微波技术基础实验讲义.ppt

微波技术基础实验 华中科技大学电信系 微波技术实验的意义 学习现代微波工程中的先进测量仪器与测量技术补充学习微波元件的知识 学习平面微波电路 微波技术实验的任务 学习微波电路基本参数的测量方法 S参数学习微波测量仪器的基本原理与使用 矢量网络分析仪学习微波元件的基本特性 传输线 微带谐振器 定向耦合器 功率分配器 实验规则 四个人为一小组 共用一台网络分析仪 每人一个实验箱 做实验时轮流使用仪器 其它人可以辅助 整个小组都完成 方可下课 实验过程中记得记录原始数据 回去完成实验报告 每个小组实验完后 报告老师检查数据 仪器及实验箱 检查完毕后方可离开 实验注意事项 仪器是昂贵的 弄坏是要负责任的 并非不能动 只是不要盲目的瞎动 按照老师讲授的方法操作 不明白的问老师 实验箱内的实验模块不要乱拿乱放 按照需要的取出来 用完放回去 目录 实验一矢量网络分析仪的使用及传输线的测量实验二微波元件特性参数测量 实验一矢量网络分析仪的使用及传输线的测量 一 实验目的学习矢量网络分析仪的基本工作原理 初步掌握AV3620矢量网络分析仪的操作使用方法 掌握使用矢量网络分析仪测量微带传输线不同工作状态下的S参数 通过测量认知1 4波长传输线阻抗变换特性 矢量网络分析仪 现代微波工程中占支配地位的是应用网络分析方法将微波电路看作是微波网络 用散射参数 S参数 来描述微波电路的性能 S参数表达的是功率波 是用入射功率波和反射功率波的方式定义微波网络的输入输出关系 因此两端口网络S参数的测量需要涉及功率波在两个端口的反射和传输 微波矢量网络分析仪是全面测定网络参数的一种仪器 它是结合了计算机技术的一种全自动多功能的测量装置 功能强大 使用方便 它既能测量反射系数和传输参数 也能自动转换为其它需要的参数 既能测量无源网络 也能测量有源网络 既能点频测量 也能扫频测量 既能在液晶屏显示 也能打印输出 甚至直接输出到计算机中 因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功能和提高了工作效率 矢量网络分析仪的构成 矢量网络分析仪主要组成部分包括合成信号源 S参数测试装置 幅相接收机和显示部分 R 入射信号A 反射信号B 传输信号 DUT Deviceundertest 矢量网络分析仪的工作原理 AV3620矢量网络分析仪 前面板 2 硬键即前面板按键 在讲义中这些键由键名加 来描述 如 Preset 9 软键为8个空白键 在屏幕边上 在本文中 这些键用键名加 来描述 如 SWEEPTIME AV3620矢量网络分析仪 后面板 AV3620的主要性能指标 AV3620射频一体化矢量网络分析仪有下列测量格式 a 笛卡尔坐标 直角坐标 对数幅度 线性幅度 相位 群延迟 驻波比 复数参数实部和虚部 b 史密斯圆图 对数幅度 线性幅度 阻抗R jX或导纳G jB c 极坐标 对数幅度 线性幅度 相位 实部和虚部 AV3620的基本操作说明 电缆与被测微波器件的连接我们采用的是N型接头 注意连接时只旋转接头有齿纹的一端 不要旋转内螺纹一端 AV3620的基本操作说明 测量频率范围设置当AV3620开机后 显示屏默认以直角坐标的方式显示 纵轴的参数为所测量的S参数 横轴的参数为频率 默认频率范围为最大频率量程30k 3GHz 按下 start 键可以设置扫频的起始频率 按下后 显示屏左上方会显示当前起始频率 要改变的话通过按数字键加上相应的单位键 G n M n K n 来设置频率 上面三个单位键分别对应GHz MHz KHz 类似 按 stop 键设置扫频的终止频率 设置方法与起始频率相同 AV3620的基本操作说明 源功率设置按 power 键设置矢网合成源的功率大小 按下后 显示屏右上方会显示当前功率大小 如果要改变的话 按数字键加上 1 键设置功率大小 单位是dBm 注意 由于功率一遍设置为0dBm以下 所有在数字键前记得按 键设置功率dBm数为负数 AV3620的基本操作说明 测量的S参数设置 measure 键选择测量参数 按下后显示屏的软键菜单会显示 S11 S12 S21 S22 四个待选测试参数 通过按下相应软键来选择要测量的S参数 AV3620的基本操作说明 被测S参数显示格式设置 format 键选择参数显示格式 按下后显示屏的软键菜单会显示 LOGMAG PHASE DELAY SMITHCHART POLAR LINMAG SWR 分别表示以对数幅度 相位 群延迟 史密斯圆图 极座标 线性幅度 驻波比的形式显示测量参数 通过按下相应软键来选择要显示的测量格式 AV3620的基本操作说明 利用光标读取测量结果按下 marker 键就会在显示屏上的测试曲线上显示光标 对应显示屏的软键菜单处会显示光标编号 1 2 3 4 5 按下相应软键会显示对应编号的光标 默认会显示1号光标 通过旋转旋钮键就会移动光标的位置 而在显示屏右上角会显示光标对应位置的频率和测量值 而通过数字键输入频率值也可以确定光标的位置 微带电路 微带传输线目前是混合微波集成电路和单片微波集成电路使用最多的一种微波平面型传输线 主要是因为它可以用照相印刷工艺来加工 而且容易与其它无源微波器件和有源微波器件集成 构成微带电路 实现微波部件和系统的集成化 微带传输线 特性阻抗反射系数驻波比 微带传输线接不同负载时的工作状态 端接负载的传输线的输入阻抗终端短路的传输线终端开路的传输线1 4波长传输线 实验内容 矢量网络分析仪操作实验初步运用矢量网络分析仪AV3620 熟悉各按键功能和使用方法以RF带通滤波器模块为例 学会使用矢量网络分析仪AV3620测量微波电路的S参数 微带传输线测量实验使用网络分析仪观察和测量微带传输线的特性参数 测量1 4波长传输线在开路 短路 匹配负载情况下的频率 输入阻抗 驻波比 反射系数 观察1 4波长传输线的阻抗变换特性 1 矢量网络分析仪操作实验 通过使用矢量网络分析仪AV3620测试RF带通滤波器的散射参数 S11 S12 S21 S22 来熟悉矢量网络分析仪的基本操作 微带带通滤波器模块 矢量网络分析仪操作实验步骤 步骤一调用误差校准后的系统状态步骤二选择测量频率与功率参数步骤三连接待测件并测量其S参数步骤四设置显示方式步骤五设置光标的使用 2 微带传输线测量实验 通过使用矢量网络分析仪AV3620测量微带传输线的端接不同负载时的S参数来了解微波传输线的工作特性 连接图如图1 10所示 将网络分析仪的1端口接到微带传输线模块的输入端口 另一端口在实验时将接不同的负载 微带传输线模块 微带传输线测量实验步骤 步骤一调用误差校准后的系统状态步骤二选择测量频率与功率参数步骤三连接待测件并测量其S参数 按照装置图将微带传输线模块连接到网络分析仪上 将传输线模块另一端空载 此时 传输线终端呈开路 选择测量S11 将显示格式设置为SMITHCHART 调出光标 调节光标位置 使光标落在在圆图的短路点 记录此时的频率和输入阻抗 然后将显示格式设置为SWR 记录下此时的驻波比值 将显示格式设置为LOGMAG 记录下此时的 反射系数 值 记录数据时保持光标位置始终不变 微带传输线测量实验步骤 将传输线模块的终端接头短路 将同轴内导体与外导体短接 将显示格式设置为SMITHCHART 注意观察光标的位置 此时光标所示频率仍为 中的频率 此时光标应在圆图中开路点附近 调节光标至圆图中的开路点 按照 中所示方法和步骤记录数据 将传输线模块另一端接上匹配负载 将显示格式设置为SMITHCHART 将光标调节至最靠近圆图圆心的位置 按照 中方法和步骤记录数据 五 实验报告 实验目的 内容 系统简图 步骤简述 记录有关数据 数据处理 根据有关公式算出各测量值 完成思考题 实验二微波元件特性参数测量 一 实验目的掌握利用矢量网络分析仪扫频测量微带谐振器Q值的方法 学会使用矢量网络分析仪测量微波定向耦合器的特性参数 掌握使用矢量网络分析仪测试微波功率分配器传输特性的方法 微波谐振腔的Q值测量 品质因素Q描述了谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度本实验主要运用扫频功率传输法来测量微带谐振器的Q值 功率传输法是根据谐振腔的功率传输特性来确定它的Q值 下图表示测量谐振腔功率特性的方框图 微波谐振腔的Q值测量原理 当微波振荡源的频率逐渐改变时 由于谐振腔的特性 传输到负载的功率将随着改变 它与频率的关系曲线如图所示 根据功率传输法测量谐振腔的等效电路可推得 谐振腔两端同时接有匹配微波源和匹配负载时的有载品质因数为 微带谐振器模块 微波定向耦合器 定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器件 通常有波导 同轴线及微带线等几种类型 理想的定向耦合器一般为互易无损四口网络 如图所示 定向耦合器包含主线和副线两部分 在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合机构 将一部分功率耦合到副线中去 由于波的干涉和叠加 使功率仅沿副线中的一个方向传输 称正方向 而在另一个方向几乎没有或极少功率传输 称反方向 微波定向耦合器的特性参数 耦合度输入至主线的功率 端口1输入功率 与副线中正方向传输的功率 端口2输出功率 之比的对数称为定向耦合器的耦合度C 方向性用副线中正方向传输的功率 端口2输出功率 与反方向传输的功率 端口4输出功率 之比的对数来表示定向传输的性能 称为耦合器的方向性D 微波定向耦合器的特性参数 隔离度有时 反映定向程度的指标也可以用隔离度来表示 定义隔离度为输入至主线的功率 端口1输入功率 与副线中反方向传输的功率 端口4输出功率 之比的对数 输入输出驻波比插入损耗工作频带 微带线定向耦合器 微带线定向耦合器是由两条等宽的平行耦合微带线所构成 耦合线长是奇模和偶模波长平均值的1 4 如图所示 若信号从端口1输入 则端口2和端口3将有输出 端口4没有输出 由于耦合信号 端口2的输出 的传输方向与输入信号方向相反 故这种定向耦合器称为反向定向耦合器 微带线定向耦合器模块 2 1 3 4 微带线定向耦合器的工作原理 定向耦合器为什么会有方向性呢 要具有方向性必须要有两种以上的耦合因素起作用 使耦合到副线某一端口的能量能够互相抵消 我们来看一段如图所示的平行耦合传输线 当导线1 3中有交变电流流过时 由于2 4线和1 3线互相靠近 故2 4线中便耦合有能量 此能量是既通过电场 以耦合电容表示 又通过磁场 以耦合电感表示 耦合过来的 通过Cm的耦合 在传输线2 4中引起的电流为Ic2及Ic4 同时由于的交变磁场的作用 在2 4线上感应有电流IL 根据电磁感应定律 感应电流IL的方向与I1的方向相反 如图上所示 因此 若能量由端口1输入 则耦合端口是2端口 而在4端口因为电耦合电流与磁耦合电流的作用相反而能量互相抵消 故4端口是隔离端口 这样 我们就定性地了解了耦合微带线定向耦合器具有方向性的原理 微波功率分配器 在实际应用中 有时需要将信号源的功率分别馈送给若干个分支电路 负载 就是说 进行功率分配 实现这种功能的射频器件就称为功率分配器 由于功率分配器一般为满足互易定理的无源网络 所以功率分配器与合成器是等价的 根据输出功率的比例 微波功率分配器有等分功率与不等分功率两类 大功率微波功率分配器采用同轴线结构 中小功率微波功率分配器采用带状线或微带线结构 微波功率分配器的结构 功率分配器的具体结构型式很多 最基本的就是下图所示的采用阻抗变换段的两路微带功率分配器的结构 两个分支臂长都为 是完全对称的结构 对称性保证输入功率将平均分配于两个输出端 得到同相同模的输出 微波功率分配器模块 R Z01 Z01 Z0 Z0 Z0 微波功率分配器的工作原理 两分支臂之间接有隔离电阻R 是为了保证两个输出端口的隔离 当两个输出端口均为良好匹配时 对称性保证各个传输支路是同电位的 故无电流通过隔离电阻 隔离电阻上无功率损耗 但当其中一输出端失配 致使有反射波折回 则此反射功率将分拆开 一部分经过隔离电阻到达另一输出端 另一部分沿自己支路反射回输入端 然后又反射回来 沿另一支路到达另一输出端 如果隔离电阻尺寸很小而可视为集总元件时 则它的电长度可近似地认为是零 由于各支路的长度为 电长度在中心频率时为 因而往返二次的电长度是 因此到达另一输出端的两部分信号是反相的 可以证明 只要适当选择隔离电阻和支线的特征阻抗值 就可以使这两部分信号幅度相等 因而彼此相消 这就是利用隔离电阻R达到各分支端口之间的隔离的原理 微波功率分配器的特性参数 工作频带插入损耗各端口幅度偏差各端口隔离度 实验内容 微带谐振器品质因数的扫频测量实验使用矢网AV3620扫频测量微带谐振器的Q值 微波定向耦合器实验使用矢网AV3620测量微带定向耦合器的特性参数 微波功率分配器实验利用矢网AV3620测量功率分配器的传输频率响度特性 根据测量所得的数据计算出功率分配器的插入损耗 各端口幅度偏差 各端口隔离度等特性参数 1 微带谐振器Q值的扫频测量实验 通过使用矢量网络分析仪AV3620扫频测试微带谐振器的散射参数S21来得到其Q值 微带谐振器Q值的扫频测量实验步骤 步骤一调用误差校准后的系统状态步骤二选择测量频率与功率参数步骤三连接待测件并进行测量测量设置选择为测量微带谐振器模块的S21参数的对数幅度 记下S21幅度值最大点的频率f0 即为微带谐振器的谐振频率f0 还要记下在f0点处的S21幅度值 这个值即为微带谐振器在谐振频率f0处的插入衰减 然后将光标从谐振频率f0开始向两边移动 记下衰减量比小3dB点处的频率分别为f1和f2 步骤四进行计算步骤五Q值的自动测量 2 微波定向耦合器实验 通过使用矢网AV3620测量微波定向耦合器的S参数来了解定向耦合器的特性参数 微波定向耦合器实验步骤 步骤一调用误差校准后的系统状态步骤二选择测量频率与功率参数步骤三连接微波定向耦合器测量耦合特性采用对数幅度模式 观察数据S21的轨迹 找出其在设置频率范围内的最大值 即为耦合器的耦合度 此时的频率值为耦合器的中心频率 选择S12测量 观察数据S12的轨迹及与S21的关系 选择S11和S22测量 采用SWR模式 其值分别为耦合器相应端口的反射系数 步骤四连接微波定向耦合器测量传输特性选择正向传输测