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1HarbinInstituteofTechnology微波技术实验报告院系:班级:姓名:学号:同组成员:指导老师:实验时间:哈尔滨工业大学2实验一短路线、开路线、匹配负载S参量的测量一、实验目的1、通过对短路线、开路线的S参量S11的测量,了解传输线开路、短路的特性。2、通过对匹配负载的S参量S11及S21的测量,了解微带线的特性。S11二、实验原理(一)基本传输线理论在一传输线上传输波的电压、电流信号会是时间及传递距离的函数。一条单位长度传输线之等效电路可由R、L、G、C等四个元件来组成,如图1-1(a)所示。假设波传输播的方向为+Z轴的方向,则由基尔霍夫电压及电流定律可得下列二个传输线方程式。其中假设电压及电流是时间变量t的正弦函数,此时的电压和电流可用角频率ω的变数表示。亦即是而两个方程式的解可写成zzeVeVzV)((1-1)zzeIeIzI)((1-2)其中V+,V-,I+,I-分别是波信号的电压及电流振幅常数,而+、-则分别表示+Z,-Z的传输方向。γ则是[传输系数](propagationcoefficient),其定义如下。))((CjGLjR(1-3)而波在z上任一点的总电压及电流的关系则可由下列方程式表示。ILjRdzdV)(VCjGdzdI)((1-4)将式(1-1)及(1-2)代入式(1-3)可得CjGIVtjezVtzv)(),(tjezItzi)(),(3一般将上式定义为传输线的[特性阻抗](CharacteristicImpedance),ZO。CjGLjRCjGIVIVZO当R=G=0时,传输线没有损耗(LosslessorLoss-free)。因此,一般[无耗]传输线的[传输系数]及[特性阻抗]分别为LCjj,CLZO此时传输系数为纯虚数。对于大多数的射频传输线而言,其损耗都很小;亦即RωL且GωC。所以R、G可以忽略不计,此时传输线的[传输系数]可写成下列公式。jCGLRLCLCj2(1-5)则式(1-5)中与在[无耗]传输线中是一样的,定义为极端数,而α定义为传输线的[衰减常数](AttenuationConstant),其公式分别为LCj,)(212ooGZRYCGLRLC其中Y0定义为传输线之[特性导纳](CharacteristicAdimttance),其公式为LCZYOO1(二)负载传输线(TerminatedTransmissionLine)(A)[无损耗]负载传输线(TerminatedLosslessLine)考虑一段[特性阻抗]Zo之传输线,一端接信号源,另一端则接上负载,如图所示。并假设此传输线[无耗],且其[传输系数]γ=jβ,则传输线上电压及电流方程式可以用下列二式表示。zzeVeVzV)(,zzeIeIzI)(图1-1单位长度传输线之等效电路單位長度4图1-2接在负载上的传输线电路(1)若考虑在负载端(z=0)上,则其电压及电流为VVVVL(1-6)IIIIL(1-7)而且VIZVIZoo,,所以式(1-7)可改写成)(1VVZIoL(1-8)合并式(1-6)及(1-8)可得[负载阻抗](LoadImpedance))(VVVVZIVZoLLL定义[归一化阻抗](NormalizedLoadImpedance)LLoLLLZZZz11其中ΓL定义为负载端的[电压反射系数](VoltageReflectionCoefficient)11LLLZZVV当ZL=ZO时,则ΓL=0时,此状况称为传输线与负载[匹配](Matched)。在此,我们定义两个重要参数[电压驻波比](VoltageStandingWaveRatio)及[回波损耗](ReturnLoss)。LLVSWR11,)log(20LRL(2)若考虑在距离负载端长L(z=-L)处,即传输线长度为L。则其[反射系数]Γ(L)应改成5LjLLjLjLjeeVVeVeVL22)(而其[输入阻抗]则可定义为)tan()tan(LjZZLjZZZZLooLoin由上式可知,(a)当L∞时,ZinZo.(b)当L=λ/2时,Zin=ZL.(c)当L=λ/4时,Zin=Zo2/ZL.(B)[有耗]负载传输线(TerminatedLossyLine)若是考虑一条有耗的传输线,则其[传输系数]γ=α+jβ为一复数。所以,[反射系数]Γ(L)应改成LjLLeL22)(而其[输入阻抗]则改成为)tanh()tanh(LjZZLjZZZZLooLoin三、实验仪器及装置图1模组编号:RF2KM1-1A(OPTN/SHORT/THRUCALKIT)2模组内容:代号名称说明适用频率范围主要特性MOD-1AOPEN开路传输线50-500MHzReturnLoss≤1dBMOD-1BSHORT短路传输线50-500MHzReturnLoss≤1dBMOD-1CTHRU50Ω微带线50-500MHzReturnLoss≥15dBInsertionLoss≤0.5dB3RF2000测量主机:一台4PC机一台,BNC连接线若干四、实验内容及步骤(一)开路线(MOD-1A)的S11测量(1)将RF2000与PC机通过RS232连接,接好RF2000电源,开机。启动SCOPE2000软件。(2)将模块RF2KM1-1A的开路端口,即P1端口,与RF2000主机的SWEEP/CW1OUT端口通过连接线连在一起。模块接好以后,在RF2000主机的面板上找到“BAND”键,按“BAND”把频段选到299-540MHz的频段(BAND3频率范围为300-500MHz),按REM键进行连接,当RF2000的LCD画面第一行显6示为“SWEEP!!!!!MHz”,第二行显示为“---dB299-540”时,此时软件界面显示的为开路状态下300MHz-500MHz时的S11曲线图(如果此时软件界面显示的为S21曲线图,可通过软件界面下方的S11/S21按键进行选择)。(3)在曲线图中任意选取九个点,记录下每个点的频率和它所对应的S11的dB值,并在坐标纸上利用所取的点大致画出S11曲线图(在软件界面用鼠标左键单击即可完成取点)。(二)短路线(MOD-1B)的S11测量(1)将RF2KM1-1A模块的短路端口,即P2通过BNC连接线与RF2000的SWEEP/CW1OUT端子相连,频率的频段选择不变。(2)此时软件界面显示的为短路状态下300MHz-500MHz时S11的曲线图同样,若此时软件显示为S21,可通过S11/S21进行选择。(3)在曲线图中任意选取九个点,记录下每个点的频率和它所对应的S11的dB值,并在坐标纸上利用所取的点大致画出S11曲线图(在软件界面用鼠标左键单击即可完成取点)。7(三)匹配微带线(MOD-1C)的S11及S21的测量(1)将模块RF2KM1-1A的P3端子通过BNC连接线与RF2000主机的SWEEP/CW1OUT端子连接,将模块的P4端子与RF2000主机的RF-IN端子连接,频段仍为BAND3(300MHz-500MHz)。(2)此时软件界面显示的是匹配负载状态下300MHz-500MHz时的S11的曲线图,如图所示。按S11/S21可以切换S11/S21曲线图。(3)在S11和S21曲线图中分别任意选取九个点,分别记录下每个点的频率和它所对应的S11和S21的dB值,并在坐标纸上利用所取的点分别大致画出S11和S21的曲线图(在软件界面用鼠标左键单击即可完成取点)。注:在测试过程中,DOD-1A,MOD-1B的S11范围为0±5dB,MOD-1C的S11≤-8dB,S21=0±2dB8五、实验结果及分析(一)在传输线理论中,开路、短路、匹配有哪些特性?答:开路和短路的阻抗为纯阻抗,值在0~±∞之间,且线中传输的是驻波。开路反射系数为1,短路反射系数为-1;匹配负载值等于传输线特性阻抗,线中传输的是行波,无反射波。反射系数为0(二)理想情况下,开路线、短路线、匹配微带线的测得值是多少?答:开路线:S11=1;短路线:S11=-1;匹配负载:S11=0,S21=1.9实验二定向耦合器特性的测量一、实验目的1、通过对MOD-5A:叉路型定向耦合器的方向性,隔离度的测量,了解叉路型定向耦合器的特性。2、通过对MOD-5B:平行线型定向耦合器的方向性,隔离度的测量,了解平行线型定向耦合器电路的特性。二、实验原理1、定向耦合器是微波测量和其他微波系统中的常用元件,更是近代扫频反射计的核心部件,因此,熟悉定向耦合器的特性,掌握其测量方法很重要。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、带状线及微带线几种类型,定向耦合器包含主线和副线两部分,在主线中传播的微波功率通过小孔或间隙等耦合元件,将一部分功率耦合到副线中的一个方向传输(称“耦合输出”),而在另一个方向几乎没有(或极小)功率传输(称“隔离输出”)。2、在本实验中,定向耦合器是个四端口网络结构(4-portnetwork),如图3-1所示。若信号输入端(Port-1,InputPort)的输入功率为P1,信号传输端(Port-2,TransmissionPort)的输出功率为P2,信号耦合端(Port-3,CouplingPort)的输出功率为P3,而信号隔离端(Port-4,IsolationPort)的输出功率为P4。若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦(mW)来表示,定向耦合器的四大参数,则可定义为:传输系数:12log10)dB(PPTonTransmissi耦合系数:13log10)dB(PPCCoupling隔离度:14log10)dB(PPIIsolation方向性:)dB()dB()dB(CIDyDirectivit定向耦合器Port-1P1Port-2P2Port-3P3Port-4P4图3-1定向耦合器方块图10常见的定向耦合器可分成支线型和平行线型两种。(a)[低通L-G式]支线型耦合器;(b)[高通L-G式]支线型耦合器(c)[传输线式]支线型耦合器(d)[传输线式]平行线型耦合器其设计步骤如下:步骤一:决定耦合器的规格。包括耦合系数C(dB)、端口的等效阻抗Z0(Ω)、电路使用的中心频率,fc(Hz)。步骤二:利用下列公式计算出K、Z0S及Z0P。/10001101CspKKZZoKZZoK步骤三:利用下列公式计算出所需的值。(a)[低通L-G式]pcPcsSZfCfZL00212(b)[高通L-G式]cpPscSfZLZfC22100(c)传输线式]若选用微带线来设计,则依据使用基板参数(er、h等)利用软件计算出Zos及Zop的微带线宽度(W1、W2)和四分之一波长的长度(P1、P2)。Port-1P1P3Port-3Port-2P2LsLsCpCpZo(a)low-passtypeP4Port-4Port-1P1Port-2P2P3Port-3CsCsLpLpZo(b)high-passtypeP4Port-411步骤四:利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。平行线型设计步骤如下:步骤一:决定耦合器规格。包括耦合系数C(dB)、各端口的特性阻抗Z0(Ω)、电路使用的中心频率,fc(Hz)、基板参数(er,h)。步骤二:利用下列公式计算出Zoe及Zoo。/20/20/20/20110110110110CCoeooCCZZoZZo步骤三:依据设计使用的基板参数(er,h)利用软件计算出符合步骤二所算出(Zoe、Zoo)的微带耦合线的宽度及间距(W、S)
本文标题:微波技术实验指导-报告2017
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