微波技术基础实验指导书

前百

与更早时期定位与波导与场论相比，现代微波工程中占支配地位的内容是分

布电路分析。当今大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计，无需直

接求助于电磁场分析。当今微波工程师所使用的基本工具是微波CAD（计算机

辅助设计）软件和网络分析仪，而微波技术的教学必须对此给出回应，把重点转

移到网络分析、平面电路和元器件以及有源电路设计方面。微波技术仍总离不开

电磁学（许多较为复杂的CAD软件包要使用严格的电磁场理论求解），而学生

仍将从揭示事物的本质中受益（诸如波导模式和通过小孔耦合），但是把重点改

变到微波电路分析和设计上这一点是不容置疑的。

微波与射频（RF）技术已蔓延到了各个方面。在商业等领域，更是如此，

其现代应用包括蜂窝电话、个人通信系统、无线局域数据网、车载毫米波防撞雷

达、用于广播和电视的直播卫星、全球定位系统（GPS）、射频识别标识

（identificationtagging）＞超宽频带无线通信和雷达系统以及微波环境遥感系统。

防卫系统继续大量地依靠微波技术用于无源和有源测向、通信以及武器操控系

统。这样的业务发展态势意味着，在可预见的将来，在射频和微波工程方面不存

在缺少挑战性的课题；同时对于工程师们，显然需要领悟微波技术的基本原理，

同样需要把这些知识应用于实际感兴趣问题的创造能力。

本微波技术基础教学实验的设置，就是为了使学生通过实验更多地获得有关

微波器件的基本构成、工作原理、模拟分析、测试仪器和测量技能方面的理性和

感性认识，真正掌握时域和频域、传输线、微波电路等基本的概念，并学会使用

重要的微波测试仪器。

目录

实验一矢量网络分析仪原理及其操作

实验二微波传输线实验

实验三微带谐振器品质因数的扫频实验

实验四微波滤波器测量实验

实验五微波定向耦合器实验

实验六微波功率分配器实验

实验七微波环形器实验

实验八介电常数测量实验

实验一矢量网络分析仪原理及其操作

-实验目的

1.了解网络分析仪的一般功能原理

2.初步掌握AV3620矢量网络分析仪的使用方法

3.学会使用AV3620矢量网络分析仪测量二端口无源微波电路的S参数

二实验原理

1.AV3620矢量网络分析仪的工作原理

AV3620的信号源产生一测试信号，当测试信号通过待测件时，一部分信号

被反射，另一部分则被传输。图1-1说明了测试信号通过待测器件（DUT）后

的响应。

图17DUT对信号的响应

AV3620型高性能射频一体化矢量网络分析仪（以下简称AV3620型矢网）

用于测量器件和网络的反射特性和传输特性，主要包括合成信号源、S参数测试

装置、幅相接收机和显示部分。

合成信号源产生30k〜6GHz的信号，此信号与幅相接收机中心频率实现同

步扫描；S参数测试装置用于分离被测件的入射信号R、反射信号A和传输信

号B；幅相接收机将射频信号转换成频率固定的中频信号，为了真实测量出被测

网络的幅度特性、相位特性，要求在频率变换过程中，被测信号幅度信息和相位

信息都不能丢失，因此必须采用系统锁相技术；显示部分将测量结果以各种形式

显示出来。其原理框图如图1-2所示：

锁相系统

图1-2AV3620型矢网整机原理框图

矢网内置合成信号源产生30k〜6GHz的信号，经过S参数测试装置分成两

路，一路作为参考信号R，另一路作为激励信号，激励信号经过被测件后产生反

射信号A和传输信号B,由S参数测试装置进行分离，R、A、B三路射频信号

在幅相接收机中进行下变频，产生4kHz的中频信号，由于采用系统锁相技术，

合成扫频信号源和锁相接收机同在一个锁相环路中，共用同一时基，因此被测网

络的幅度信息和相位信息包含在4kHz的中频信号中，此中频信号经A/D变换

器转换为数字信号，嵌入式计算机和数字信号处理器（DSP）从数字信号中提取

被测网络的幅度信息和相位信息，通过比值运算求出被测网络的S参数，最后

把测试结果以图形或数据的形式显示在液晶屏幕上。

♦合成信号源：由3~6GHzYI-G振荡器、3.8GHz介质振荡器、源模块组件、

时钟参考和小数环组成。

♦测试装置：由定向耦合器和开关构成，用于分离反射信号和入射信号。

♦接收机：由取样/混频器、中频处理和数字信号处理等部分组成，用于信号

的下变频及中频数字信号处理。

♦显示：由图形处理器、高亮度LCD显示器、逆变器组成，用于字符和图形

的高亮度、高速显示。

2.AV3620矢量网络分析仪简介

2.1结构特征

本节将介绍AV3620一体化矢量网络分析仪的前面板和后面板的基本设置情况。

图1-3AV3620矢网前面板图

1.前面板

a)LCD液晶显示器(1)

AV3620采用高亮度、8.4英寸LCD显示器，能迅速、清晰地显示测量曲线、

数据、光标、极限线、软键菜单等。

b)硬键(2)

硬键即前面板按键，在文本中这些键由键名加【】来描述。如【Preset】

c)通道键(3)

该键区共有四个显示通道按键，可以通过分别按下这四个键来选择显示通道。

d)数字小键盘(4)

数字小键盘可以用来键入具体数值，在结束数字输入时可使用输入键或软键给数

字选择适当的单位，同时也可使用前面板旋钮来调节参数值，或用“t”“I”

步进键来逐步地改变参数值。

e)旋钮键(5)

该旋钮为旋转脉冲发生器，通过旋转该旋钮可以改变设置的参数。

0复位键(6)

按下此键将使网络仪复位到工厂复位状态或已改动并存储过的用户复位状态。

g)仪器状态键区(7)

仪器状态键区共有五个按键，分别是System、LocakCopy^Save/RecalkSeq,

能设定整机系统功能，包括仪器功能预置、保存/调用、硬拷贝输出等等。

h)返回键(8)

按下该键将返回上一级命令菜单。

i)软键(9)

软键为8个空白键，列在网络仪相对应的屏幕边上。在本文中，这些键用键名

加［］来描述。如：［SWEEPTIME］o

j)电源开关(10)

k)软盘驱动器(11)

2后面板

图1-4提供了后面板的外形图，后面板主要提供外围接口功能。

图1-4AV3620矢网前后板图

2.2性能指标

本节主要介绍AV3620一体化矢量网络分析仪的性能指标及技术参数。

1频率特性

范围AV3620A30kHz-3GHz

准确度±0.5ppm(25±5°C)

2源功率

功率范围-85〜+8dBm

功率扫描范围23dB

功率准确度±1.0dB

3测试端口平均噪声电平

频率范围中频带宽平均噪声电平

300kHz--3.0GHz3kHz<-82dBm

300kHz--3.0GHz10HzW-102dBm

3.0GHz--6.0GHz10HzW-97dBm

3.0GHz--6.0GHz3kHzW-77dBm

4接收机损毁电平：26dBm或30VDC

5全二端口校准后动态范围

频率范围30-16MHz16MHz-3GHz3GHz〜6GHz

动态范围90dBlOOdB95dB

6全二端口校准后系统指标

频率范围30kHz~300kHz300kHz〜1.3GHz1.3GHz~3GHz3-6GHz

有效方向性50dB50dB47dB40dB

有效源匹配45dB42dB36dB31dB

有效负载匹配50dB50dB47dB40dB

传输跟踪±0.03(JB±0.05dB±0.07dB±0.10dB

反射跟踪±0.03dB±0.05dB±0.07dB±0.10dB

7显示分辨力

显示幅度分辨力0.001dB/div

显示相位分辨力10m°/div

显示群延时分辨力O.Olps/div

8显示幅度范围和显示相位范围

最大显示幅度范围±500dB

最大显示相位范围+180-

9测量域

AV3620射频一体化矢量网络分析仪可在两种域内进行测量：频域和时域。

10测量格式

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：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+jBo

c）极坐标：对数幅度、线性幅度、相位、实部和虚部。

11显示通道和参数

AV3620射频一体化矢量网络分析仪有四个可供选择的通道:通道1、通道2、

通道3和通道4,四个通道可同时显示，既可叠加显示，也可分开显示。每一个

通道可独立显示SU、S21、S12和S22四个基本S参数。

12测量点数

AV3620射频一体化矢量网络分析仪每次扫频的测量点数有10种选择:3、

11、21>26、51、10k201、401、801和1601个点。在频率列表方式下，测

量点数在1到1601点内任意选择。

13扫描模式

AV3620射频一体化矢量网络分析仪有五种扫描模式：

a)LINFREQ线性频率模式；

b)LOGFREQ对数频率模式；

c)LISTFREQ频率列表模式；

d)POWERSWEEP功率扫描模式；

e)CWTIME点频时间模式。

14平均因子

平均因子范围：1〜999。

15平滑度

平滑度为测量曲线宽度的0.05%到20%o

三实验设备及装置图

本实验主要是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(Sn、S12、S21、S22)来熟悉矢量网络分析仪AV3620的基本操作。连接图

如下，将网络分析仪的1端口接到RF带通滤波器的输入端口，将RF带通滤波

器的输出端口接到网络分析仪的2端口。

网络分析仪AV3620

1QQ2

RF带通滤

波器

四实验内容及步骤

■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。

步骤一调用误差校准后的系统状态

按【Save/Recall]，光标会停留在第1条状态上，然后按软键[Recallstatus]

步骤二选择测量参数

设置频率范围：

按【Start】[1000][M/g]:设置起始频率1000MHz。

按【Stop】[1800][M/g]：设置终止频率1800MHz。

设置源功率：

按[Power][-10][XI]：将功率电平设置为-10dBm

步骤三连接待测件测量S参数

①按照装置图连接待测器件；

②测量待测器件的S参数：

按【Meas][Tran:FWDS21(B/R)]：选择正向传输测量S21。

按【Marker]：调出可移动光标，光标位置的读数位于屏幕右上角。

按【Format】[PHASE]：测量待测器件插入相位响应，即S21的相位。

按【Format】[LOGMAG]：选择对数dB形式测量S21的幅值。

按【ScaleRef】[AUTOSCALE]：设置测量比例尺，观察数据轨迹。

按【MarkerSearch】[SEARCH:MIN]：测量待测器件的正向插入损耗，读出

此时光标的读数，为待测器件的最小正向插入损耗。

按【MarkerSearch】[SEARCH:MAX]：测量待测器件的正向插入损耗，读

出此时光标的读数，为待测器件的最大正向插入损耗。

按【Meas][Tran:REVS12(B/R)]：选择反向传输测量。观察此时的曲线与

S21曲线的关系。

按【MarkerSearch】[SEARCH:MIN]：测量待测器件的反向插入损耗，读出

此时的读数，为待测器件的最小反向插入损耗。观察与最小正向插入损耗的关系

按【MarkerSearch][SEARCH:MAX]：测量待测器件的反向插入损耗，读

出此时读数，为待测器件的最大反向插入损耗。观察与最大正向插入损耗的关系

按[Meas][Refl:FWDS11(A/R)]：选择正向反射测量SU。

按【Format】[LOGMAG]：选择对数dB形式测量SI1的幅值。

按【Format】[SWR]：选择以驻波比形式测量S11的幅值。

按【Format】[SMITHCHART]：选择以SMITH圆图的形式测量SI1。

按【Meas】[Refl:FWDS22(A/R)]：选择正向反射测量S22。

按【Format】[LOGMAG]：选择对数dB形式测量S22的幅值。

按【Format】[SWR]：选择以驻波比形式测量S22的幅值。

按【Format】[SMITHCHART]：选择以SMITH圆图的形式测量S22。

步骤四设置显示方式

①在同一图形上同时观察两个通道：

按[Display][DUAL|QUADSETUP],设置[DUALCHANonOFF]

为ON：同时观察通道1和通道2。

按【Chanl】选择控制1通道，这时可以设置1通道的测量参数。

按【Chan2]选择控制2通道，这时可以设置2通道的测量参数。

②在两个图形上同时观察两个通道：

按【Display】[DUAL|QUADSETUP][SPLITDISP]为2X：屏幕上

半部分显示通道1,下半部分显示通道2。默认在通道1上测S11,在通道2上

测S21o

按【Chanl】选择控制1通道，这时可以设置1通道的测量参数。

按【Chan2]选择控制2通道，这时可以设置2通道的测量参数。

③四个通道同时显示：

利用4参数显示软键[4PARAMDISPLAYS]可以提供一个设置四参数显

示的快速方法。

按[Display][DUAL|QUADSETUP][4PARAMDISPLAYS]会出现

以下显示:

4-PARAMETERSHORTCUTKEVS

SETUP

SETUPB

SETUPB

ChiCh2

Sil822

SETUPC

S21SL2

t>LIUHU

Ch3Ch4

SETUPE

SETUPF

TUTORIAL

RETURN

然后通过选择［SETUPA］〜［SETUPF］中的一项，来得到所需的显示方式。

按[Display][DUAL|QUADSETUP][4PARAMDISPLAYS][SETUP

A］：得到A显示方式。

按[Display][DUAL|QUADSETUP][4PARAMDISPLAYS][SETUP

B］：得到B显示方式。

按[Display][DUAL|QUADSETUP][4PARAMDISPLAYS][SETUP

C］：得到C显示方式。

按[Display][DUAL|QUADSETUP][4PARAMDISPLAYS][SETUP

D］：得到D显示方式。

按[Display][DUAL|QUADSETUP][4PARAMDISPLAYS][SETUP

E］：得到E显示方式。

按[Display][DUAL|QUADSETUP]E4PARAMDISPLAYS][SETUP

F］：得到F显示方式。

步骤五设置光标的使用

［Marker］键在屏幕上显示了一个可动的激活的光标，它对每条通道的一

系列菜单进行访问，对于一个通道最多可控制5个显示光标。用光标可获得测

量值读数。

①按［Marker］［1］：显示光标I,

再按［2］、［3］、［4］、［5］：显示光标2、3、4、5,每个光标对应的读数位于

图形右上方。

按［AHOff］：关闭所有的光标。

②使用德尔塔（△）光标

这是一种关联模式，其光标值标出了激活光标的位置与参考的德尔塔光标

的关系。可以通过定义五个光标中的一个为德尔塔参考，来打开德尔塔模式。

按【Maker】［△MODEMENU］［AREF=1］：使光标1成为参考光标。

移动光标1到希望参考的任意点：

按［MARKER2］：参考光标1,将光标2移到要测量的任何位置，这时

显示的读数为仪光标1的读数为参考值的相对读数。

按［△MODEMENU］LAREF=2］:将光标2改为参考光标

五结果分析和实验报告

1实验目的、内容、系统简图；

2步骤简述，记录有关数据；

实验二微波传输线实验

一实验目的

1.了解微带传输线的基本理论和特性。

2.掌握用网络分析仪测量微带传输线接不同负载时工作参量的值。

3.通过测量认知1/4波长传输线阻抗变换特性。

二实验原理

1.微带传输线的基本原理

微带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平面

型传输线。它可用作光刻程序制作，且容易与其它无源微波电路和有源微波电路

器件集成，实现微波部件和系统的集成化。

微带线可以看作是由双导线传输线演变而成的，如图2—1所示。在两根导

线之间插入极薄的理想导体平板，它并不影响原来的场分布，而去掉板下的一根

导线，并将留下的另一根导线“压扁”，即构成了微带传输线。实际的微带线结

构如图2—1所示。导体带（其宽度为/厚度为t）和接地板均由导电良好的金

属材料（如银，铜，金）构成，导体带与接地板之间填充以介质基片，导体带与

接地板的间距为h。有时为了能使导体带，接地板与介质基片牢固地结合在一

起，还要使用一些黏附性较好的铭，留等材料。介质基片应采用损耗小，黏附性,

均匀性和热传导性较好的材料，并要求其介电常数随频率和温度的变化也较小。

图2—1双导线演变成微带线

图2—2微带线的结构及其场分布

2.微带线的技术参数

2.1特性阻抗

若微带线是被一种相对介电常数为益的均匀介质所完全包围着，并把准TEM

模当作纯TEM模看待，并设£和。分别为微带线单位长度上的电感和电容，则特

性阻抗为

1

Z,v,,C

相速功为

_1_Vo

“VZc百

但实际上的微带线是含有介质和空气的混合介质系统，因此不能直接套用上

面的公式求特性阻抗。为了求出实际的微带线的特性阻抗Zc和相速度心，而引

入了等效相对介电常数的概念。如果微带线的结构现状和尺寸不变，当它被单一

的空气介质所包围着时，其分布电容为C。。实际微带线是由空气和相对介电常

数为益的介质所填充，它的电容为G，那么，等效相对介电常数册的定义为

_G

Ere----------

这样，实际微带线的特性阻抗即可表示为

0

Ze

Zc

Z：为在同样形状和结构尺寸的情况下，填充介质全部是空气时微带线的特性阻

抗

01

Z,

VoCo

我们假定已成形的导体的厚度t与基片厚度h相比可以忽略h(t/h<0.005)o

这种情况下，我们能够利用只与线路尺寸(w和h)和介电常数£,有关的经验公

式。对于窄带微带线当火7/<1时，我们得到特性阻抗:

Z—In(4)

4忘W4/2

对于宽线皿>1时，我们必须采用不同的特性阻抗表达式:

120n

Z,

hI,h6'

+2.42-0.44-+(i-)

ww

为了求出填充其他介质时微带线的特性阻抗Z.,还应知道等效相对介电常

数2其表达式即:

―若+/(1+肥尸

22w

2.2相速度和波导波长

由于微带传输线是具有混合介质系统的传输线，因此，它的相速度为:

_Vo

Vp--7=

7£re

式中，如为自由空间中电磁波的速度；£“为相对有效介电常数。

微带传输线的波导波长乙为

i—册

%一_/=

yl£re

式中，加为自由空间中的波长。

2.3电压反射系数

电压反射系数r0,它表示反射与入射电压波之比:

ZA-ZO

ZL+ZO

ZL为负载，Zo为传输线特性阻抗。

2.4驻波

为了量化失配度，一般习惯于引入驻波比（SWR）,SWR是最大电压（或电流）

与最小电压（或电流）之比，其表达式为:

l+「o

SWR

3.特殊的终端条件

3.1端接负载无耗传输线的输入阻抗

通过变换，可以得到最终形式的终端有载传输线的输入阻抗:

„小―Zt+jZotanCA/)

aZO：~/0」、

£in\)-Zo+jZJan(即

我们可以利用上式分析负载阻抗Z1.沿着特性阻抗Zo,长度为"的传输线是

如何变换的，它已通过波数£考虑到了工作频率的影响，£能用频率和相速度或

者波长表示，它们分别是尸=（2力•）/□7,和夕=2乃”。

ZE

图2—3传输线示意图

3.2短路传输线:

假如ZL=O(负载相当于短路线)，输入阻抗表达式可表示为:

Zm(d)=/Zotan(因)

我们注意到阻抗随着负载的距离增加而周期性变化。d=0阻抗等于负载阻

抗，其值为零，随着距离d的增加，线路的阻抗为纯虚数，而数值随着增加。在

此所在位置阻抗为正，表示线路呈现电感特性。当d达到1/4波长时，阻抗等于

无穷大，这代表开路线情况。进一步增大距离，出现负的虚阻抗，它等效为电容

特性。当。=4/2时阻抗变为零，而当d>X/2时则又重复一个新的周期。

3.3开路传输线：

假如ZLF8,输入阻抗简化为：

Z<d)=—jZoCot(J3d)

可以看到，开路传输线的输入阻抗也是随着负载的距离增加而周期性变化

的。类似于短路传输线，也可以对开路传输线进行周期性分析。

3.41/4波长传输线：

假如传输线是匹配的，Z,.=Zo,可以看出，Z,"m)=Zo与线长无关。当

4=4/2［或者更普遍的4=4/2+机(/1/2),加=1,2,…］时,即

/2乃山几、

ZL+jZotan(^*-)

Z加3=4/2)=Z()yY~~ZL

Zo+jZttan(y*y)

换句话说，假如传输线的长度正好等于半波长，则输入阻抗等于负载阻抗,

而与特性阻抗Zo无关。

我们将传输线的长度缩短到d=2/4[或d=4/4+/n(4/4),m=l,2,...],可

得:

ZfZotan呼*)

Z,“3=2/4)=Zo----------------Z6

Z/.

Z0+/Zjan(w*w)

通过这一特性，可以通过选择线段，使一个实数负载阻抗与一个所希望的实数输

入阻抗匹配，传输线的特性阻抗等于负载和输入阻抗的几何平均值。

Zo=VZlZm

由图2—3看出，此处Z加和ZL是已知阻抗，而Zo是由上式决定的。

三实验设备及装置图

本实验主要是通过使用矢量网络分析仪AV3620测量微带传输线的特性参

数。本实验所用的微带传输线模块板材£产4.8,板材厚度7?=1利篦，传输线长度

l=\0.5mm,线宽w=1.764wm,铜箔厚度，=0.02〃“。连接图如下，将网络分

析仪的1端口接到微带传输线模块的输入端口，将微带传输线模块的输出端口接

上转接头，以便实验时接不同的负载。

网络分析仪AV3620

1QO2

微带

传输线

四实验内容及步骤

■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波长传输线在不同负载情况下的频率、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。

步骤一调用误差校准后的系统状态

步骤二选择测量参数

设置频率范围：设置起始频率为100M；

设置终止频率为400Mo

设置源功率：将功率电平设置为一25dB。

步骤三连接待测件进行测量

①按照装置图连接待测器件；

②将接有转接头的传输线空载，此时ZLF8,是开路传输线。将显示格式

设置为SMITHCHART,调出光标，调节频率，使光标在圆图的短路点（记录数据

时光标始终不变）。

③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。选择测量Si，记录下此时的Su（反射系数）值。

④将短路/匹配负载模块接在转接头上，将拨码开关的拨码2拨到“ON”端

（拨码1不起控制作用，在任意一端都可以），此时，短路/匹配负载模块处于短

路状态。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②中的频率）。此时光标在圆图中开路点附近。

⑤调节光标至圆图中的开路点，按照③中所示方法和步骤记录数据。

⑥将短路/匹配负载模块的拨码开关的拨码2拨到“2”端，此时，短路/

匹配负载模块是匹配负载状态。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。

⑦按照③中方法和步骤记录数据。

五结果分析和实验报告

1.实验目的、内容；

2.步骤简述，记录有关数据；

3.对记录的数据进行分析，并思考为什么开路负载时在短路点的光标，在接上

短路负载后会在开路点附近。

实验三微带谐振器品质因数的扫频实验

-实验目的

1、了解微波扫频测量的工作原理及特点。

2、掌握扫频测量微带谐振器Q值的方法。

二实验原理

1.扫频测量的原理

扫频技术是六十年代发展起来的测量技术，具有宽带、快速、连续、直观等

优点，和传统的点频测量技术相比，速度可提高成百倍；而且能全面反映被测器

件的频率特性，能迅速确定各种因素对整个微波电路频率特性的影响程度，因此,

它已成为设计、研制微波元件的有力手段。虽然，点频测试精度较高，但近年来,

随着测试设备和方法的改进，扫频测试精度已达到可与点频测量相当的水平。目

前大多数微波参量，如反射（或驻波）、衰减（或插入损耗）、频率（或波长）、

功率、相位、噪声等都可以采用扫频技术加以测量，其频率上限国内已达18GHzo

尽管扫频测量系统的门类繁多，但一个扫频测量系统基本上由扫频信号发生

器、微波宽带元件、显示和指示器三部分组成。其组成可由图3T来表示。

图3T扫频系统的组成

扫频信号发生器在测量中是信号产生部分，是整个测量系统的心脏。它能提

供符合测量需要的扫频信号、驱动显示器X轴的扫描信号和对X轴（时间轴）进

行频率定度的频率标记。通常的扫频信号发生器有返波管振荡器和固态扫频振荡

器两种。微波宽带元件在扫频测试系统中应具有良好的宽带特性，即在整个扫频

范围内均具有平坦响应，主要有定向耦合器、晶体管检波器、固定衰减器等。显

示和指示器是用来显示、记录或指示检波后的低频信号。在扫频测量系统中有时

还要使用一种专用的音频放大器，为了放大微弱的被测信号。

2.谐振腔Q值的测量

品质因数Q是表征微波谐振系统的一个重要的技术参量，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。它定义为

cc取c取W

=272r—==3岂—

辱中R

其中6为腔的平均损耗功率，w为腔内的储能。

品质因素Q的测量方法很多，例如：功率传输法、功率反射法、阻抗法等等,

通常可根据待测谐振腔Q值的大小、外界电路耦合的程度及要求的精度等，选用

不同的测量方法。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。图3-2表示测量

谐振腔功率特性的方框图。

PlP2

图3-2测量谐振腔功率传输特性的方框图

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

图3-3谐振腔传输功率与频率的关系曲线

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

O-fo-fo(3-1)

QL一不干后

式（3-1）中人为谐振腔的谐振频率，力、力是传输功率6自最大值下降到一半

时的“半功率点”的频率。力与工之间的差值旷为谐振频率的通频带。

三实验设备及装置图

本实验主要是通过使用矢量网络分析仪AV3620扫频测试微带谐振器的散射

参数来得到其Q值，实验装置连接图如图3-4所示，将网络分析仪的1端口

接到微带谐振器模块的输入端口1,将微带谐振器模块的输出端口2接到网络分

析仪的2端口。

图3-4实验装置连接图

实验用的微带谐振器是在尺寸为长X宽X高=95X50X1mm的PCB板材上，

制作了一个微带环形谐振腔，PCB图如图3-5所示。其内径2a=39mm,环宽W=lmm,

环与50Q输入、输出微带线的耦合缝隙S=0.2mni。端口1为介电常数测量模块的

输入端，端口2为介电常数测量模块的输出端。

在环的平均周长等于带内波长的整数倍时，此环形谐振腔发生谐振，谐振模

式为模。谐振条件为:

=2TVR=兀(a+b)=»(2a+W)

式中n=l,2,……，4=4/点，4=C//为真空中的谐振波长。

图3-5微带谐振器PCB图

四实验内容及步骤

■利用网络分析仪AV3620扫频测量微带谐振器的Q值

步骤一调用误差校准后的系统状态

步骤二选择测量参数

设置网络分析仪的扫描频率范围为lGHz-2GHz,将功率电平设置为TOdBm。

步骤三连接待测件进行测量

按照实验装置连接图3-4将微带谐振器模块与网络分析仪连接好。测量设置

选择为测量介电常数测量模块的参数的幅度的对数值，记下幅度的对数值

最大的那个点的频率，这个点的频率即为微带谐振器的谐振频率工)。还要记下在

该谐振频率点上的幅度的对数值，这个值即为微带谐振器在谐振频率上的衰减量

/。然后将光标从谐振频率人开始向两边移动，记下衰减量比劭小3dB点处的

频率分别为力和/,。

步骤四进行计算

将测得的频率4、力和人代入到式（3T）中，就可以计算出被测的微带谐

振器的品质因素Q的值。

步骤五Q值的自动测量

网络分析仪能自动计算显示带宽、中心频率、质量因子（定义为电路谐振频

率与其带宽的比例），和被测件在中心频率下的损耗。这些值在光标数据读出区

中显示。

1）按【MarkerSearch］和【SEARCH:MAX】将光标放在微带谐振器谐振曲线

中心的旁边。

2）如果希望带宽相对最大，按【MARKER:ZERO］

3）按【MarkerSearch］将访问光标搜索菜单。

4）按【WIDTHSON】将计算中心激励值、带宽和测量轨迹上的质量因子Qo

若要改变谐振器的幅度值（默认-3dB）,按［WIDTHVALUE］然后从前面板键区输

入新值。

五结果分析和实验报告

1、根据测量所得的数据计算出微带谐振器的Q值，并与网络分析仪自动测量

得到结果进行对比，分析两者之间产生误差的原因。

2、总结扫频测量的原理和方法。

3、简述提高微带谐振器Q值的方法。

实验四微波滤波器测量实验

-实验目的

1.掌握微波低通、带通滤波器的工作原理

2.学会使用AV3620矢量网络分析仪测量微波滤波器的幅频特性

二实验原理

1.低通滤波器

1.1集总元件低通原型滤波器

集总元件低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础。一般低通原型滤波器的

两种可行结构如图4T所示，它是个LC梯型网络，两端各接纯电阻负载，（a）

与（b）两电路互为对偶，即串联电感与并联电容存在对换关系。

gn+1

（b）电感输入

图47低通原型滤波器的电路

图中各元件值g0,g|,g2,…,是由网络综合法得出的，它们的物理意义

如下:

,=［串联电感

=j或并联电容

」若&=G（即电容输入），则为信号源的电阻R。

j若gi=L；（即电感输入），则为信号源的电导G.j

=［若g“=C"，则为负载电阻R；中

“尸［若g,,=&，则为负载电导Ge

在实用中，通常都把低通原型的元件数值对g。归一化，而频率对截止频率3；

归一化，即g0=l，31=1。这种归一化原型很容易变换成其他阻抗水平和频率

标度的滤波器，其变换公式如下：

对于电阻或电导，

5

R'或G=(4-la)

段G。

对于电感,

•、

(0,

也(4-lb)

CO]

对于电容,

(4-lc)

在这些公式中，带“撇”的量是归一化原型的，不带“撇”的量是需要变换

的电路的。对图4-1的归一化原型而言，go=R）T或go=G0=1,3；=1。

低通原型的频率响应通常有最平坦响应和等波纹响应两种。在这些响应中，

4,是通带最大衰减，L而是阻带最小衰减，3；是截止频率，3^3；为滤波器的

通带，3整3为滤波器的阻带。下面就这三种响应的低通原型分别介绍。

1.2最平坦低通原型

这种滤波器的衰减曲线中没有任何波纹，所以称为最大平滑滤波器，也称巴

特沃斯滤波器。其衰减函数为

4=10Ig(l+£2Q2")(4-2)

其中归一化频率。。因为在C=1(截止频率)处的衰减是乙,，故由上

式可得幅度因子

£=(10。%一1)%(4-3)

当C=1时，反射系数的模平方为

如果规定在归一化阻带频率。，上衰减不得小于,则由衰减函数可得滤波器节

数为

1g-(10niL--l)

n>----------------(4-5)

21g5

辅助参数

(4-6)

梯形网络归一化元件值为

go=g"+l=1

2.sii\兀口=1，2「.•,〃)(4-7)

g*=—sin(2I)丁

aE2n

上式是任给带内衰减的综合设计公式。

1.3等波纹低通原型

这种滤波器的频率响应在通带内有规律性的起伏,且幅度相等，故称为等波

纹型，也称为切比雪夫响应。其衰减函数为：

22

L4=101g[l+e7；(Q)](4-8)

幅度因子可由(4-3)算出。

滤波器需要的节数为

ch-'!，心以-1]

n>(4-9)

ch-'a

梯型网络归一化元件值为

go=l，gi=2q/s/?(P/2〃)

g*=4aj4/(Mgj)(%=2,3,…

’1(〃奇)

C研£|(〃偶)

(2Z-1)兀,、

L

ak=sin---^-—(Z=l,2,…

4=y2+sin2(旦［(攵=1,2,…,〃)

与巴特沃斯低通原型相比较，对于给定的通带衰减和滤波器节数，切比雪夫

低通原型的阻带衰减斜率陡峭得多。由于切比雪夫响应的选择性好，故一般都选

用它作为低通原型。

2带通滤波器

微带滤波器在微波集成电路和移动通信等方面应用广泛，它具有设计简单、

制作方便、体积小、成体低和便于集成等优点。与其他微波滤波器结构相比，发

卡式滤波器是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是把半波长耦合谐振器折

合成“U”字形构成的。因此，具有更加紧凑的电路结构，它在对电路尺寸有较

严格要求的场合广为应用。

2.1发卡式滤波器的电磁耦合特性

发卡式滤波器是由若干个发卡式谐振器并排排列组合而成，这些谐振器之间

主要是通过其边缘区域的电磁场相互交叉耦合的。因此，这部分区域决定了发卡

式滤波器之间的耦合特性和耦合强度。

(C)第•类混合格合(d)第二类漫合格合

图4-2微带型发卡式谐振器的4类基本耦合结构

图4-2给出了在相对介电常数为与，厚度为h的基板上的微带型发卡式谐振

器的4类基本耦合结构。在每个谐振器两臂的开放端，电场强度分布达到最大；

而在其两臂的中间部分，磁场强度分布达到最大。因此，如果按图(a)和图(b)

所示的结构放置两谐振器，就分别构成了电耦合结构和磁耦合结构。在图(c)中，

两个发卡式谐振器以相反的方向放置，且两者之间有一定的间距S和偏移距离d,

由于电耦合和磁耦合都存在，把这种结构称为第一类混合耦合。而在图(d)中，

两者以相同的方向放置，同第一类混合耦合一样，谐振器之间也保持一定的间距

S和偏移距离d,且同时存在电耦合和磁耦合，其表现出的电磁耦合特性与第一类

混合耦合的耦合特性有很大区别，把这种结构称为第二类混合耦合。

图4-34类基本耦合结构的频率响应

图4-3显示了4种基本耦合结构在全波仿真下，其频率响应随两谐振器之间的

距离S变化的曲线。从谐振频率响应的仿真曲线图上可以看出每种耦合结构都有

两个明显的谐振尖峰，分别记/6和力,2,峰值高出低谷1。dB以上。随着S的减小,

两个谐振频率峰值之间的距离变大，且两频率峰值之间的低谷部分向下凹陷得越

深，这些现象表明各耦合结构的耦合性能都在增强。对于电耦合和磁耦合而言，

取相同的S时，磁耦合的耦合性能比电耦合强。当后两类混合耦合结构的偏移距

离d为零时，第一类混合耦合有着和电耦合、磁耦合相同的性质，而第二类混合

耦合却没有上述规律，它的两谐振频率点间距随着S的增大出现不规则的变化。

.八第一类混合耦合第二类混合耦合

d-15nund=20mnid-lOmmd-5mmd_20mmd_15ramd-IOmmd$tnn

图4-4两类混合耦合结构的频率响应

图4-4显示了随着两谐振器之间偏移距离d的变化，两类混合耦合结构产生的

频率响应。显然，对于这两类混合耦合结构而言，随着偏移距离d的减小，相应

的两个谐振频率峰值之间的距离变大，这同样表明其耦合性能在增强。由此，可

以得出结论：对于相同的微带线结构，如果两个谐振器的S和d减小，其耦合性能

必定增强。止匕外，谐振器之间的耦合强度可以通过耦合系数来进行分析。耦合系

数越大，耦合性能越强；反之则耦合性能越弱。

耦合系数可通过下式计算：

k=(4-11)

图4-5显示了在微带线的相对介电常数分别为10.8和5的情况下，四类基本耦

合结构的耦合系数随S与h变化的图形。谐振器具体参数如下：介质厚度为L27mm,

微带线的线宽为1.5mm,谐振器的臂长为25mm,两臂之间的距离为3mm,耦合系

数可由上式计算得出。对于电耦合结构，其耦合系数随S的增大而衰减较快，且

与介电常数关系不大；磁耦合结构的耦合系数变化相对较慢，且与介电常数完全

无关；对于第一类混合耦合结构，同样可以看出其与介电常数的关系不大，但其

耦合系数的衰减变化较慢；第二类混合耦合结构的耦合系数变化较复杂，并非单

调变化。由此可知，电耦合、磁耦合和第一类混合耦合的耦合系数都随距离S的

增大而减小，第二类混合耦合结构没有上述性质。

0.03

图4-5耦合系数的变化曲线

2.2抽头线位置

对于发卡式谐振器，其信号源的输入输出方式可采用抽头方式或缝隙耦合方

式。若忽略发夹型谐振器两臂间自耦合的影响，可以得到抽头线发夹型谐振器的

等效电路如图4-6所示：

图4-6发夹型滤波器谐振单元及其等效电路

由等效电路可得抽头线的位置：

4=4=二/=且(4-12)

2L

在谐振频率附近，从抽头线位置看去的输入导纳为：

为=5+乃(0)=5+_4色-%](4-13)

1%①)

式中，G。是滤波器的输入电导，b是图4-5(b)等效电路的斜率参数，g是谐振

角频率。

由传输线理论可得等效电路在谐振频率g附近的电纳为:

=匕tan+%tan(4-14)

由斜率参数的定义式，得:

b=%"®)

一%