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1、微波技术基础实验华中科技大学电信系微波技术实验的意义n学习现代微波工程中的先进测量仪器与测量 技术n补充学习微波元件的知识，学习平面微波电 路微波技术实验的任务n学习微波电路基本参数的测量方法S参数n学习微波测量仪器的基本原理与使用矢量网络分析仪n学习微波元件的基本特性传输线、微带谐振器、定向耦合器、功率分配 器实验规则n四个人为一小组，共用一台网络分析仪，每 人一个实验箱，做实验时轮流使用仪器，其 它人可以辅助。整个小组都完成，方可下课 。n实验过程中记得记录原始数据，回去完成实 验报告。n每个小组实验完后，报告老师检查数据、仪 器及实验箱，检查完毕后方可离开。实验注意事项！n仪器是昂贵的，
2、弄坏是要负责任的！并非不能动，只是不要盲目的瞎动，按照老 师讲授的方法操作，不明白的问老师。n实验箱内的实验模块不要乱拿乱放，按照需 要的取出来。用完放回去。目 录实验一 矢量网络分析仪的使用及传输线的测 量实验二 微波元件特性参数测量实验一 矢量网络分析仪的使用及传输线的测量一、实验目的n学习矢量网络分析仪的基本工作原理；n初步掌握AV3620矢量网络分析仪的操作使用 方法；n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；n通过测量认知1/4波长传输线阻抗变换特性。矢量网络分析仪u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
3、述微波电路的性 能。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。 u微波矢量网络分析仪是全面测定网络参数的一种仪器，它是结 合了计算机技术的一种全自动多功能的测量装置，功能强大， 使用方便。u它既能测量反射系数和传输参数，也能自动转换为其它需要的 参数；既能测量无源网络，也能测量有源网络；既能点频测量 ，也能扫频测量；既能在液晶屏显示，也能打印输出，甚至直 接输出到计算机中。因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功 能和提高了工作效率。矢量网络分析仪的构成n矢量网络分析仪主要组成部分包括合成信
4、号源、S 参数测试装 置、幅相接收机和显示部分。nR入射信号 A反射信号 B传输信号 (DUTDevice under test)矢量网络分析仪的工作原理AV3620矢量网络分析仪前面板 2. 硬键即前面 板按键，在讲 义中这些键 由键名加【 】来描述。如 【Preset】 9. 软键为 8 个 空白键，在屏 幕边上。在本 文中，这些 键用键名加 来描述。 如 ：SWEEP TIME AV3620矢量网络分析仪后面板AV3620的主要性能指标 频 率 范 围AV3620A30 kHz3GHz功率范围-85+8 dBm功率扫描范围23 dB接收机损毁电平 26 dBm (400mW)AV3620
5、射频一体化矢量网络分析仪有下列测量格式 ：na）笛卡尔坐标(直角坐标）：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。nb）史密斯圆图：对数幅度、线性幅度、阻抗 R+jX 或导纳 G+jB 。nc）极坐标： 对数幅度、线性幅度、相位、实部和虚 部。AV3620的基本操作说明 n电缆与被测微波器件的连接我们采用的是N型接头。注意连接时只旋转接头有 齿纹的一端，不要旋转内螺纹一端。AV3620的基本操作说明n测量频率范围设置当AV3620开机后，显示屏默认以直角坐标的方式 显示，纵轴的参数为所测量的S参数，横轴的参数 为频率，默认频率范围为最大频率量程30k3GHz 。按下【st
6、art】键可以设置扫频的起始频率，按下 后，显示屏左上方会显示当前起始频率，要改变的 话通过按数字键加上相应的单位键【G/n】、【M/n 】、【K/n】来设置频率，上面三个单位键分别对 应GHz、MHz、KHz。类似，按【stop】键设置扫 频的终止频率，设置方法与起始频率相同。AV3620的基本操作说明n源功率设置按【power】键设置矢网合成源的功率大小，按下 后，显示屏右上方会显示当前功率大小，如果要改 变的话，按数字键加上【1】键设置功率大小，单 位是dBm。注意，由于功率一遍设置为0dBm以下， 所有在数字键前记得按【-】键设置功率dBm数为负 数。AV3620的基本操作说明n测量的
7、S参数设置【measure】键选择测量参数，按下后显示屏的软 键菜单会显示S11、S12、S21、S22四个待选测 试参数，通过按下相应软键来选择要测量的S参数。 AV3620的基本操作说明n被测S参数显示格式设置【format】键选择 参数显示格式，按下后显示屏的 软键菜单会显示LOG MAG、PHASE、DELAY 、SMITH CHART、POLAR、LIN MAG、 SWR ，分别表示以对数幅度、相位、群延迟、史 密斯圆图、极座标、线性幅度、驻波比的形式显示 测量参数，通过按下相应软键 来选择要显示的测量 格式。 AV3620的基本操作说明n利用光标读取测量结果按下【marker】键就
8、会在显示屏上的测试曲线上 显示光标，对应显 示屏的软键菜单处会显示光标 编号1、2、3、4、5，按下相应软键 会显示 对应编 号的光标，默认会显示1号光标。通过旋转 旋钮键就会移动光标的位置，而在显示屏右上角会 显示光标对应 位置的频率和测量值。而通过数字键 输入频率值也可以确定光标的位置。 微带电路n微带传输线目前是混合微波集成电路和单片微波集成电 路使用最多的一种微波平面型传输线，主要是因为它可 以用照相印刷工艺来加工，而且容易与其它无源微波器 件和有源微波器件集成，构成微带电路，实现微波部件 和系统的集成化。 微带传输线n特性阻抗 反射系数 驻波比微带传输线接不同负载时的工作状态n端接负
9、载的传输线的输入阻抗n终端短路的传输线n终端开路的传输线n1/4波长传输线 实验内容n 矢量网络分析仪操作实验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。 n 微带传输线测 量实验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 在开路、短路、匹配负载情况下 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。1.矢量网络分析仪操作实验 n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（S11、S12、S21、S22）来熟悉矢量网
10、络分析仪的基本操作。微带带通滤波器模块矢量网络分析仪操作实验步骤n步骤一 调用误差校准后的系统状态n步骤二 选择测量频率与功率参数n步骤三 连接待测件并测量其S参数n步骤四 设置显示方式n步骤五 设置光标的使用2. 微带传输线测量实验 n通过使用矢量网络分析仪AV3620测量微带传输线的 端接不同负载时的S参数来了解微波传输线的工作特 性。连接图如图1-10所示，将网络分析仪的1端口接 到微带传输线模块的输入端口，另一端口在实验时 将接不同的负载。微带传输线模块微带传输线测量实验步骤n步骤一 调用误差校准后的系统状态n步骤二 选择测量频率与功率参数n步骤三 连接待测件并测量其S参数 按照装置图
11、将微带传输线模块连接到网络分析仪上； 将传输线模块另一端空载，此时，传输线终端呈开路。选择 测量S11，将显示格式设置为SMITH CHART，调出光标，调节 光标位置，使光标落在在圆图的短路点。 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。将显示格式设置为LOG MAG，记录 下此时的（反射系数）值。（记录数据时保持光标位置始终不 变） 微带传输线测量实验步骤 将传输线模块的终端接头短路（将同轴内导体与外导体短接） 。将显示格式设置为SMITH CHART，注意观察光标的位置（ 此时光标所示频率仍为中的频率），此时光标应在圆图中开 路点附近。 调节光标至圆图
12、中的开路点，按照中所示方法和步骤记录数 据。 将传输线模块另一端接上匹配负载。将显示格式设置为SMITH CHART，将光标调节至最靠近圆图圆心的位置。 按照中方法和步骤记录数据。 五、实验报告n实验目的、内容、系统简图；n步骤简述，记录有关数据；n数据处理，根据有关公式算出各测量值。n完成思考题实验二 微波元件特性参数测量一、实验目的n掌握利用矢量网络分析仪扫频测量微带谐振 器Q值的方法。n学会使用矢量网络分析仪测量微波定向耦合 器的特性参数。n掌握使用矢量网络分析仪测试微波功率分配 器传输特性的方法。微波谐振腔的Q值测量 n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n本实
13、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。下图表示测量谐振腔功率特性的方框图。 匹 配 微波源待 测 谐振腔匹配 微波 功率检测器P1P2微波谐振腔的Q值测量原理n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随着改变，它与频率的关 系曲线如图所示。n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： 微带谐振器模块微波定向耦合器 n定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器件，通常有波导 、同轴线及微带线等几种类型。理想的定向耦合器一般为互易 无损四口网络，如图
14、所示。定向耦合器包含主线和副线两部分 ，在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合机构，将一 部分功率耦合到副线中去，由于波的干涉和叠加，使功率仅沿 副线中的一个方向传输（称正方向），而在另一个方向几乎没 有或极少功率传输（称反方向）。 微波定向耦合器的特性参数n耦合度输入至主线的功率（端口1输入功率）与副线中正方向传输的 功率（端口2输出功率）之比的对数称为定向耦合器的耦合度C ：n方向性用副线中正方向传输的功率（端口2输出功率）与反方向传输 的功率（端口4输出功率）之比的对数来表示定向传输的性能 ，称为耦合器的方向性D ：微波定向耦合器的特性参数n隔离度有时，反映定向程度的指标也可以用隔离
15、度来表示。定义隔离 度为输入至主线的功率（端口1输入功率）与副线中反方向传 输的功率（端口4输出功率）之比的对数：n输入输出驻波比n插入损耗n工作频带微带线定向耦合器n微带线定向耦合器是由两条等宽的平行耦合微带线 所构成，耦合线长是奇模和偶模波长平均值的1/4， 如图所示。若信号从端口1输入，则端口2和端口3将 有输出，端口4没有输出。由于耦合信号（端口2的 输出）的传输方向与输入信号方向相反，故这种定 向耦合器称为反向定向耦合器。微带线定向耦合器模块2134微带线定向耦合器的工作原理定向耦合器为什么会有方向性呢？要具有方向性必须要有两种以上的耦合因 素起作用，使耦合到副线某一端口的能量能够互
16、相抵消。我们来看一段如图 所示的平行耦合传输线。当导线1-3中有交变电流流过时，由于2-4线和1-3线 互相靠近，故2-4线中便耦合有能量，此能量是既通过电场（以耦合电容表示 ）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合过来的。通过Cm的耦合，在传输线2-4 中引起的电流为Ic2及Ic4；同时由于的交变磁场的作用，在2-4线上感应有电流 IL。根据电磁感应定律，感应电流IL的方向与I1的方向相反，如图上所示。因 此，若能量由端口1输入，则耦合端口是2端口。而在4端口因为电耦合电流与 磁耦合电流的作用相反而能量互相抵消，故4端口是隔离端口。这样，我们就 定性地了解了耦合微带线定向耦合器具有方向性的原理。 微波功率分配器n在实际应用中，有时需要将信号源的功率分别馈送 给若干个分支电路（负载），就是说，进行功率分 配，实现这种功能的射频器件就称为功率分配器。 由于功率分配器一般为满足互易定理的无源网络， 所以功率分配器与合成器
