北邮微波测量实验报告

1、微波射频测量技术基础实验报告 题目：微波射频测量技术基础学院：电子工程学院班级：姓名：学号：2013xxxxxx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下图所示：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

2、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）a.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。b.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。注意在实验报告中给出仪器使用报告包括下列内容：矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能。实验中涉及的面板组成及功能： 显示器：用于向用户显示仪器当前的工作状态及输出测试结果； “激励”区：“起始”和“终止”按钮用来设定仪器的起始频率和终止频率，默认频率范围为300KHz3GHz；“中心”按钮点击后显示出当前频

3、率范围的中间值；“跨度”按钮点击后显示出当前频率范围的差值大小。 “响应”区：点击“测量”按钮进行实际测量；“格式”按钮点击后可用于更改输出格式，实验中选择的是Smith圆图和直角坐标；“校准”键用于对仪器进行校准，消除一定误差。 “光标/分析”区：点击“光标”按钮后可以给输出曲线添加光标，得到一些点的精确坐标值，可添加多个光标并进行移动。 “调解”按钮：可用于调解光标的位置使之在曲线上移动。 “输入”区：用于对仪器的的一些参数进行输入，如开始和截止频率的值可在此处进行设置。 端口：此处接入同轴线，从而实现与外部元件的衔接，共两个插口。 USB插口：可用于插入外部设备（如U盘、硬盘等）读取、存

4、储实验结果，也可接入鼠标、键盘对仪器进行操作。a) S 参数测量步骤： 经过SOLT校准，消除系统误差； 将待测元件通过同轴线接入矢量网络分析仪； 在矢量网络分析仪上选择S参数进行测量，得到曲线，可以通过加光标得到一些点的坐标值； 保存数据，选择S2P（只测量S11和S22时可选择S1P）格式；保存曲线图像可选择.jpg格式。b) 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“格式”按钮，选择“史密斯圆图”，就可以用Smith圆图显示所测结果； 点击“格式”按钮，选择“对数幅度”，就可以转换为直角坐标形式。c) 如何保存所测数据，以及可存的数据格式；点击“文件”按钮，选择“另

5、存为”，为文件命名后选择保存方式为S2P，就可以保存所测数据；若数据为S11或S22，可选择S1P数据格式。若需要保存曲线图像，则保存为.jpg格式。保存成功后可导入U盘，也可直接在桌面进行查看。d) 开路校准件的电容值设定(校准系数)；C(f)=C0+C1f+C2f+C3fe) 短路校准件的电感值设定(校准系数)；L(f)=L0+L1f+L2f+L3ff) 仪器提供什么样的校准方法。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（shortopenloadthrough）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？

6、答：不可以；测量需要完成校准后才能进行，但是仍然不能直接测量得到电路参数，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。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，了解其校准原理和优缺点。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。SOLT

7、校准方法使用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。有的SOLT校准套件包含滑动负载，因此可改变路径的线路长度，同时保持恒定的负载阻抗（通常为50或75）。滑动负载在高频时尤为重要，因为在这种情况下很难实施良好的固定负载。线路长度的变化会直接成比例地改变电长度，导致测量路径中

8、发生相移。通过在校准过程中使用几种不同长度的线路和相应的相移，可以更精确地测量网络分析仪的方向性（图3）。双向直通SOL通常称为“未知直通”。这种方法允许在遵守一些基本原则的条件下，在校准过程中使用电缆、电路板线轨或Ecal模块作为直通路径。当处理非插入式设备（具有同性或不兼容的连接器，在校准期间需要使用适配器才能建立直通连接）时，未知直通尤为有用。该适配器会给校准带来一个误差。未知直通因为无需使用精密的或经过校准的适配器，并且可以最大限度地减少校准期间的电缆移动，所以非常有用。它通常比其他需要去除适配器的方法更方便、更精确。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

9、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

10、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。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。注意在实验报告中包括下列内容：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 校准前开路对数图：校准前开路Smith圆图： 准前短路对数图： 校准前短路Smith圆图： 校准前负载匹配对数图： 校准前匹配负载Smith圆图： 校准前直通对数图： 校准前直通Smith图：b) 矢量网络分析仪SOLT的校准步骤 设置好频率范围； 点击“校准”键，选择“测量机械校准”，然后接入SHORT校准件，观察对数曲线，在0dB附近，然后点击“短路”按钮； 点击

11、“开路”键，然后接入OPEN校准件，观察对数曲线，在0dB附近，然后点击“开路”按钮； 点击“负载”键，然后接入LOAD校准件，观察对数曲线，在-20dB以下，然后点击“负载”按钮； 返回上一层，点击“测量机械校准”按钮，然后点击“直通”按钮，接入THROUGH校准件，观察对数曲线，在-20dB以下，然后点击“直通”按钮； 校准完毕。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 校准后开路对数图： 校准后开路Smith圆图： 校准后短路对数图： 校准后短路Smith圆图： 校准后匹配负载对数图： 校准后匹配负载Smith圆图： 校准后直通对数图： 校准后直通Smith圆

12、图：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。校准前S参数的对数曲线是一条在0dB附近的不规则曲线，圆图曲线较为杂乱；接入OPEN校准件后曲线是一条值为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。校准前S参数的对数曲线是一条在0dB附近的不规则曲线，圆图曲线较为杂乱；接入SHORT后曲线是一条值为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； 匹配：网络负载匹配，=0，S参数db值应很小。校准前S参数对数曲线值均在-20dB以下，主要

13、分布在-30dB-40dB之间，在圆图上为位于圆心附近的不规则环状曲线；校准后对数曲线值均在-50dB左右，明显小于校准前，在Smith上只有位于圆心的一点。因此，校准后S参数约为-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。校准前S参数对数曲线值主要分布在-30dB-40dB之间，部分大于-20dB，在圆图上为位于圆心附近的不规则环状曲线；校准后对数曲线值均在-50dB左右，值明显小于校准前，在Smith上只有位于圆心的一点。因此，校准后S参数约为-50db，足够小，因而校准精确度很高。3、自制TRL校准件进行校准，编制TRL校准程序。推导出所用矢量

14、网络分析仪的误差模型，并以Matlab画图的形式给出。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、滤波器和天线的工作原理以及性能。a) 功分器、耦合器和滤波器的S参数测量曲线（均为校准后） 功分器的S参数对数曲线： 耦合器传输的S参数对数曲线： 耦合器隔离度的S参数对数曲线： 滤波器的S参数对数曲线： 天线的S参数对数曲线：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（是否为对称性、互易性和无耗性？）。

15、功分器的S21对数曲线是一条-3dB左右的水平直线，所以功分器构成的网络具有对称性、互易性和无耗性； 耦合器的S21对数曲线是一条-3dB左右的水平直线，所以耦合器构成的网络具有对称性、互易性和无耗性； 滤波器的对数曲线在通带内S21较大，S11对数值小；在通带外S21较小，S11对数值大。滤波器在通带内具有对称性、互易性和无耗性。2、在分别经过校准和没有校准的情况下测量功分器、耦合器、滤波器和天线的性能，比较两类测量结果，给出实验报告，包括以下内容：a) 未校准和校准后功分器、耦合器和滤波器测量曲线比较； 校准前功分器的S参数对数曲线：比较：校准前功分器的曲线不是很平滑，对数值在-4dB左右

16、，图中光标读取数值为-4.235dB；校准后功分器的曲线较为平滑，对数值在-3dB左右，图中光标读取数值为-3.397dB。功分器的作用是实现功率的平等分配，因此S21理想状况下应为1/2，对数值约为-3dB，所以校准后的对数值更接近该值，性能更好。 校准前耦合器传输的S参数对数曲线：比较：校准前耦合器的曲线不是很平滑，对数值主要分布在-4dB-5dB，图中光标读取数值为-3.907dB和-4.632dB；校准后耦合器的曲线较为平滑，对数值主要分布在-3dB-4dB，图中光标读取数值为-3.633dB。耦合器的传输作用是实现将一路微波功率按比例分成几路传输出去。实验中使用的耦合器为两个输出端口

17、，所以传输对数值越接近-3dB说明性能越好。校准后的对数值更接近该值，性能更好。 校准前耦合器隔离度的S参数对数曲线：比较：校准前耦合器的曲线较为平缓，对数值均在-10dB以下，由图中光标读取数值可知在f=2.19305GHz时S参数对数值为-34.333dB；校准后耦合器的曲线对数值均在-10dB以下，但是曲线陡峭程度更大，由图中光标读取数值可知在f=2.195GHz时S参数对数值为-50.804dB。耦合器的隔离作用是实现微波功率传输而尽量减小反射。校准后的对数值更小，说明反射的比例更小，性能更好。 校准前滤波器的S参数对数曲线：比较：该滤波器的在f=2.215GHz时S21值最大，S11

18、值最小，所以该滤波器为一带通滤波器。校准前S11对数曲线在通带以外频率范围内在0dB附近摆动，不是很稳定，说明在通带以外的地方信号没有完全反射；而校准后对数曲线在通带以外恒为0，说明通带外的信号都没能通过滤波器。在f=2.215GHz时，校准前S11对数值大于校准后，S21对数值小于校准后，说明校准后滤波器对通带内信号反射小，通过比例大。所以校准后滤波器的各项性能更好。 校准前天线的S参数对数曲线：比较：校准前天线的S11曲线较不规则，曲线上存在对个极大值极小值；校准后曲线更为平滑，极小值点只有一个，明确地表示出天线的最佳工作频率点。所以校准后天线的性能更好。b) 结合实验二指出对于三个器件，

19、十二项误差模型中哪个误差项的影响比较大，原因是什么；由实验二可知对于三个器件，十二项误差模型中影响比较大的误差项为：ETF、ETR传输跟踪误差和ERF、ERR反射跟踪误差，因为测试电缆等在工作频带范围内其特性都会存在变化。c) 通过测量结果分析三个器件的工作原理； 功分器：功分器的作用是实现功率的平等分配，对应不同的S转移参数，本实验为一分二，对应S21对数值=-3dB。 耦合器：功分器的作用是将一路微波功率按比例分成几路，即功率分配问题。 滤波器：滤波器的作用是将输入信号中需要的频率部分留下，其他部分通过反射回去而实现滤除，这样可以得到需要的频率范围信号作为输出。3、比较编制TRL程序和矢网SOLT校准后的测试结果，验证TRL校准方法和程序的正确性。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