微波测量实验报告

北京邮电大学北京邮电大学 微波测量实验微波测量实验 学院 学院 电子工程学院电子工程学院 班号 班号 学号 学号 姓名 姓名 班内序号 班内序号 时间 时间 2015 年年 1 月月 实验一 熟悉微波同轴测量系统 一 实验目的 1 了解常用微波同轴测量系统的组成 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 矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能 矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能 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 面板组成图如下所示 1 23 5 4 6 798 10 11 12 1314 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 SYSTEMSAVERECALL 存储或调用数据 系统功能 HARD COPY 打印或者存储测量曲线 数据 SYSTEM OPTIONS 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 RF OUT 射频输出 射频信号输出口 N 型 K 头 14 RF IN 射频输入 射频信号输入口 N 型 K 头 2 掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法 A A S S 参数测量步骤 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 被测 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出 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 B B 如何看开路校准件的电容值设定如何看开路校准件的电容值设定 校准系数校准系数 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 欧姆定律 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 C C 如何看短路校准件的电感值设定如何看短路校准件的电感值设定 校准系数校准系数 传输线终端短路时 短路端电压为零 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 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 D D 如何用如何用 SmithSmith 圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换 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 E E 如何保存所测数据 以及可存的数据格式 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 F F 了解仪器提供的校准方法 了解仪器提供的校准方法 SOLTSOLT 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 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 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 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 等计算 S 参数到 Z 参数的转换公式如下 Z 1 S 1 1 S 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 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 3 掌握并验证 TRL 校准方法 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 解其校准原理校准原理和优缺点优缺点 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 SOLTSOLT 校准步骤校准步骤以及校准精度验证方法校准精度验证方法 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 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 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 网络开路 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 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 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 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 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 利用已加工的 TRL 校准件 进行 TRL 校准 保存各测量数据 计算出其误差模型 附编程程序附编程程序 f unction Sx GL trl Sthru Sopen Sline Sdut fre q TRL performs a two tier TRL calibration for a vector network analyser The first calibration consist of a normal co axial SOLT two port calibration followed by measurements on the TRL calibration standards and the DUT The function then performs the second tier of the calibration by de embedding the effect of the TRL test fixture from the DUT measurements using the measurements peformed on the TRL calibration standards The function uses the following input parameters Sthru Four colom matrix containing S Parameters of the thru measurement on TRL test fixture Sopen Four colom matrix containing S Parameters of the open measurement on TRL test fixture Only S11 and S22 is of interest here and the S21 and S12 data which will be in the noise floor of the VNA will be discarded Sline Four colom matrix containing S Parameters of the line measurement on TRL test fixture Sdut Four colom matrix containing S Parameters of the DUT inserted into the TRL test fixture f Frequencies at which S Parameters were measured in Hz The coloms of the S Parameter matrix represent S11 S21 S12 S22 format Sx GL trl Sthru Sopen Sline Sdut fre q The output consists of the de embedded device S Parameters Sx and the propagation constant GL of the line standard used in the TRL calibration The propagation constant can be used to calculate the characteristic impedance of the microstrip calibration line Since microstrip is a dispersive transmission line the characteristic impedance will vary as a function of frequency The measured S Parameters will be normalised with respect to the actual characteristic impedance of the transmission line calibration standard By extracting this impedance the S Parameter data can be renormalised to 50 Ohm See TRLPOST M for some post processing functions that can be performed Writer C van Niekerk Version 3 50 Date 07 06 1995 This program is based on the work in the presented in the following paper 1 G F Engen C A Hoer Thru Reflect Line An Improved Technique for Calibrating the Dual Six Port Automatic Network Analyser IEEE Trans MTT Vol 27 No 12 December 1979 pp 987 998 Define the imaginary constant i sqrt 1 Convert the measured s parameters of the DEVICE to one variable S11d Sdut 1 S21d Sdut 2 S12d Sdut 3 S22d Sdut 4 Convert the measured s parameters of the REFLECT standerd to one variable S11r Sopen 1 S22r Sopen 4 Convert the measured s parameters of the THRU standerd to one variable S11t Sthru 1 S21t Sthru 2 S12t Sthru 3 S22t Sthru 4 Convert the measured s parameters of the LINE standerd to one variable S11l Sline 1 S21l Sline 2 S12l Sline 3 S22l Sline 4 Compute the wave cascading matrix for the thru standerd R11t S11t S22t S12t S21t S21t R12t S11t S21t R21t S22t S21t R22t 1 S21t Compute the wave cascading matrix for the line standerd R11l S11l S22l S12l S21l S21l R12l S11l S21l R21l S22l S21l R22l 1 S21l Compute the wave cascading matrix for the device standerd R11m S11d S22d S12d S21d S21d R12m S11d S21d R21m S22d S21d R22m 1 S21d Calculate the two possible virtual error networks for port A and port B using the s parameters of the thru and line standerds Determine the number of frequency points nfreq length freq for n 1 nfreq Rt R11t n R12t n R21t n R22t n Rl R11l n R12l n R21l n R22l n T Rl inv Rt Solve a set of quadratic equations to get the values of r11a r21a and r12a r22a A T 2 1 B T 2 2 T 1 1 C T 1 2 K1 B sqrt B 2 4 A C 2 A K2 B sqrt B 2 4 A C 2 A Choose between the two possible roots to get the right values for b and c a if abs K1 abs K2 b K1 ca 1 K2 end if abs K2 abs K1 b K2 ca 1 K1 end Calculates the propogation constant of the LINE standerd GL n log T 1 1 T 1 2 ca Calculates a w1 S11r n w2 S22r n g 1 S21t n d S11t n S22t n S12t n S21t n e S11t n f S22t n gamma f d ca 1 e ca beta alfa e b d b f a sqrt w1 b 1 w2 beta alfa d b f w2 gamma 1 w1 ca 1 e ca Calculates the reflection coeffisients at each port to determine the correct sign that should be assigned to a R1a w1 b a w1 a ca R1b w1 b w1 a ca a An open is used for the reflection measurement Use this information to chose the sign of a if abs angle R1a 180 pi 90 a a as n a c ca a end if abs angle R1b 180 pi 90 a a as n a c ca a end R1 n w1 b a c w1 alfa d b f a 1 e ca beta beta alfa alfa r22p22 R11t n a alfa b gamma IRa 1 b c a IRb 1 beta gamma alfa Rm R11m n R12m n R21m n R22m n Rx 1 r22p22 alfa gamma beta a b c IRa Rm IRb S11x n Rx 1 2 Rx 2 2 S12x n Rx 1 1 Rx 1 2 Rx 2 1 Rx 2 2 S21x n 1 Rx 2 2 S22x n Rx 2 1 Rx 2 2 end Sx S11x S21x S12x S22x 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 测量各加工器件 天线 滤波器 功分器和耦合器等 的实 际性能 3 验证 TRL 校准方法 并和利用 SOLT 校准方法测量的结果进 行对比 二 实验内容 1 做完实验二实验二的实验内容实验内容 3 3 后 测量各器件的 S 参数 并保存测量 结果 通过去嵌误差模型 得到真实的器件 S 参数 报告中要给出 具体编程计算过程 附编程程序附编程程序 2 利用机器自带 SOLT 校准后 存储测量结果 并通过测量结果了 解所测器件的工作原理以及性能 报告中包括以下内容 a 器件的 S 参数测量曲线 线的 S11 测量曲线 说明说明 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 滤波器的 S11 测量曲线 滤波器的 S21 曲线 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 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 为输入端 端口 为直通输出端 端口 为耦合输出端 端口 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 b 通过分析其 S 参数 了解各器件所组成的网络的特性 S11 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 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 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 对于滤波器 可以看出 是良好的带通滤波器 且同频带较窄 3 给出分别经过 TRL 和 SOLT 校准和没有校准的情况下各器件的测 量性能 比较