验中应注意的有：用选频放大器测驻波比时，体效应微波源必须使用“方波”档。由于仪器的灵敏度很高，可将“分贝”及“增益”旋钮做为“粗”、“细”调使用。 切勿使电表指示超出100mA,否则极易损坏电表。功率计探头的功率衰减为100，故真实的功率应为功率计示值的100倍。

本实验是微波实验中的基础实验之一。通过实验，基本达到了实验最初的目的：了解微波的传输系统的组成部分；对微波的产生、微波原件和微波测量的基本知识有了进一步的了解；掌握了测量微波基本参数的基本方法。

总的来说，在自己探索加提问的方式完成了此次实验，同时了解了实验的实质就是对理论本质的理解，没有真正理解实验原理的本质，是很难开展实验的。