微波技术基础实验指导书汇编

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1、微波技术基础实验指导书郭伟 陈柯 编 华中科技大学电子信息与通信学院前 言与更早时期定位在波导与场论相比，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

2、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（identification tagging）、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

3、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。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1 学习矢量网络分析仪的基本工作原理；2 初步掌握AV36580矢量网络分析仪的操作使用方法；3 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；4 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. 矢量网络分析仪的工作原理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。

4、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。而现代微波工程中测量微波电路S参数最常用的设备就是矢量网络分析仪，它是一种可以测量微波信号幅度和相位的仪器。通过测量S参数，矢量网络分析仪可测得微波电路和器件的反射特性和传输特性，其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。矢量网络分析仪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1-1 DUT对信号的响应以我们现在使用的AV3

5、6580矢量网络分析仪为例，其原理框图如图1-2 所示：合成信号源产生30k3GHz 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。图1-2 AV36580 型矢网整机原理框图AV36580矢网的工作原理如下，由内置合成信号源产生30k3GHz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

6、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。图1-3 AV36580 型矢网整机内部结构框图 合成信号源：由30k3GHz YI-G

7、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. AV36580矢量网络分析仪简介2.1 结构特征我们实验使用的是四十一所生产的一体化矢量网络分析仪AV36580，本节将介绍AV36580的前面板和后面板的基本按键与接口的设置说明。图1-4 AV36580矢网前面板图1. 前面板a) LCD 液晶显示器 AV36580 采用高

8、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) 调节键区 包括导航键和调节旋钮。图1-5：调节键区c) 调节旋钮 旋转旋钮可以调节当前激活输入框的设置值。【Tab】和【Tab】键 在矢网程序操作界面中向左或向右移动选择菜单。在矢网程序操作界面的对话框中切换激活的选项。不运行或者退出矢网程序操作界面后，进入任何其他的除矢网程序以外的用户操作界面，或者进入了矢网的帮助用户界面时，都可以通过向左或向右来移动鼠标箭头进行操作。（鼠标箭头默认在屏幕的右下角） 【】和【】键 在矢网程序操作界面的菜单中上下移动选择菜单项。在矢网程序操作界面的对话框中有如下

9、作用：* 更改数值。* 选择下拉列表中的项目。* 在一组选项按钮中选择希望的选项。不运行或者退出了矢网程序操作界面后，进入任何其他的除矢网程序以外的用户操作界面，或者进入了矢网的帮助用户界面时，都可以通过向上或向下来移动鼠标箭头进行操作。（鼠标箭头默认在屏幕的右下角） 【点击】键 与鼠标点击的功能相同。2 功能键区 进行仪器系统的操作。图1-6：功能键区【保存】键 用于将仪器状态、校准数据或测量数据保存到指定的文件中。 【系统】键 进行一些系统相关的配置，软件语言的选择等。【复位】键 复位分析仪到默认（预定义）状态。 【回调】键 用于调用包含分析仪状态、校准数据和测量数据的文件。 【打印】键

10、启动打印功能，选择打印设置和打印机进行打印。 【宏/本地】键 当分析仪处于外控状态时，按这个键可以使分析仪重新响应前面板按键。 当分析仪处于正常工作状态时，按这个键可以访问一组与可执行文件关联的用户定义的宏。分析仪最多可以命名和存储10个宏。【功能1】键记录某次测量的操作过程的快捷键（只有用前面板按键操作时才记录有效）。【功能2】键 记录某次测量的操作过程的快捷键（只有用前面板按键操作时才记录有效）。【帮助】键 打开分析仪的用户手册（内嵌文档）。3 响应键区 进行测量数据轨迹的各种操作。图1-7：响应键区【测量】键 用来选择测量的S参数类型和任意比值或非比值功率测量类型。【格式】键 用来选择分

11、析仪显示测量数据的格式。 【比例】键 设置分析仪显示测量轨迹的比例。 【显示】键 可以创建新的窗口，选择或激活现有窗口，也可以进行显示的各种设置。 【平均】键 通过【平均】键可以使用测量平均功能降低噪声。当指定平均因子后，分析仪通过执行指定次数的复指数扫描平均来减小随机噪声对测量结果的影响。【校准】键 可以启动测量校准，进行功率校准等操作。 4 轨迹/通道键区 在仪器的显示上管理轨迹和通道。图1-8 轨迹/通道键区【上一轨迹】键激活上一条轨迹曲线。【上一通道】键激活上一通道的曲线。【下一轨迹】键激活下一条轨迹曲线。【下一通道】键激活下一通道的曲线。【轨迹】键 会显示相应的轨迹软键菜单，按相应的

12、软键就可以进行创建、删除或选择激活轨迹等。【通道】键 显示相应的通道软键菜单，通过相应的软键进行通道管理。5 激励键区 决定所测量的数据的范围、扫描类型或者触发模式等。 图1-9：激励键区【起始】键用于设置起始频率值范围和频率偏移。【终止】键用于设置终止频率值。【中心】键用于设置中心频率值。【跨度】键用于设置频率范围。【扫描设置】键用于选择信号源扫描的方式和与之相关的各种属性。 【触发】键 用于设置如何开始一个已初始化的扫描测量。 6 光标/分析键区 控制各个方面的数据分析，包括光标和数学运算等。 图1-10 光标/分析键区【光标】键 用来激活光标和设置光标的激励值，光标能够提供测量结果的数字

13、读数。分析仪最多支持9个光标和参考光标R。【搜索】键 提供光标搜索功能，如果没有光标显示，按这个键将激活一个光标。【存储】键 设置分析仪对测量数据进行的数学运算和存储操作。 【分析】键 包括极限测试、轨迹统计、门、窗和时域变换等功能。7 输入键区 这些按键用来输入测量设置值。图1-11：输入键区【确定】键用于确认对话框中的设置和输入值并关闭对话框，相当于按对话框中的“确定”按钮。【取消】键 忽略对话框中的设置和输入，关闭对话框，相当于按对话框中的“取消”按钮。【菜单/对话框】键按【菜单/对话框】键后，可以用导航键浏览菜单。按该键后，再按前面板的功能按键，可以快速打开功能设置对话框。例如按【菜单

14、/对话框】键，再按【搜索】键，可以打开搜索设置对话框。【退格/】键输入数值后按此键光标后退删除原先的输入。数字键包括0-9的数字，在设置测量时用来输入数值，然后按对应的单位键完成输入。单位键用来结束数值输入，并给输入值分配一个单位，各键对应的单位如下： 【G/n】 吉/纳（109/10-9） 【M/】 兆/微（106/10-6） 【k/m】 千/毫（103/10-3） 【8 】 基本单位：dB、dBm、度、秒、Hz或dB/GHz，也可以用于无单位数值的输入，并具有回车键的功能。【 】十进制小数点键当输入带小数位的十进制数值时，用来输入十进制的小数点。 【+/-】正号/负号键输入数值前按此键用来触发输入是正值还是负值。8 软键 和前面板其他功能区的按键配合使用能在不用鼠标的情况下很容易的进行仪器的所有的操作。 有一个附加键可以做为用户键来使用。 按前面板的任何一个按键就可以调出和该按键相关的软键菜单。 图1-12：软键区9 USB接口 USB接口可以用来连接键盘、鼠标或其他的USB设备，前面板共提供四个USB接口，均符合USB2.0规范，接口插孔为A型配置（内嵌4触点：触点1在左边），每个接口的特性如下： 触点1：Vcc，4.75V5.25V，最大输出电流500mA。 触点2：数据-。 触点3：数据+。 触点4：地。图1-13: USB接口 10 显示屏