微波无源器件实验报告

1实验一：衰减器1、实验设置的意义在射频和微波传输系统中，通常需要控制功率电平，改善动态范围，衰减器有时作为一个去耦元件减小后级对前级的影响，也可以作为比较功率电平相对标准。从射频和微波网络观点来看，衰减器是一个二端口有耗微波网络，它属于通过型微波元件。2、实验目的（1）学会用矢量网络分析仪测量功率衰减器的S参数；（2）了解衰减器结构特点，设计方法。3、实验原理功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，它是一个双端口网络结构，其技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗。衰减量：如图1-1所示，其信号输入端（Port-1）的功率为P1，而其输出端（Port-2）的功率为P2。若P1、P2以分贝毫瓦（dBm）来表示，且衰减器之功率衰减量为A（dB），则两端功率间的关系，可写成：P2(dBm)=P1(dBm)–A（dB）亦即21P()A(dB)10logP()mWmW图1-1功率容量：衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，能量损耗后会变成热能。可以想像，材料结构确定后，衰减器的功率容量也就确定了。如果让衰减器的承受功率超过这个极限，衰减器就会烧毁。回波损耗：回波损耗就是衰减器的驻波比。集中参数衰减器是利用电阻构成T型或π形网络来实现的，其设计方法说明如下:（1）[固定型]（FixedAttenuator）此型电路仅利用电阻来设计。按结构可分成[T形]及[π形],如图1-2(a)(b)功率衰减器Port-1P1Port-2P22所示。图1-2(a)[T形]功率衰减器;(b)[π形]功率衰减器其中Z1、Z2即是电路输入/输出端的特性阻抗。根据电路两端使用的阻抗不同，可分为[同阻抗式]、[异阻抗式]。①[同阻抗式]（a）[T形同阻抗式]（Z1=Z2=Z0）1121121010ZoRsRsZoRpA（b）[π形同阻抗式]1121211010ZoRpRpZoRsA②[异阻抗式]（Z1≠Z2）（a）[T形异阻抗式]Z11Z2RS1RS2RppRSRp2pRp1pZ1Z2RpZRsRpZRsZZRpA11221111121210103（b）[π形异阻抗式]4、实验设备AV36580矢量网络分析仪，衰减器。5、实验内容测量衰减器的S参数。6、实验步骤1.熟悉和学习矢量网络分析仪的使用。2.测试衰减器的电压驻波比、插入损耗等参数。矢量网络分析仪的使用：（1）开机：连接电源线到接线板，保证电源良好接地，打开后面板电源开关；前面板电源指示灯为橙色后开前面板电源，指示灯变为绿色。（2）系统进入WINDOWS界面。连接两根测试电缆；连接N—SMA转接器。（3）设置频率（激励功能框）：按起始频率：100MHz(或根据要求设定)；终止频率：3GHz(或根据要求设定)（4）校准（响应功能框）：校准校准件AV31121A机械校准全双端口SOLT前向反射（端口1）连接开路器，按开路器连接短路器，按短路器连接负载，按负载完成端口1反射校准，按照上述步骤重复做端口2校准，完成后按完成发射测量，按完成反射测量。直接连接两根测试电缆按传输按直通按完成传输测量按完成全双端口。（5）完成全双端口校准（此时全双端口SOLT有下划线）1110111212111111221)1(10RsZRpRsZRpZZRsA4（6）按提示存校准数据（7）连接被测件；端口1连接被测件输入端，端口2连接被测件输出端。见图1.1图1.1衰减器测试图（8）测量（响应功能框）：测量S11S22S21幅度（9）设置显示格式（响应功能框）：格式对数或驻波比比例参考位置：设置为5参考值：设置为0（驻波比设置为1）比例：设置为10（驻波比设置为0.5）（9）设置光标：（光标/分析功能框）：按光标分别标记光标1（频率1.5GHz）、2(频率100MHz）、3(频率3GHz）分别在屏幕上观察记录测试数据。（10）测量（响应功能框）：测量S21幅度或相位（11）设置显示格式：响应功能框格式对数比例参考位置：设置为5参考值：设置为0比例：设置为1分别在屏幕上观察记录测试数据。七、实验结果1、将衰减器测试结果填入下表中频率（GHz）S参数(dB)0.11.53|11S||22S||21S|5实验二：功率分配器1、实验设置的意义在射频/微波电路中，为了将功率按一定的比例分成二路或多路，需要使用功率分配器；功率分配器反过来使用就是功率合成器，在近代射频/微波大功率放大器中广泛地使用功率分配器，而且通常成对使用。功率分配器的技术指标有：频率范围，承受功率，插入损耗、分配比、隔离度和端口输入驻波比。2、实验目的（1）了解功率分配器的结构原理，频率特性；（2）掌握功率分配器参数测试原理；（3）学会使用矢量网络分析仪完成功率分配器的测试。3、实验原理在射频/微波电路中为了将功率按一定比例分成两路或多路，需要使用功率分配器，功率分配器反过来使用就是功率合成器。功率分配器是一个多端口网络结构。其技术指标包括工作频带、承受功率、分配比、插入损耗、隔离度、VSWR等。如图2-1所示为三端口网络结构，其信号输入端（Port-1）的功率为P1，而其他两个输出端（Port-2及Port-3）的功率分别为P2及P3。理论上，由能量守恒定律可知P1=P2+P3。若P2=P3并以毫瓦分贝（dBm）来表示三端功率间的关系，则可写成：P2(dBm)=P3(dBm)=Pin(dBm)–3（dB）。图2-1功率分配器当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况最常被使用于实际电路中。因此，功率分配器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=k·P3）等两种类型。4、实验设备AV36580矢量网络分析仪，功率分配器模块，50Ω负载Port-1P1Port-2P2Port-3P365、实验内容（1）测量各端口电压驻波比（2）测量插入损耗和有效带宽△F。（3）测量功率分配器两输出分配比及相位（4）测量功率分配器隔离度；6、测试方法与实验步骤1、熟悉和学习矢量网络分析仪的使用。2、测试功率分配器的电压驻波比、插入损耗、传输相位、隔离等S参数。3、矢量网络分析仪校准过程与衰减器校准过程相同4、功率分配器端口定义见图2.1，测试连接见图2.2图2.2功分器S参数测试框图矢量网络分析仪的输入端与功率分配器的1端口（输入端）连接；矢量网络分析仪的输出端与功率分配器的2端口（其中的一个输出端）连接；3端口（另一个输出端）接50Ω匹配负载。设定网络分析仪的频率范围START为2.1GHz；STOP为2.3GHz。通过改变11S、22S、21S及21S的相位，可分别测试功率分配器端口1和端口2的电压驻波比或回损耗、插入损耗、相位等。将测试值填入表2.1中。改变连接见图2.37图2.3功分器隔离度测试框图功率分配器的输入端连接不变，矢量网络分析仪输出端与功率分配器另一输出端口3连接，2端口接50Ω匹配负载。同样方法测试端口3的S参数：33S、31S、31S的相位等。分别在屏幕上观察记录测试数据。5、测试功率分配器隔离度。见图2.4图2.4功分器隔离度测试框图网络分析仪的输入与输出端分别与功率分配器的两个输出端相连接。功率分配器的输入端接50Ω匹配负载。此时的21S（实际的23S）即为功率分配器隔离度。在屏幕上观察记录测试数据。8七、测试结果1.将测试结果填入下表中频率（GHz）S参数(dB)2.52.62.7|11S||22S||33S||S21|S21相位（°）|S31|S31相位（°）|23S|两路幅度差两路相位差9实验三：定向耦合器1、实验设置的意义在射频和微波传输系统中,通常需要准确测试某一功率值,或者将某一输入功率按一定比例分配到各分支电路中去。例如功率量值传递系统、相控阵雷达发射机功率分配、多路中继通信机中本振源功率分配等。定向耦合器由于本身插入损耗小、频段宽、能承受较大的输入功率、可根据需要扩展量程、使用方便灵活、成本低等优点,而广泛应用于射频和微波传输系统中。由于定向耦合器是射频和微波系统中应用最广泛的元件，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射频和微波技术实验的基本教学要求是了解射频和微波的传输特性，掌握射频和微波功率、频率、波导波长、驻波比及衰减、相位等的测量方法，了解射频和微波技术的简单应用。定向耦合器本身的特性参量定义简单，被测量均为基本测量量，测量理论与方法简单且容易接受；仪器使用方法简单，不必经过调谐等繁琐过程，有助于学生把精力放在对射频和微波实质的理解和射频和微波技术的应用上。开设以定向耦合器为主线的实验十分必要，有助于引导学生初步领会技术开发的思路，也有利于提高学生思维的开阔性和系统性，培养创新意识和开拓精神。2、实验目的（1）掌握定向耦合器的原理及基本方法；（2）学会用矢量网络分析仪测量定向耦合器的参数。3、实验原理定向耦合器是一种有方向性的无源射频和微波功率分配器件，其构成通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型，其种类通常有单定向耦合器和双定向耦合器之分。本实验涉及的是单定向耦合器。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的射频和微波功率经过小孔或间隙等耦合机制，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(称“正方向”)传输，而在另一方向(称“反方向”)几乎没有(或极少)功率传输。理想的定向耦合器一般为互易无损四端口网络，如图3-1所示。主线1、2和副线3、4通过耦10合机构彼此耦合。图3-1定向耦合器网络定向耦合器的特性参量主要是：①耦合度，②方向性，②输入驻波比，④带宽范围，在这里我们主要说明的是定向耦合器的耦合度和方向性。耦合度及其测量：定向耦合器的耦合度是指输入信号耦合到副臂端的程度，即输入至主线的功率与副线中正向传输的功率之比，也称过渡衰减。耦合度C用当主臂终端接无反射匹配负载时，入射信号与输出信号(副臂)之比取对数之值表示：式中P1、U1分别为主线输入端的功率及电压；P3、U3分别为副线正方向传输的功率及电压。方向性及其测量：方向性是指从匹配负载端往输出端漏出信号的程度,也就是副线中正方向传输的功率与反方向传输的功率之比或正向耦合度与反向耦合度的对数之差。一般来讲,方向性越大越好,方向性越大，表明其隔离性越好。常用的定向耦合器,方向性均在15dB以上。定向耦合器的方向性D以正向耦合度与反向耦合度的对数之差表示：334410log()20log()PUDdBdBPU式中P3、U3分别为耦合至副线正方向传输的功率及电压，P4、U4分别为耦合至副线反方向传输的功率及电压。有时，反映定向程度的指标也用隔离度来表示。隔离度表示输入至主线的功率与副线反方向传输的功率之比的对数，即)(log20)(log104141dBUUdBPPI。根据以上定义可知：CIPPPPPPD314143log10log10log10故定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差。a1b2b3b4123411定向耦合器还有一些技术指标：定向耦合器的插损一般都较小,所以对测试结果的影响很小可以忽略不计。定向耦合器的驻波系数一般不大,能承受的功率一般都较大,这是一般类似器件难以达到的。4、实验设备AV36580矢量网络分析仪、定向耦合器、50Ω的终端负载。5、实验内容测量定向耦合器的方向性、隔离度、耦合度。6、实验方法和步骤（1）矢量网络分析仪的校准方法同衰减器校准（2）将定向耦合器模块按下图连接。（3）矢量网络分析仪的中心频率of=1500MHz，SPEN为3000MHz，将矢量网络分析仪的1端口与被测件1端口连接，矢量网络分析仪的2端口与被测件2端口连接，被测件3、4端口连接50Ω匹配负载终端，分别观察矢量网络分析仪的S11、S22、S21曲线，即测量的定向耦合器输入、输出端口电压驻波比及插入损耗。（3）将定向耦合器模块2端口与3端口对换连接，即3端口接矢量网