微波技术实验指导_报告2017

Harbin Institute of Technology

微波技术

实验报告

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实验时间：

哈尔滨工业大学

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 z z e V e V z V γγ--++=)( (1-1) z z e I e I z I γγ--+-=)( (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]（propagation coefficient ），其定义如下。

))((C j G L j R ωωγ++= (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。

I L j R dz

dV ⋅+-=)(ω V C j G dz dI ⋅+-=)(ω (1-4) 将式（1-1）及（1-2）代入式（1-3）可得

C

j G I V ωγ+=++

t

j e z V t z v ω)(),(=t

j e z I t z i ω)(),(=

一般将上式定义为传输线的[特性阻抗]（Characteristic Impedance ），Z O 。

C j G L j R C j G I V I V Z O ωωωγ++=+===--++

当R=G=0时，传输线没有损耗（Lossless or Loss-free ）。因此，一般[无耗]传输线

的[传输系数]及[特性阻抗]分别为

LC j j ωβγ== , C

L

Z O =

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R<<ωL 且G<<ωC 。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。

βαωγj C G L R LC LC j +=⎪⎭

⎫ ⎝⎛++≈2 （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]（Attenuation Constant ）,其公式分别为

LC j ωβ=, )(2

12o o GZ RY C G L R LC +=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=α 其中Y 0定义为传输线之[特性导纳](Characteristic Adimttance),其公式为

L C Z Y O O ==1

（二）负载传输线（Terminated Transmission Line ）

（A ）[无损耗]负载传输线（Terminated Lossless Line ）

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=j β，则传输线上电压及电

流方程式可以用下列二式表示。

z z e V e V z V ββ--++=)( ,

z z e I e I z I ββ--+-=)( 图1-1单位长度传输线之等效电路

單位長度

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

-++==V V V V L (1-6)

-+-==I I I I L

(1-7) 而且--++==V I Z V I Z o o ,，所以式（1－7）可改写成

)(1-+-=V V Z I o

L (1-8) 合并式（1-6）及（1-8）可得[负载阻抗]（Load Impedance ）

)(-+-

+-+==V

V V V Z I V Z o L L L 定义[归一化阻抗]（Normalized Load Impedance ）

L

L o L L L Z Z Z z Γ-Γ+===11 其中ΓL 定义为负载端的[电压反射系数]（V oltage Reflection Coefficient ）

1

1+-==Γ+-L L L Z Z V V 当Z L = Z O 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]（V oltage Standing Wave Ratio ）

及[回波损耗]（Return Loss ）。

L L

VSWR Γ-Γ+=11 ， )log(20L RL Γ-=

（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

L j L L j L j L j e e V

V e V e V L ββββ22)(--+-+--⋅Γ===Γ 而其[输入阻抗]则可定义为

)tan()tan(L jZ Z L jZ Z Z Z L o o L o in ββ++=

由上式可知，

（a ） 当L →∞时, Z in →Z o .

（b ） 当L =λ/2时, Z in =Z L.

（c ） 当L=λ/4时，Z in =Z o 2/Z L.

（B ）[有耗]负载传输线（Terminated Lossy Line ）

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

L j L L e L βα22)(--⋅Γ=Γ

而其[输入阻抗]则改成为

)

tanh()tanh(L jZ Z L jZ Z Z Z L o o L o in γγ++= 三、实验仪器及装置图

1模组编号：RF2KM1-1A (OPTN/SHORT/THRU CAL KIT)

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S 11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