实验二微波元件特性参数测量实验报告

微波技术基础实验实验名称：微波元件特性参数测量班级：通信学号：U2013姓名：2016年3月31日1一实验目的1、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。2、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。3、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。二实验原理1.微波谐振腔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0022Tll其中lP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2-1表示测量谐振腔功率特性的方框图。图2-1测量谐振腔功率传输特性的方框图2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2-2所示。图2-2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0021LffQfff（2-1）式（2-1）中0f为谐振腔的谐振频率，1f、2f是传输功率2P自最大值下降到一半时的“半功率点”的频率。2f与1f之间的差值f为谐振频率的通频带。2.微波定向耦合器2.1工作原理与特性参数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、带状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2-3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）。3图2-3定向耦合器方框图定向耦合器有四个端口，其作用可由图2-3所示的四端口网络说明。设图中1、3为主线，2、4为副线。若波由端口1输入，则一部分直通端口3输出，另一部分经耦合到端口2输出，端口4无输出；或端口4输出，端口2无输出。端口3称为输出端口，端口2称为耦合端口，端口4称为隔离端口。在一定条件下，1、2两端口彼此隔离，3、4两端口也彼此隔离。在各端口均接匹配负载的条件下，可以定义描述定向耦合器的特性参量，主要包括耦合度、方向性、输入驻波比和工作频带等。2.2微带线定向耦合器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，线长是奇模和偶模波长平均值的1/4，线的各端口都接以匹配负载cZ，如图2-4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。图2-4耦合微带线定向耦合器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相抵消。我们来看一段如图2-5所示的平行耦合传输线。当导线1-3中有交变电流1i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4表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合过来的。通过mC的耦合，在传输线2-4中引起的电流为2ci及4ci；同时由于的交变磁场的作用，在2-4线上感应有电流Li。根据电磁感应定律，感应电流Li的方向与1i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4ci与磁耦合电流Li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。图2-5耦合线方向性的解释3微波功率分配器3.1工作原理在实际应用中，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是等价的。根据输出功率的比例，微波功率分配器有等分功率与不等分功率两类。当一个微波功率平均分成n路时，称为n路等分功率分配器，反之，称为n路不等分功率分配器。微波功率分配器在微波天线的馈线中和微波仪表中都得到了应用。大功率微波功率分配器采用同轴线结构，中小功率微波功率分配器采用带状线或微带线结构。功率分配器的具体结构型式很多，最常用的是采用/4g阻抗变换段的功率分配器，一般来说功率分配器都是相等的，图2-6所示的是两路微带功率分配器的结构。两个分支臂长都为/4g，是完全对称的结构，对称性保证输入功率将5平均分配于两个输出端，得到同相同模的输出。图2-6两路微带功率分配器的结构原理图两分支臂之间接有隔离电阻R，是为了保证两个输出端口的隔离。当两个输出端口均为良好匹配时，对称性保证各个传输支路是同电位的，故无电流通过隔离电阻，隔离电阻上无功率损耗。但当其中一输出端失配，致使有反射波折回，则此反射功率将分拆开：一部分经过隔离电阻到达另一输出端；另一部分沿自己支路反射回输入端，然后又反射回来，沿另一支路到达另一输出端。如果隔离电阻尺寸很小而可视为集总元件时，则它的电长度可近似地认为是零。由于各支路的长度为/4g，电长度在中心频率时为/2，因而往返二次的电长度是。因此到达另一输出端的两部分信号是反相的。可以证明，只要适当选择隔离电阻和支线的特征阻抗值，就可以使这两部分信号幅度相等，因而彼此相消。这就是利用隔离电阻R达到各分支端口之间的隔离的原理。经过对电路的分析计算，可以得到隔离电阻R和支线特征阻抗01Z分别应该为：0102ZZ和02RZ；其中0Z为输入端微带传输线的特征阻抗，一般都为50。三实验设备及装置图本次实验主要包括三个内容：一是通过使用矢量网络分析仪AV36580扫频测试微带谐振器的散射参数621S来得到其Q值，实验装置连接图如图2-7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；二是通过使用矢量网络分析仪AV36580测量微波定向耦合器的S参数来熟悉定向耦合器的特性。连接图如图2-8、图2-9所示：（a）测量传输特性时，将网络分析仪的1端口接到微波定向耦合器的输入端口，将耦合器的输出端口接到网络分析仪的2端口，耦合端口接50欧姆匹配负载；（b）测量耦合特性时，将耦合器的耦合端口接到网络分析仪的2端口，输出端口接50欧姆匹配负载。三是通过使用矢量网络分析仪AV36580测试功率分配器的S参数来得到其传输频率响应特性和插入损耗、各端口幅度偏差、端口隔离度等技术参数。实验装置连接图如图2-10所示，功率分配器的输入端口1接网络分析仪的1端口，功率分配器的一个输出端口2接网络分析仪的2端口，功率分配器的另一个输出端口3接匹配负载。图2-7图2-87图2-9图2-10四实验内容及步骤1.微带谐振器品质因数的扫频测量实验利用网络分析仪AV36580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1GHz-2GHz，将功率电平设置为-20dBm。步骤三连接待测件进行测量按照实验装置连接图2-7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21S的幅度的对数值，记下21S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0f。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0。然后将光标从谐振频率0f开始向两边移动，记下衰减量比0小3dB点处的频率分别为1f和2f。8步骤四进行计算将测得的频率0f、1f和2f代入到式（2-1）中，就可以计算出被测的微带谐振器的品质因素Q的值。f1=1.29449GHz,f2=1.33825GHzf0=1.31637GHz0021LffQfff＝29.909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。Q0=30.0792.微波定向耦合器实验使用矢量网络分析仪AV3620测量微带线定向耦合器的S参数。9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：起始频率为700MHz，终止频率为1000MHz设置源功率：将功率电平设置为-20dBm步骤三连接待测器件测量耦合特性按照耦合特性测量装置图2-9连接待测器件；采用对数幅度模式，观察数据S21的轨迹，找出其在设置频率范围内的最大值，即为耦合器的耦合度，此时的频率值为耦合器的中心频率；选择S12测量，观察数据S12的轨迹及与S21的关系；选择S11和S22测量，采用SWR模式，其值分别为耦合器相应端口的反射系数。步骤四连接待测器件测量传输特性按照传输特性测量装置图2-9连接待测器件；选择正向传输测量，采用对数幅度模式，观察S21的轨迹，读出其在中心频率处的数值，即为耦合器的插入损耗；选择S12测量，观察数据S12的轨迹及与10S21的关系；选择S11和S22测量，采用SWR模式，其值分别为耦合器相应端口的反射系数s21插入损耗s11和s22端口的反射系数113.微波功率分配器实验利用网络分析仪AV3620测量功率分配器的传输频率响度特性。根据测量所得的数据计算出功率分配器的插入损耗、各端口幅度偏差、各端口隔离度等技术参数。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800MHz-1GHz，将功率电平设置为-20dBm。步骤三连接待测件进行测量①按照实验装置连接图2-10将功率分配器模块与网络分析仪连接好，功率分配器的输入端口1接网络分析仪的1端口，功率分配器的一个输出端口2接网络分析仪的2端口，功率分配器的另一个输出端口3接匹配负载。测量设置选择为测量功率分配器模块的参数21S的幅度的对数值和相12位值，记下其曲线。在935MHz上记下21S幅值和相位，则插入损耗2120log||ILSS21的幅度对数值和相位值②。13③将功率分配器的另输出一端口2接匹配负载，输出端口3接网络分析仪的端口2。测量另一支路的21S参数，记下其曲线。同样在935MHz上记下21S幅度的对数值和相位值，则另一支路的插入损耗2120log||ILS。比较两次记录的21S的幅度值和相位值，并将两者作差就可得出两端口的幅度偏差和相位偏差。S21的幅度对数值14S21的相位值④将功率分配器的端口1接匹配负载，功率分配器的端口2和端口3分别15接网络分析仪的端口1和端口2。测量此时的21S参数，记下其曲线。同样在935MHz上记下21S幅值，则隔离度2120log||S。S21的幅度对数值S21的相位值16步骤四进行参数计算五思考题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。答：由数据f1=1.29449GHz,f2=1.33825GHzf0=1.31637GHz0021LffQfff＝29.909而自动测量值为Q0=30.079这可能是因为我们在找到的3dB的频率1f和2f不准确。2.以图2-3为例，如果要用网络分析仪测量图中定向耦合器的方向性与隔离度，应该怎么测量？答：方向性：2410lgdBPDP，所以要测量方向性，首先测量以对数幅度表17示的耦合度2110lgdBPCP，再把耦合器的4端口接入网络分析仪的2端口（耦合器的1端口接网络分析仪的1端口，耦合器的3端口接匹配负载），测量对数幅度，14g10ppl，前者减后者，得到方向性。1410lgdBlPDP表示隔离度，，已侧得14g10ppl，取负即为隔离度。3.比较功率分配器两个支路的传输特性，说明不一致性产生的原因。