微波技术实验指导书.docx

微波技术实验指导书.docx

《微波技术实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波技术实验指导书.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

微波技术实验指导书

微波技术试验

微波实验室编

哈尔滨工业大学

2005年

前言

射频技术在很多领域，其中包括移动电话、无线局域网、家庭宽带网、数字电视、接受和传输，还有GPS等很多领域都得到广泛的应用。

然而，学生在学习这门课程的时候，虽然掌握了一定的理论，但毕竟射频/微波电路是一门枯燥又复杂的学科，唯有引起学生的兴趣，才能让学生对射频/微波领域有更多的了解。

所以，射频/微波电路的教学，不能仅谈理论，必须搭配相对应的实验，来验证基础理论，同时引导并培养学生的实际动手能力。

因此，开设本实验的目的和意义就在于让学生运用已学过的基础理论，学习从实验途径研究射频/微波问题的方法，熟悉掌握常用射频/微波仪器设备的使用，学会组成射频/微波系统，加强实践动手能力的训练，从而提高分析问题和解决问题的能力。

由于频率高的特性，许多在中、低频不会发生的现象纷纷出现，其中因阻抗不匹配所产生的反射尤为重要，其次从波长、波速与频率的公式中了解到线路板上的一条线，两点间不能再视为“同电位”了，因为这条线已由“短路线”变为“传输线”……等等。

另外，“电子”这门学科主要分成“路”与“场”这两方面，“路”是基础，最终归结于欧姆定律。

“场”因看不到，摸不着，加上复杂的数学运算，令诸多学生头疼不已！

然而最基本的电磁场理论仍为必修的学科，学生学了“路”之后又学“场”虽能应付考试，却始终停留在知其然而不知其所以然的阶段，不知道要如何将“路”跟“场”作一连接。

而其中关键就在“射频/微波电路”的实验。

通过本实验，使学生对射频/微波工程有感性的理解和提高，为今后从事科研活动打下良好基础。

编者于2005年3月

目录

前言

实验一短路线、开路线、匹配负载S参量的测量------------------------------4

实验三定向耦合器特性的测量-----------------------------------------------------7

实验二功率衰减器特性的测量------------------------------------------------------11

实验四功率分配器特性的测量-----------------------------------------------------15

附录一RF2000操作指南-------------------------------------------------------------19

附录二射频电路基本常用单位------------------------------------------------------24

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，a1,a2分别为网络端口“１”和端口“２”的向内的入射波；ｂ1，ｂ2分别为端口“１”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）

式中S11，S12，S21，S22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，

“1”端口的反射系数

S21=

“2”端口外接匹配负载时，

“1”端口至“2”端口的传输系数

S12=

“1”端口外接匹配负载时，

“2”端口至“1”端口的传输系数

S22=

“2”端口外接匹配负载时，

“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。

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-1A

OPEN

开路传输线

50-500MHz

RuturnLoss

-1db

MOD-1B

SHORT

短路传输线

50-500MHz

RuturnLoss

-1db

MOD-1C

THRU

50

微带线

50-500MHz

RuturnLoss

-15db

IntretionLoss

-0.5db

3RF2000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，软件界面如图所示。

（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）软件显示如图：

（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/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

2db

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）的功率为P1，信号传输端（Port-2，TransmissionPort）的功率为P2，信号耦合端（Port-3，CouplingPort）的功率为P3，而信号隔离端（Port-4，IsolationPort）的功率为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：

耦合系数：

隔离度：

方向性：

常见的定向耦合器可分成支线型和平行线型两种。

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

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

KD=10lg

（dB）=20lg

-20lg

3-5

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-CBRANCHLINECOUPLER）

RF2KM5-2A（PARALLELLINECOUPLER）

2、模组内容：

代号

名称/说明

适用频率范围

主要特性

MOD-5A

L-CBRANCHLINECOUPLER

叉路型定向耦合器

400

50MHz

ReturnLoss

-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

PARALLELLINECOUPLER

平行线型定向耦合器

750

50MHz

ReturnLoss

-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，P2为传输端，P3为耦合端，P4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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，将P2，P3，P4端口分别与50Ω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“---db299-540”时，此时软件界面显示的为叉路型定向耦合器在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。

（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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，P2端子通过连接线与RF2000的RF-IN端口相连，P3，P4端口分别与50Ω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。

（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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，P3端子通过连接线与RF2000的RF-IN端口相连，P2，P4端口分别与50Ω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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，P4端子通过连接线与RF2000的RF-IN端口相连，P2，P3端口分别与50Ω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，P2为耦合端，P3为传输端，P4为隔离端。

（五）MOD-5B的S11的测量

1、将模块MOD-5B的P1端口与RF2000主机的SWEEP/CW1OUT端口通过连接线连在一起，将P2，P3，P4端口分别与50Ω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“---db599-998”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。

（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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，P2端子通过连接线与RF2000的RF-IN端口相连，P3，P4端口分别与50Ω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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，P3端子通过连接线与RF2000的RF-IN端口相连，P2，P4端口分别与50Ω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。

（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/CW1OUT端口通过连接线连在一起，P4端子通过连接线与RF2000的RF-IN端口相连，P2，P3端口分别与50Ω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。

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、P2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）–AdB2-1

亦即

2-2

功率

衰减器

Port-1

P1

Port-2

P2

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П形,如图2-2所示：

图2-2（a）T型功率衰减器（b）П型功率衰减器

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。

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

-TYPE10dbATTENUATOR

型功率衰减器

50-1000MHz

回波损耗：

-12db

插入损耗：

-10

0.5db

MOD-3B

T-TYPE10dbATTENUATOR

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/CW1OUT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“---db299-540”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）。

（二）MOD-3A的S21的测量

1、模块MOD-3A的P1端口仍与RF2000主机的SWEEP/CW1OUT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

1、将模块MOD-B的P3端口与RF2000主机的SWEEP/CW1OUT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/CW1OUT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。

五实验数据处理

（一）

型功率衰减器的S11及S21：

在曲线上取9个点，每个点的频率值和与其相对应的S11和S21如下表所示：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

频率（MHz）

325.40

348.80

372.20

395.60

419.00

442.40

465.80

489.20

512.60

S11（dB）

-18

-17

-17

-16

-18

-20

-16

-14

-14

S21（dB）

-9

-9

-8

-8

-9

-9

-9

-9

-9

（二）T性功率衰减器的S11及S21：

在曲线上取9个点，每个点的频率值和与其相对应的S11和S21如下表所示：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

频率（MHz）

325.40

34