2023年微波测量实验报告.pdf

北京邮电大学微波测量实验程学院电子工班号：学号：姓名：班内序号:时间：2023年 1 月实 验 一 熟 悉 微 波 同 轴 测 量 系 统一、实 验目的1、了解 常 用 微 波 同 轴 测 量 系 统 的 组 成，熟 悉 其 操 作 和 特 性。2、熟 悉 矢 量 网 络 分 析 仪 的 操 作 以 及 测 量 方 法。二、实 验 内 容1、常 用 微 波 同 轴 测 量 系 统 的 结 识，简 要 了 解 其 工 作 原 理。矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能：微波同轴测量系统涉及三个重要部分：矢量网络分析仪、同轴线和校准元件或测量元件。各部分功能如下：1）矢量网络分析仪:对RF领域的放大器、衰减器、天线、同轴电缆、滤波器、分支分派器、功分器、耦合器、隔离器、环形器等RF器件进行幅频特性、反射特性和相频特性测量。2）同轴线:连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。3）校准元件:对微波同轴侧量系统进行使用前校准，以尽量减小系统误差。测量元件：待测量的原件（如天线、滤波器等），可方便地通过同轴线和矢量网络分析仪连起来。面板组成图如下所示：各部分功能如下:2、掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。(1 )C R T 显示器显示仪器当前工作状态和测试结果。(2)B E G I N(开始)在测量放大器、滤波器、宽带无源器件、电缆等被测时能快速、简便的配置仪器,可引导用户完毕初始环节,根据用户的选择自动配置仪器。(3)E N T R Y(数据输入)数字键、旋轮和上下键，用于数据输入。(4 )S Y S T E M(系统功能)S A V E R E C A L L :存储或调用数据。H A R D C O P Y:打印或者存储测量曲线、数据。S Y S T E M O P T I O N S:系统选项。(5)P R E S E T(复位)复位仪器。(6 )C O N F I G U R E(配置)S C A L E：设立垂直方向的分辨率和参考位置等。D I S P L A Y:显示设立。C A L：校准菜单。M A R K E R：频标功能键。F O R M A T：数据显示格式。AVG：平均功能设立和中频带宽设立。(7)S 0 U R S E(源)F R E Q：频率设立。S W E E P：设立扫描方式、扫描时间。P O W E R:R F 信号输出开关或者设立R F信号输出功率。M E N U：设立扫描点数及单次扫描、连续扫描或保持等。(8)M E A S(测量通道)M E A S 1：设立通道1 的测量方式。M E A S 2：设立通道2的测量方式。(9)软键相应的功能显示在左边显示屏上。(10)亮度调节旋钮 调节显示器亮度。(11)电源开关打开或关闭整机电源。(12)U盘接口U s b 盘接口(13)R F 0 U T(射频输出)射频信号输出口，N型K头。(14)R F I N(射频输入)射频信号输入口，N型K头。A、S 参数测量环节;a )将 一 个 待 测 的 二 端 口 网 络 通 过 同 轴 线 接 入 矢 量 网 络 分 析 仪，组成一个微波同轴测 量 系 统，如 下 图 所 示：b）然后通过SOLT校准，消除系统误差;c）在矢量网络分析仪上调出S 参数测量曲线，读出相应的二端口网络的S 参量,保存为s 2p数据格式和c s t数据格式的文献。B、如何看开路校准件的电容值设定（校准系数）;当传输线终端开路或短路时，所有输入信号功率被反射到入射端，导致全反射。传输线终端开路时，开路端电流为零。端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等、相位相反，而反射信号电压与输入信号电压同相。信号关系满足欧姆定律。在校准菜单下的Ca I Ki t （校准件）选项里，打开校准件的开路件对话框C、如何看短路校准件的电感值设定（校准系数）;传输线终端短路时，短路端电压为零。端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等、相位相反，而反射信号电流与输入信号电流同相。信号关系满足欧姆定律。在校准菜单下的Ca I K it（校准件）选项里，打开校准件的短路件对话框D、如何用Smith圆图显示所测结果以及如何与直角坐标转换；TOOL S 工具栏下，下拉选项中可得到sim t h 圆图的显示以及转换直角坐标。E、如何保存所测数据，以及可存的数据格式；在屏幕的右上角，点 击【文献】【另存为】，然后选择相应的保存目录，可保存的数据格式为.jp g 图片格式。了解仪器提供的校准方法（SOLD o仪 器 提 供 S O LT校 准 方 法，TRL_校 准 方 法 等 集 中 校 准 方 法，实 验 中 使 用 SOL T(短 路-开 路 一 负 载 一 直 通)校 准 方 法。三、思考题1、是否可以直接进行电路参数的测量，为什么？如何从测量的S参数导出电路参数。(给出S参数到Z参数的转换公式，以及如何在ADS中应用。)不可以，由于微波同轴测量系统只能对于微波的入射和反射的电压电流关系进行分析。需要先进行校准。此外由于仪器仅给出了 S参数的测量，但是没有电路参数的测量选项；假如规定电路参数，可以由测量的S参数通过导出选项导出电路参数，如 用 等计算。S参数到Z参数的转换公式如下：Z=(1-S )-1(1+S )zll zl21 orl+sll sl2 1 1-s ll-sl2 1,z21 z22J L s21 l+s22”一s21 l-s2 2实验二 微波同轴测量系统校准方法一、实验目的1、了解常用微波同轴测量系统的校准方法。2、熟悉矢量网络分析仪的S0LT校准环节以及校准精度验证方法。3、掌握并验证T R L校准方法。二、实验内容1、总 结 常 用 微 波 同 轴 测 量 系 统 的 校 准 方 法，比 如 T R L 和 SOLT,了解其校准原理和优缺陷。1）S OLT校准方法SO L T 校准可以提供优异的精度和可反复性。这种校准方法规定使用短路、开路和负载标准校准件。假如被测件上有雌雄连接器，还需要分别为雌雄连接提供相应的标准件,连接两个测量平面，形成直通连接。其 使 用 12项误差修正模型，其中被测件的正向有6 项,反向有6 项。图 2 显示了正向误差项：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（负载匹配）、ERF（反射跟踪）、ETF（发射跟踪）和 EX（串扰）。操作对的的话，SOLT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。常用的校准套件中都包含S O L T 标准校准件。这些校准件涉及各种连接器类型，并且价格相对便宜，小心使用的话可以用很数年。如下两图所示。EDF,EDR:反射参数，衡量 VNA耦合器分离前向波和反射波限度，数值越大越好。小的反射参数会导致信号的耦合泄漏。E R R,E R F :传输参数,误差与反射测量相关,可以用短路和屏蔽开路校准件进行测量。E X F,E X R:隔离，串扰，误差与串扰相关,可以通过测量接匹配负载的1 口和2 口来拟定。E S F,E S R 以 及 E L F,E L R：信号源匹配和负载匹配，指信号源与5 0 欧姆负载的匹配限度以及负载的质量，这些误差可以通过测量S 1 1 和 S 2 2 拟定。E T F,E T R：传输参数，误差与传输测量相关，通过测量1、2 口互连时的传输拟定。网络分析仪的校准即是通过数学的方法消除以上误差项，得到被测器件真实参量(S a l 1 ,S a l 2,S a 2 1,S a 2 2)的过程。2)T R L 校准方法T R L 校准极为精确，在大多数情况下，精确度甚至超过S O L T校准。然而绝大多数校准套件中都不包含T R L 标准件。在规定高精度并且可用的标准校准件与被测件的连接类型不同的情况下，一般采用T R L 校准。使用测试夹具进行测量或使用探头进行晶圆上的测量，通常都属于这种情况。因此，某些情况下需要构建和表征与被测件配置介质类型相同的标准件。制造和表征三个T R L 标准件比制造和表征四个S O L T 标准件更容易。T R L 校准尚有另一个重要优势：标准件不需要像S O L T 标准件那样进行完整或精确的定义。虽然SOLT标准件是完全按照标准的定义进行表征和储存，而T R L 标准件只建立模型而不进行完整表征，但是T R L 校准的精度与T R L 标准件的质量和可反复性成正比。物理中断(例如传输线路弯曲和同轴结构中的焊缝)将会减少T R L 校准的精度。接口必须保持清洁并允许可反复的连接。如下图所示:1Am 胪Cm Dm端口 1的测量平面端口 2的泅量平面器件端口 2的参考平面器件熠口 1的参考平面图4.2 0 网络分析仪测量二端口器件的框图P _ R“-S”用2+S22(R|-51)K B l FA/1 A B Cm Dm c D C Dr C DA)CAmCmL A BDm c DB AD=CBD3）两者优缺陷比较如下所示:A a）T R L 方法计算简朴，但该方法需要网络分析仪具有四个接受机,分别检测信号a O,a l,b O ,b 3 （以正向为例），而S O L T 方法只需要三个,分别检测信号a 0 ,b O,b 3；b）TRL方法仅需要简朴的校准件，不需要抱负的强反射件（抱负的开路或短路）,并且传输线校准件比较容易实现;而S O L T 方法则需要很多的校准件,并且校准件的性能指标对校准结果的影响较大；c）S O L T 方法 比较合用于同轴环境，也可以用于高频探针和在片测量；TR L 方法比较合用与非同轴环境，例如共面波导,微带线等；d）T R L 方法中，传输线的工作频带和起始频率的关系是8:1,因此T R L 校准是窄带的，宽带的T R L 校准需要多个不同长度的线，这样会浪费面积;而S O L T方法是宽带的。SOLT校准方法得到的测试结果明显优于TRL。此外在校准和测试过程中，采用TRL校准方式的测试由于不同的传输线适应不同带宽的校准频率范围，校准和测试必须分段进行，所以在测试结果中可以看到曲线的不连续性2、掌握矢量网络分析仪的S0LT校准环节以及校准精度验证方法。KBb）次堂H iM H W L T第 找*甲 口*、亦 小、上 2Momk 亦&ft M im a.0）梭施件（亦*、3、KK4b）S M U#O*开路短路匹配月存为.2数据存储校准后负载用户状至保存|直通月存为.数据存储用 户 叱 112.cstD)3 m瓶，机*件(亦,、3、明 能 ,界 曲 外亦S E iM H h r,1,收*，-分 0*H%*上*M亭里他m，如，*;M*RMM r i,检*A *”*上 亭史 UBH，h*-*4U ri，ftbA 小，上傥才4 ，M，b6 4几小，JL4:%MHXC r-B#Adb$上依于 电-金,*,M A d 4R*是Mb*令力财HQM微/更,*才或减少T奉豪 墨，富*京It矗“小,包 队 中 一 东足*，*是“*,M a a a w B t*收*s的 电卬令折。*，1 ith 上IH*U不庵是-恁饵，匕噎力拿AITM,匕上，f*号不是fJtR梭*，量才是斜 安鼻*桃 野 火鱼大“向 下MMI奥及 宜,叶f”量 是 凭 金 不IFMIUM.3、运 用 已 加 工 的TRL校准件，进 行TRL校 准。保存各测量数据，计算出其误差模型（附编程程序）。误差网络 待测一端口网络 湿差网络丫图 2 8 项误差模型信号流图图 2 中.8 项 误 差 与 1O 项 传 统 误 差 的 对 应 关 系川 F ：1O =R-5 23,33=EH HO=En f-；33=EIK；G i=E q，E .H 22=ESR,E|*；G o 32=rr；G】23=E”.八 为 误 差 网 络 的 误 差 项，5 歹 为 待 测 器 件 的 实 际S 参 数.假 设 误 差 网 络 X、y 的 传 输 矩 阵 为 7 、7 ,待 测 两 端 I I 网 络 的 传 播 矩 阵 为 7 ,矢 网 通 过 误 差 网络 对 待 测 磊 件 的 传 输 参 数 进 行 检 测.得 到 级 联 的 传输 矩 阵 Tv.则7 1 1 4 _ 1|S 2 1 A s i2 X2X41 32633 2233*L(9)结 合 式（5）（9）进 行 T R L 校 准 算 法 分 析，计算 出 误 差 网 络 的 误 差 参 数，即 方 程 中 的 未 知 量 a、/，、c、r”、a G、y P q ,从 而 修 正 测 得 的 S 参 数（S.）系 统误 差，得 到 被 测 器 件 的 真 实 S 参 数（）4-打unc t i o n S x,G L=tr 1 (St h r u,Sop e n,S 1 in，Sdut,freq)；%TRL prfo r ms a two-ti e r TRL calibrat i on for a vector n twork analy sr.%T h e first ca 1 ibra t i o n consist of an o rma 1 c o-axial S OLT t wo-port cali b r a t i o n%f ol 1 o w ed by masur e m e nts on the TRL cal i br a t i o n st a n d ar d s a nd th e DUT.T h%fun c t i on then p e rform s the se c ondtir of th c a 1 ib r at i o n b y de-em b ddi n g th eT R L t e s t f i xtu r f r om th e DU T measurements using th e meas u rements%p fo r m d on t h e T R L cal i b ration s tandards.%T he f u n ct i o n uses the f o 1 1 o wingi n p u t pa r amet e rs:%St h ru Four c o 1 om mat r ixcont a in in g S-P a r am e t ers of th th rum easurem ent on%TRL t e s t fix t u re.%S o p e n Four colom m a t r ix con t a in in g S-Param ta rs of th e openmeasur e men t on%TRL te s t fix tu r e.Only S iland S 2 2 is of i n t e r e st here andth S21 and%S1 2 d a t a w h ic h w i11 b in t h e n o is f loor o f th VN A wi 1 1 be d i scar dad.%SI i ne F o ur c o lom matr i x cont a in in g S-P a ram e te r s o f t h e 1 ine m e a s u r e me n t on%TRL t e s t f i x t u r.%Sdut F o u r c o lom m a trix conta in i ng S-Param e t e rs o f t h e D UTin serted in t o t h e%TRL t e st f i x t u r.%f Frqu e n c i e s a t wh i chS-P a rame t ers wr measured in H z.%T h coloms of the S-P a r a mt r matri x rap r es e n t S 11 S21 S 1 2 S22.%fo r m a t:S x,GL=trl(Sthr u,So p en,Sline,S dut,fre q)%T h e o utput consi s ts o f the de-em b e d d ed device S-Pa r amete r s(S x),and the pro p a gation%c o nsta n t(GL)of th line s t a n da rd us e d in the TRL c alibrat i o n.Th p r opag a t i on con s tant%ca n be us d t o ca 1 c u lat e t h e eh a ra c t e ristic i m p d a n ce o f themi c ro s trip c a 1 ib r atio n%line.S i n c e micro s t rip is a dispr s i ve t r a n s mi s sion line,th e ch aract e r i s t i c impdance%wi 11 v a r y a s a f unct i on of frequ nc y.T h e m e a s urd S-Paramet e r swil 1 b norma 1 is e d wit h%r e spct to the a ctual ch a r act er ist i c imp d anc e of the tra n s mi ssio n line c a 1 i bration%sta n d a r d.By extr act ing this imp e d a nee,the S-Parameter dat a can bren o rmal i sad t o%5 0 O h m.%Sae TRLPOS T,M fo r some post pro cessing fu n ctio n s t h at can b p erforme d.%W r ite r：C.v a n Nik r k%V e r sio n：3.50%Date:0 7/0 6/1 9 95%This p r o gram is b a s e d o n t h e wo r k i n t he pr e se n te d i n th e foliow ing p a p e r：%1 G.F.Eng e n,C.A.Ho e r,uThru Reflect-L i n e：A n Improv e d T echnique for%Ca 1 i bratin g the D u a lSix-Por t Au t o mati c Net w o r k An a 1 yser,%IEEE Tra n s .MTT,Vol.2 7,N 0.1 2,December 1979,pp.987-998%Define the imagina r y constan ti =sqrt(-1 );%Con v ert the me a s ured s -p a rameterso f the D E VI C E t o one va r ia b leSlid=Sdut(:,1)；S2Id=S d u t(：,2);S 1 2d=Sdut(:,3)；S22d=S dut(：,4)；%C o n v er t the me a s u r e d s-parame ters o f the REFL E C T stan d er d to on e v a r iableSllr=S o p e n(:,1)；S 2 2r=Sopen(:,4);%Co n v e rt the measured s-paramet ers o f the TH Ru sta n derd to one v ariableSil t =S t hru(:,1);S2It=S t hru(:z 2);S 1 2 t =Sthru(:,3)；S2 2 t=S t h r u (:z4)；%Con v ert the me a s u r e d s-parameter s of the LINE s t ande r d t o one variab leS 11 1 =S 1 i ne(:f 1)；S2 1 1 =Sli ne(:,2)；SI 2 1=SI i ne(:,3);S221=Sline(:,4)；%Comp u te th e wave cascadin g ma t rixfo r t h e t hru Stander dR llt =-(S l i t.*S22t S 1 2 t.S21t)./S2 1 t;RI 2 t=S il t./S 21t;R2 1 t=-S 2 2 t./S21 t；R22t=1./S 2 I t;%C o m p ute t h e wave cas c adi n g m atrixfo r t he lin e stand e r dR 1 11=-(S i l l.*S221-S 1 21.*S211 )./S2 1 1；R121=S lll./S 211；R211=-S 2 2 1./S21 1 ;R2 2 1 =1 ./S2 1 1 ;%Com pute t h e w a v ec a sea d ing mat ri x fo r the device s t ander dR llm =-(S il d.*S22cl S 12d.*S 21d)./S2 1 d;R 1 2 m=S l i d./S 2 1 d;R 2 I m =-S 22d./S 2 1 d;R 22m =1 ./S 21 d;%C a l c u l a t e t h e t w o p o s s i b l e v i r t ua 1 e r r o r n e t w o r k s f o r p o r t A%a n d p o r t B u s i n g t h e s-p a r a m et e r s o f t he t hr u a n d l i n e s t a n d e rd s%D e t e r m i n e t he n u m b e r o f f r e q ue n c y p o i n t sn f r e q=l e n g t h(f r e q )；f o r n =l：nfreqR t =R 1 I t (n)R 1 2 t (n);R 21 t (n)R 2 2 t(n);R l =R 1 1 1 (n)R 1 21 (n )；R 21 1 (n)R 2 21 (n )；T =R l*i n v (R t);%S o l v e a s e t o f q u a d r a t i c e q u a t i o ns to get the v a lues o f r 1 1 a/r 21a%and r 1 2a/r 2 2aA=T(2,1 );B=T(2,2)-T(1A1);C=-T(1A2);KI=(B+sqrt(B八2)-4*A*C)/(2*A)；K 2=(-B-sqrt(BA 2)-4*A C)/(2*A)；%Choose betwe e n the two possi b 1 e roo t s to get the r i g ht v a lues for%b and c/aif abs(K 1 )a b s (K2)b=KI;ca-1/K2;e nd;if a b s (K2)a b s(KI)b=K 2；ca=1/K1;e n d;%C a l c u l a t e s t he p r o p o g a t i o n cons t a n t o f t he L I N E s t a n d e r d .G L (n)=-1 0 g (T (1,1)+T (1,2)*c a);%C a l c u 1 a t e s a w l =S i l r (n )；w 2-S 2 2 r(n);g =1/S 2 1 t(n)；d=-(S l i t (n)*S 22t (n )-S 1 2 t (n)*S2 I t(n);=S 1 I t (n )；f =-S 2 2t (n);g a m m a =(f d*c a)/(1 e *c a );b e t a _ a l f a =(e-b)/(d-b*f);a =s q r t (w l-b)*(1 +w 2*b e t a a I f a)*(d-b*f)/(w 2+g a m m a)*(l-w l*c a)火(1 e*c a)；%C a l c u l a t e s t he r e f l e c t i o n c o ef f i s i e n t s a t e a c h p o r t t o d e t e r mi n e t h c o r r e c t%s i g n t ha t s h o u l d b e a s s i g n e d t o aR l a -(w 1 -b)/(a-w 1 *a*c a);R 1 b =(w l-b)/(w l*a c a-a);%A n o p e n i s u s e d f o r t he r e f 1 e c ti o n m e a s u r e m e n t.U s e t hi s i n f or m a t i o n t o%c ho s e t he s i g n o f ai f a b s (a n g l e(R l a)*1 8 0 /p i)9 0a =a;a s (n)-a ；c =c ae n d；i f a b s (a n g 1 e (R 1 b)1 8 0/p i)BRK fiMflUHHL 由于 K M W axM*内其g.实验总结本次实验我们使用的实验仪器是矢量网络分析仪以及与其配套的校准器件，滤波器、天线和耦合器。通过用矢量网络分析仪进行器件的测量，加深了我们对s参数的理解，使我们能将课堂上的理论知识应用于实践,用现象再来验证课堂知识，也极大地提高了我们对微波学习的爱好和积极性。这次实验尽管时间很短，但收获很大。它将之前我们学习的抽象的知识运用到了实际应用中去。在实验中,我们得知实验器材很昂贵，同时也很灵敏，一点点微小的移动、一点点金属的干扰都会让实验结果发生很大的变化，这告诉我们科研必须一丝不苟,考虑到所有细节，否则就也许功亏一簧，得到错误的结果。实验中，这些滤波器都很脆弱，一不小心也许损坏,也让我想到我们应当爱惜实验机会、爱惜实验器材,这也是一个合格的学生、合格的科研工作者应当考虑到的。虽然这次实验设备资源有限，但是我们小组成员还是顺利完毕了测量任务，每个人都有很大的收获。在测量过程中，同学们互相合作配合，极大地提高了实验效率。我们组在校准时，由于各种因素，校准结果不抱负，在助教的帮助下终于得到抱负校准。实验结束后，每个人都掌握了微波测量的基本环节,收获很颇丰。这次实验让我又学到了一种测量技术，在实际测量中必须考虑各种误差的影响,并努力运用各种方法消除误差或者得到误差的具体数据。在观测中，未校准前和校准后的实验结果有明显的区别，这让我体会到了理论学习与具体实践之间的区别，决不能将理论知识生搬硬套到具体实践中。