微波技术实验指导_报告2017

Harbin Institute of Technology微波技术实验报告院系：班级：姓名：学号：同组成员：指导老师：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 dzdV ⋅+-=)(ω V C j G dz dI ⋅+-=)(ω (1-4) 将式（1-1）及（1-2）代入式（1-3）可得Cj G I V ωγ+=++tj e z V t z v ω)(),(=tj 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== , CLZ 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=, )(212o 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 oL (1-8) 合并式（1-6）及（1-8）可得[负载阻抗]（Load Impedance ）)(-+-+-+==VV V V Z I V Z o L L L 定义[归一化阻抗]（Normalized Load Impedance ）LL 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 ）11+-==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 LVSWR 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 VV 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）。

（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S21,可通过S11/S21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）匹配微带线（MOD-1C）的S11及S21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。

（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五、实验结果及分析（一）在传输线理论中，开路、短路、匹配有哪些特性？答：开路和短路的阻抗为纯阻抗，值在0~±∞之间，且线中传输的是驻波。

开路反射系数为1，短路反射系数为-1;匹配负载值等于传输线特性阻抗，线中传输的是行波，无反射波。

反射系数为0（二）理想情况下，开路线、短路线、匹配微带线的测得值是多少？答：开路线：S11 = 1;短路线：S11=-1；匹配负载：S11=0，S21=1.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 ）的输入功率为P1，信号传输端（Port-2，Transmission Port ）的输出功率为P2，信号耦合端（Port-3，Coupling Port ）的输出功率为P3，而信号隔离端（Port-4，Isolation Port ）的输出功率为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：12log10)dB (P P T on Transmissi ⋅-== 耦合系数：13log 10)dB (P P C Coupling ⋅-== 隔离度：14log 10)dB (P P I Isolation ⋅-== 方向性：)dB ()dB ()dB (C I D y Directivit -==常见的定向耦合器可分成支线型和平行线型两种。