微波技术实验指导书

1 微波技术试验报告 姓名 学号 指导教师 秦 月 梅 时间 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 二 实验原理 S 参量 网络参量有多种 如阻抗参量 Z 导纳参量 Y 散射参量 S 等 微波频段通常采用 S 参量 因为它不仅容易测量 而且通过计算可以转换成其他参量 例如 Y Z 电压 驻波比及反射损耗等 一个二端口微波元件用二端口网络来表示 如图 1 1 所示 图中 a 1 a2 分别为网络端 口 和端口 的向内的入射波 1 2 分别为端口 和端口 2 向外的反 射波 对于线性网络 可用线性代数方程表示 b1 S11a1 S12a2 1 1 b2 S21a1 S22a2 写成矩阵形式 1 2 S21211 式中 S11 S 12 S 21 S 22 组成 S 参量 它们的物理意义分别为 S11 2 端口外接匹配负载时 ab0 1 端口的反射系数 S21 2 端口外接匹配负载时 12 1 端口至 2 端口的传输系数 S12 1 端口外接匹配负载时 2ab0 2 端口至 1 端口的传输系数 S22 2 端口外接匹配负载时 1 1 端口的反射系数 对于多端口网络 S 参量可按上述方法同样定义 对于互易二端口网络 S12 S21 则 仅有三个独立参量 3 三 实验仪器及装置图 1 模组编号 RF2KM1 1A OPTN SHORT THRU CAL KIT 2 模组内容 代号 名称 说明 适用频率范围 主要特性 MOD 1A OPEN 开路传输线 50 500MHz Ruturn Loss 1db MOD 1B SHORT 短路传输线 50 500MHz Ruturn Loss 1db MOD 1C THRU 50 微带线 50 500MHz Ruturn Loss 15db Intretion Loss 0 5db 3 RF2000 测量主机 一台 4 PC 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 CW1 OUT 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 BAND 3 频率范围为 300 500MHz 按 REM 键进行连接 当 RF2000 的 LCD 画面第一行显示为 SWEEP MHz 第二行显示为 db 299 540 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 软件显示如图 4 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 CW1 OUT 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 S22 可通过 S11 S22 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 三 匹配负载 MOD 1C 的 S11 及 S22 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 CW1 OUT 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 5 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 S 21 0 2db 6 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 port network 如图 3 1 所示 若信号输入端 Port 1 Input Port 的功率为 P1 信号传输端 Port 2 Transmission Port 的功率为 P2 信号耦合端 Port 3 Coupling Port 的功率为 P3 而信号隔离端 Port 4 Isolation Port 的功率为 P4 若 P1 P 2 P 3 P 4 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 1322 10log2 1TransmioTdB 耦合系数 3CuplgP 隔离度 l4 ItiI 方向性 DrecvydICd 3 主要技术参数 1 隔离度 定向耦合器的隔离度定义为输入功率 P 入与隔离臂输出功率 P 隔之比的分贝数 记以 KI 即 KI 10lg 10lg 20lg 3 4隔入 241baS14 式中 S14 S41 为网络的互易性 S14 代表波由 1 口向 4 口的传输系数 本实验中的功率的单位为 dBm 所以隔离度的值为输入端 或传输端 与隔离端测得的功率的差值 2 方向性 方向性的定义是副通道中耦合臂和隔离臂输出功率之比的分 贝数 记以 KD 即 7 KD 10lg dB 20lg 20lg 3 5P隔耦 S1314 本实验中测功率的单位均 dBm 所以方向性的值为耦合端与隔离端测得 的功率的差值 由定义知道 耦合到副通道中隔离臂的功率愈小 则方向性愈高 通常希 望定向耦合器的方向性愈高愈好 理想定向耦合器的方向性和隔离度均为无穷 大 因 P 隔 0 三 实验仪器及装置 1 模组编号 RF2KM5 1A L C BRANCH LINE COUPLER RF2KM5 2A PARALLEL LINE COUPLER 2 模组内容 代号 名称 说明 适用频率范围 主要特性 MOD 5A L C BRANCH LINE COUPLER 叉路型定向耦合器 400 50MHz Return Loss 13dB Transmission 2dB Coupling 11dB Isolation 13dB 代号 名称 说明 适用频率范围 主要特性 MOD 5B PARALLEL LINE COUPLER 平行线型定向耦合器 750 50MHz Return Loss 12dB Transmission 1 5dB Coupling 10dB Isolation 14dB 3 RF2000 测量主机 一台 4 PC 机 一台 5 连接线若干 50 匹配端子 2 个 四 实验内容及步骤 注 在以下实验中 信号从 P1 端输入 P 2 为传输端 P3 为耦合端 P 4 为隔 离端 一 MOD 5A 的 P1 端子的 S11 的测量 1 将 RF2000 主机通过 RS232 与 PC 机相联接 接好 RF2000 电源 开 机 并启动 SCOPE2000 软件 2 将模块 MOD 5A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 将 P2 P 3 P 4 端口分别与 50 匹配端子相连 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 画面第一行显示为 SWEEP MHz 第二行显示为 db 299 540 时 此时软件界面显示的为叉路型定向耦合器在 300MHz 500MHz 8 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 二 MOD 5A 的 P1 及 P2 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 5A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 P 2 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P3 P 4 端口分别与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦 合器在 300MHz 500MHz 时 P1 与 P2 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示 的为 S11 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 S21 的 dB 值 9 三 MOD 5A 的 P1 及 P3 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 5A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 P 3 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P2 P 4 端口分别与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦 合器在 300MHz 500MHz 时 P1 与 P3 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示 的为 S11 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 S21 的 dB 值 四 MOD 5A 的 P1 及 P4 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 5A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 P 4 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P2 P 3 端口分别与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦 合器在 300MHz 500MHz 时 P1 与 P4 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示 的为 S11 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 S21 的 dB 值 注 在以下的实验中 信号从 P1 端输入 P 2 为耦合端 P3 为传输端 P 4 为隔离端 10 五 MOD 5B 的 S11 的测量 1 将模块 MOD 5B 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 将 P2 P 3 P 4 端口分别与 50 匹配端子相连 2 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 599 998MHz 的频段 BAND4 按 REM 键进行连接 当 RF2000 的 LCD 画面第一行显示为 SWEEP MHz 第二行显示为 db 599 998 时 此时软件界面显示的为叉路型定向耦合器在 599MHz 1000MHz 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 11 六 MOD 5B 的 P1 及 P2 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 5B 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 P 2 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P3 P 4 端口分别与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦 合器在 300MHz 500MHz 时 P1 与 P2 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示 的为 S11 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 S21 的 dB 值 七 MOD 5B 的 P1 及 P3 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 5B 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 P 3 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P2 P 4 端口分别与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦 合器在 300MHz 500MHz 时 P1 与 P2 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示 的为 S11 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 S21 的 dB 值 12 八 MOD 5B 的 P1 及 P4 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 5B 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 P 4 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P2 P 3 端口分别与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦 合器在 300MHz 500MHz 时 P1 与 P2 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示 的为 S11 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 S21 的 dB 值 五 数据处理 根据公式 3 4 和 3 5 以及所测得的 S 参量计算隔离度和方向性 13 实验三 功率衰减器特性的测量 一 实验目的 1 了解 功率衰减器 的原理 2 通过对 MOD 3A 型功率衰减器的 S11 及 S21 的测量 以了解 型功 率衰减电路的特性 3 通过对 MOD 3B T 性功率衰减器的 S11 及 S21 的测量 以了解 T 型功 率衰减电路的特性 二 实验原理 1 功率衰减器原理 功率衰减器是双端口网络结构 如图 2 1 所示 其信号输入端的功率为 P1 而 其输出端的功率为 P2 若 P1 P 2 以毫瓦分贝 dBm 来表示 且衰减器之功率 衰减量为 AdB 则两端功率间的关系 可写成 P2 dBm P1 dBm AdB 2 1 亦即 2 2 2log0mWAdB 图 2 1 2 固定型功率衰减器 这种电路仅由电阻构成 按结构可分成 T 形 及 形 如图 2 2 所示 功率 衰减器 Port 1 P1 Port 2 P2 Z 1 Z 2 RS1 RS2 Rp p RS Rp 2p Rp 1p Z1 Z2 2120lgoS 14 图 2 2 a T 型功率衰减器 b 型功率衰减器 其中 Z1 Z 2 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 A 同阻抗式 三 实验仪器及装置 1 模组编号 RF2KM3 1A ATTENUATOR 2 模组内容 代号 名称 说明 适用频率范围 主要特性 MOD 3A TYPE 10db ATTENUATOR 型功率衰减器 50 1000MHz 回波损耗 12db 插入损耗 10 0 5db MOD 3B T TYPE 10db ATTENUATOR T 型功率衰减器 50 1000MHz 回波损耗 12db 插入损耗 10 0 5db 3 RF2000 测量主机 一台 4 PC 机 一台 连接线若干 四 实验内容及步骤 一 MOD 3A 的 S11 的测量 1 将 RF2000 主机通过 RS232 与 PC 机相联接 接好 RF2000 电源 开 机 并启动 SCOPE2000 软件 2 将模块 MOD 3A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 将 P2 端口与 50 匹配端子相连 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 画面第一行显示为 SWEEP MHz 第二行显示为 db 299 540 时 此时软件界面显示的为 型功率衰减器的 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 15 二 MOD 3A 的 S21 的测量 1 模块 MOD 3A 的 P1 端口仍与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线保持连接 将 P2 端口的 50 的匹配端子去掉 并将 P2 端口与 RF2000 的 RF IN 端子通过连接线相连 频段选择仍为 BAND3 300MHz 500MHz 2 等待几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时软件界面显示的为 型功率衰减器 300MHz 500MHz 时的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示的 为 S11 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 S21 的 dB 值 并在坐标纸上利用所取的点大致画出 S21 曲线图 三 MOD 3B 的 S11 的测量 16 1 将模块 MOD B 的 P3 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线连在一起 将 P4 端口与 50 匹配端子相连 频段不变 仍为 BAND3 300MHz 500MHz 2 等待几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时软件界面显示的为 T 型功率衰减器 300MHz 500MHz 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 四 MOD 3B 的 S21 的测量 1 模块 MOD 3B 的 P3 端口仍与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口 通过连接线保持连接 将 P4 端口的 50 的匹配端子去掉 并将 P4 端口与 RF2000 的 RF IN 端子通过连接线相连 频段选择仍为 BAND3 300MHz 500MHz 2 等待几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时软件界面显示的为 T 型功率衰减器 300MHz 500MHz 时的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示的为 S11 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 S21 的 dB 值 并在坐标纸上利用所取的点大致画出 S21 曲线图 17 实验四 功率分配器特性的测量 一 实验目的 1 了解功率分配器的原理 2 通过对 MOD 4A 的输出端的功率的测量 了解简单的功率分配电路的 特性 二 实验内容及步骤 一 MOD 4A 的 P1 端子的 S11 的测量 1 将模块 MOD 5B 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口通 过连接线连在一起 将 P2 P 3 端口分别与 50 匹配端子相连 2 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 按 REM 键进行连接 当 RF2000 的 LCD 画面第一行显示为 SWEEP MHz 第二行显示为 db 599 998 时 此时软件界面显示的为电阻式功率分配器在 599MHz 998MHz 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 18 二 MOD 4A 的 P1 及 P2 端子的 S21 的测量 1 将模块 MOD 4A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口通 过连接线连在一起 P 2 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P 3 端口 与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦合 器在 599MHz 998MH 时 P1 与 P2 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示的 为 S11 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 S21 的 dB 值 三 MOD 4A 的 P1 及 P3 端子的 S21 的测量 19 1 将模块 MOD 4A 的 P1 端口与 RF2000 主机的 SWEEP CW1 OUT 端口通 过连接线连在一起 P 3 端子通过连接线与 RF2000 的 RF IN 端口相连 P 2 端口 与 50 匹配端子相连 频带选择不变 2 过几秒钟后 软件界面的曲线发生变化 此时显示的为支线型定向耦合 器在 599MHz 998MH 时 P1 与 P3 端子的 S21 曲线图 如果此时软件界面显示的 为 S11 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 S21 的 dB 值