天线阻抗测量实验报告

天线阻抗测量实验报告一、实验目的1．了解掌握微波与天线现代测量技术2．了解掌握矢量网络分析仪的使用和操作方法3．了解天线输入阻抗的频带特性二、实验内容1．矢量网络分析仪测量频率范围设置和端口校准；2．被测天线与矢量网络分析仪的测量端口的连接，搭建实验测量系统；3．用矢量网络分析仪测量天线的输入阻抗，并观测天线输入阻抗的频率变化特性。三、基本原理网络分析仪有标量和矢量之分，标量网络分析仪只能测量网络的幅频特性，而矢量网络分析仪可以同时测量被测网络的幅度和相位频率特性。1．矢量网络分析仪工作原理如图1所示，一个最基本的矢量网络分析仪由四个主要部分组成，按信号走向依次是合成扫频信号源(信号源)、S参数测试装置、高灵敏度幅相接收机和校准件。图1矢量网络分析仪整机系统组成框图(1)信号源信号源是给被测网络提供入射信号的激励源，通常为正弦波信号，被测器件的频率响应特性测量需通过信号源的扫频来确定。(2)测试装置测量装置是实现入射、反射和传输信号的分离，从而分别测量它们各自的幅度和相位特性的硬件设备，主要由功分器和定向耦合器完成。如图2所示。微波激励信号经不等分功分器分成两路信号，一路作为参考信号，用R表示，间接地代表着被测件的入射波。另一路加到测试连接端口，作为被测网络(DUT)的入射波。通过被测器件的传输波从端口2取出，用B表示。被测器件的反射波通过端口1定向耦合器的耦合端口取出，用A表示。A I匕 IPUT图2信号分离装置原理框图二端口网络有四个S参数，其中SiS21为正向S参数，S22，S12为反向S参数。被测器件的正向S参数可用下式求得：S=A/R,S=B/R1121当测量被测器件的反向S参数时，将被测器件的端口倒置，实现正向S参数与反向S参数测量的转换。同理可获得被测器件的反向S参数。（3） 中频数字幅相接收机微波测试信号的幅度和相位信息的提取是在幅相接收机中完成的，采用频率变换技术，先将微波信号变换到固定的中频信号，在较低的中频频率上通过A/D将模拟信号变换成数字信号，由DSP数字信号处理器采用数字滤波技术提取出矢量信号的实部和虚部，并运算求出被测器件的S参数。为了保证在频率变换过程中，原矢量信号的幅度和相位信息不丢失，幅相接收机采用了系统锁相接收技术，合成扫频信号源和锁相接收同在一个锁相环路中，共用同一个时基。（4） 误差修正与校准矢量网络分析仪的测量误差包括随机误差、漂移误差和系统误差三大类。随机误差是不可重复的误差项，如信号源和接收机中的噪声、外部电磁干扰、测量过程中或校准过程中连接端口的测量重复性和开关重复性等都属于随机误差。减少随机误差的最有效方法是对测试数据进行多次平均或平滑处理。漂移误差主要是由环境温度变化造成的，通过构建具有稳定环境温度的测试环境，通常能将漂移误差减至最小。系统误差是由于微波器件性能的非理想性造成的，如定向耦合器的方向性误差，信号源的失配误差、负载的失配误差、测试通道间的频率跟踪误差以及通道之间的干扰等。它们是仪器测量误差的主要来源，而在一个稳定的测量环境中，这些影响是稳定的，可重复的，因而是可表征的，是可以消除的。为了减小系统误差，过去主要是靠不断地改进有关微波器件的设计制造技术，力求提高其性能指标。自从引进了计算机技术后，通过数学运算来消除扫频测量中的系统误差，用软件来弥补硬件指标的不足，这就是误差修正技术，也称精度增强技术，它能最大程度地减小在传输和反射测量中的系统误差，从而提高了测量精度。事实上，对于硬件指标不完善的矢量网络分析仪，可以等效为一个理想的矢量网络分析仪与测量参考面之间插入一个二端口的误差适配器，误差适配器的参数将表征所有的系统误差。误差修正主要有四个关键步骤：（1） 误差模型的建立；（2） 用已知特性的校准件进行测量校准；（3） 误差模型中误差参数的提取；（4） 从被测件的实测S参数中提取真实的S参数。因此，在用矢量网络分析仪测量被测网络之前，首先要选择校准件和校准方法，用已知特性的校准件分别接到测量参考面进行校准测量。校准件即为标准件，其技术指标是已知的且是可表征的，常用的校准件有开路器、短路器、固定匹配负载、滑动匹配负载和精密空气线等。一套校准件至少包含三个性能差别很大且相对独立的标准件。根据测试精度不同，校准件分成三个等级。经济级校准件：主要由开路器、短路器和固定匹配负载；标准级校准件：主要有开路器、短路器和滑动匹配负载；精密级校准件：主要有开路器、短路器、低频固定负载和精密空气线。矢量网络分析仪的校准方法常用的有OSLT（开路、短路、负载和直通）和TRL（直通、反射和空气线）法。对于OSLT法，相位测量精度主要取决于开路器和短路器的精度，幅度测量精度取决于所使用的匹配负载。在测量校准时，根据矢量网络分析仪的操作菜单，依次连接开路器、短路器和匹配负载，分别测量每个校准件的反射、传输和隔离特性，将校准件的实测数据作为已知条件，误差适配器的误差项作为未知项，满足一组复杂的矢量方程，通过解方程组求出误差适配器的所有误差项。被测网络误差修正前的实测数据S,S,S,S和通过测量校准获得的误差项作为已知条件，11M21M12M22M被测网络真实的S参数（S,S,S,S）作为未知项，通过求解一个四维的矢量方程组，即可提取11A21A12A22A出被测网络真实的S参数。矢量网络分析仪的精度取决于所使用的校准件和校准方法，校准件的精度决定了矢量网络分析仪的测量精度，更准确地说，是通过校准测量和误差修正将校准件的精度转移到矢量网络分析仪中去。矢量网络分析仪会自动地完成误差修正计算，操作人员需要做的只是选择正确的校准方法和校准件。（5）校准端口与校准参考面校准端口有单端口和双端口校准之分。单端口校准用于单端口器件，或端接匹配负载的双端口器件的反射测量，需要三个标准间（开路、短路和匹配负载），就能消除反射测量中的系统误差。二端口校准用于双端口网络的传输和反射测量，需要三个标准间（开路、短路和匹配负载）和一个直接连通。通常情况下不是把被测件与网络分析仪面板上的端口直接相连，而是通过一段测试电缆或某种测试夹具与网络分析仪相连。校准参考面是连接校准件的端面，而测量参考面是连接被测器件的端口面，只有当二者重合时，才能将全部误差项都包括到误差模型中，并把连接电缆或测试夹具的影响校准掉，得到最佳的测量结果。2.国产AV3619系列射频一体化矢量网络分析仪AV3619系列射频一体化矢量网络分析仪将RF合成信号源、接收机、显示器和测量控制四部分集成于同一仪器中，结构紧凑，性能先进，测量迅速，可靠性高，广泛应用于射频段的科研和生产测量。本实验所使用的仪器就是AV3619系列射频一体化矢量网络分析仪，其主要技术性能指标如下：频率范围：300kHz~3GHz；功率范围：-5dBm~+7dBm（标准）；幅度分辨率：0.01dB/div；相位分辨率：0.1°/div；频率分辨率：1Hz；传输跟踪：±0.1dB；反射跟踪：±0.1dB,测试端口：N型，最大输入：+10dBm四、实验步骤开启电源开关，按仪器前面板测量硬键【通道1】键，再按仪器面板软键盘『反射』键，选择反射测量设置测量参数（1）设置频率范围

按仪器前面板硬键【频率】键，再按仪器面板软键盘『开始』『终止』或『中心』『宽度』或『点频』，分别从数字按键输入频率数值，并选择频率单位。设置功率电平按仪器前面板硬键【功率】键，再按仪器面板软键盘『电平』，从数字按键输入功率电平数值，选择电平单位。或默认功率电平OdBm。3•校准按仪器前面板硬键【校准】键，再按仪器面板软键盘『反射』、『单端口』；依据仪器提示，按顺序连接3个校准件(开路器、短路器和匹配负载)；连接好每个校准件后，按『校准件测量』；仪器测量每个校准件，并计算校准参数，待校准测量完成后，仪器显示“校准完成”信息。n a匚短路器匚I匹配负载4.连接被测件(DUT)进行测量：天线与矢量网络分析仪测试端口连接，组成天线测量系统。5•格式选择仪器前面板硬键【格式】键，根据测量需要选择『驻波比』、『史密斯圆图』