物理实验教程 一近代物理实稻 [9]HAIGH ARTHUR D.THOMPSON FRANK.GIBSON ANDREW A P.Complex Permittivity of Liquid and Granular Materials Using Waveguide Cells[J]. Subsurface Sensing Technologies and Applications,2001,2(4):425-434. [10]ABDULNABI RAAD A.The Cavity Perturbation Method for the Measure- ment of the Dielectric Properties of Polystyrene/carbon black)Composite [J].Journal of Basrah Researches,2011,37(1):1-7. [11门张淑峨,赵君超,李永倩,等.空气湿度微波谐振腔测量方法[J门.中国电机工程 学报,2008,28(2):1-7 [12]果佳佳,金瑞,张志华,等.波导终端短路法测量固体材料的电容率[门.物理实 验,2014,34(5):1-5. 实验2-6矢量网络分析仪校准与散射参量测量 在分析一个由各种器件和传输线连接而成的微波系统时,一般用广义传输线方程来 描述微波传输线特性,用等效微波网络来描述微波器件特性。微波器件的等效网络参量 可通村场分析等方法得到,但在实际微波工程中常常通村直接测量获得。在微波测量技 术中,微波网络特性参量、信号特性参量和天线特性参量的测量称为微波测量的三大任 务。在微波等效网络特性参量中,散射参量具有物理意义直观清晰且易于测量的优点,因 此测量微波器件的特性参量时常常通过测量散射参量来实现。 测量一个单端口网络或多端口网络的散射参量都可通过测量双端口网络散射参量的 方法来完成,故双端口网络散射参量的测量最为典型。传统的微波波导测量系统通过测 量双端口网铬两端传输线上的电压分布来推算网络的散射参量。矢量网络分析仪测量散 射参量的基本思想则与之不同,其通过分离双端口网络的入射、反射和传输微波信号,根 据散射参量的定义来直接测量。 矢量网络分析仪是一种常见的现代化微波测量仪器,主要用来测量高烦器件、电路及 系统的性能参数,如线性参数、非线性参数、变频参数等。它既能测量单端口网络或双 (多)端口网铬的各种参量幅值(amplitude),又能测相位(phase)。矢量网络分析仪有很 多测量分析功能,被称为微波(射频)领域的“仪器之王”和万用表,除了用于直接测量分析 散射参量之外,还可用于测量驻波比、回波损耗、插入损耗、平坦度、带外抑制、衰减、增益、 隔离度,特性阻抗、输入阻抗,输出阻抗、相位、延时、1B压缩点、噪声系数、差分参数、共 模参数、共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)等常用参数,以及天线、滤被 器(lter)、衰减器、放大器(amplifier)、电缆(cable)、波导,功分器(power divider)、合路器 (combiner)、双工器(diplexer)、耦合器、隔离器,环行器、适配器(adapter)、差分器(differ- entiator)、混频器(mixer)等常见微波器件。 通过本实验理解矢量网络分析仪的基本工作原理和校准原理,学会常用的校准方法 114
— 114 — [9] HAIGH ARTHURD,THOMPSONFRANK,GIBSONANDREW AP.Complex PermittivityofLiquidand Granular Materials Using WaveguideCells[J]. SubsurfaceSensingTechnologiesandApplications,2001,2(4):425G434. [10] ABDULNABIRAAD A.TheCavityPerturbation MethodfortheMeasureG mentoftheDielectricPropertiesof(Polystyrene/carbonblack)Composite [J].JournalofBasrahResearches,2011,37(1):1G7. [11] 张淑娥,赵君超,李永倩,等.空气湿度微波谐振腔测量方法[J].中国电机工程 学报,2008,28(2):1G7. [12] 栗佳佳,金瑞,张志华,等.波导终端短路法测量固体材料的电容率[J].物理实 验,2014,34(5):1G5. 实验2G6 矢量网络分析仪校准与散射参量测量 在分析一个由各种器件和传输线连接而成的微波系统时,一般用广义传输线方程来 描述微波传输线特性,用等效微波网络来描述微波器件特性.微波器件的等效网络参量 可通过场分析等方法得到,但在实际微波工程中常常通过直接测量获得.在微波测量技 术中,微波网络特性参量、信号特性参量和天线特性参量的测量称为微波测量的三大任 务.在微波等效网络特性参量中,散射参量具有物理意义直观清晰且易于测量的优点,因 此测量微波器件的特性参量时常常通过测量散射参量来实现. 测量一个单端口网络或多端口网络的散射参量都可通过测量双端口网络散射参量的 方法来完成,故双端口网络散射参量的测量最为典型.传统的微波波导测量系统通过测 量双端口网络两端传输线上的电压分布来推算网络的散射参量.矢量网络分析仪测量散 射参量的基本思想则与之不同,其通过分离双端口网络的入射、反射和传输微波信号,根 据散射参量的定义来直接测量. 矢量网络分析仪是一种常见的现代化微波测量仪器,主要用来测量高频器件、电路及 系统的性能参数,如线性参数、非线性参数、变频参数等.它既能测量单端口网络或双 (多)端口网络的各种参量幅值(amplitude),又能测相位(phase).矢量网络分析仪有很 多测量分析功能,被称为微波(射频)领域的“仪器之王”和万用表,除了用于直接测量分析 散射参量之外,还可用于测量驻波比、回波损耗、插入损耗、平坦度、带外抑制、衰减、增益、 隔离度、特性阻抗、输入阻抗、输出阻抗、相位、延时、1dB 压缩点、噪声系数、差分参数、共 模参数、共模抑制比(commonmoderejectionratio,CMRR)等常用参数,以及天线、滤波 器(filter)、衰减器、放大器(amplifier)、电缆(cable)、波导、功分器(powerdivider)、合路器 (combiner)、双工器(diplexer)、耦合器、隔离器、环行器、适配器(adapter)、差分器(differG entiator)、混频器(mixer)等常见微波器件. 通过本实验理解矢量网络分析仪的基本工作原理和校准原理,学会常用的校准方法
0 微波测量技术实验第2章 和技术,重点举握测量散射参量的基本方法和技术,提升用矢量网络分析仪测量微波器件 特性参数的实践能力。 【实验目的】 (1)理解矢量网络分析仪的基本工作原理和校准原理,学会常用的校准方法和技术。 (2)理解微波双端口网络散射参量的物理意义,学会用矢量网络分析仪测量散射参 量的基本方法和技术。 (3)认识开路器、短路器、匹配负载、失配负载等终端元件,学会用矢量网络分析仪测 量单端口微波器件特性参数的方法和技术。 (4)认识微带线,同轴传输线,同轴连接器等连接元件,学会用矢量网络分析仪测量 双端口微波器件特性参数的方法和技术 (5)了解矢量网络分析仪的发展前沿和微波工程应用,激发科技报国的家国情怀和 使命担当。 【预习要求】 (1)什么是微波网络的散射参量? (2)矢量网铬分析仪主要有哪些功能?一般由哪几个部分组成?各个组成部分的作 用是什么? (3)矢量网络分析仪直接测量分析的是哪个参量?如何测量? (4)矢量网络分析仪测量双端口网络散射参量的系统误差主要有哪些?误差来源各 是什么? (5)矢量网络分析仪的校准方式有哪些?各自适用于测量什么参数? 【实验原理】 一、矢量网络分析仪的基本工作原理 网络分析仪(network analyzer)是集网络分析、扫频测量、点频信号源等多种测量模 式为一体的现代化测量仪器,采用自身标准信号来测量复杂电路系统中所用元件和电路 (单元)网络的电气特性参数,分析电气性能。网络分析仪可分为标量网络分析仪(scalar network analyzer,SNA)和矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)两类,其中标 量网络分析仪只能用于测量分析幅度(大小)信号/幅值特性:矢量网络分析仪既能用于测 量分析幅度(大小)信号(即幅值特性),又能用于测量分析相位(方向)信号(即相位特性)。 矢量网络分析仪是微波(射频)电路设计和工程测试中必不可少的测量仪器,广泛适 用于天线测试、电路测试、器件测试和计量检定等领域。深入理解矢量网络分析仪的基本 工作原理是可靠进行网络测量分析的基础。 1.散射参量 (1)反射和传输 网络分析仪测量的基本方式是测量沿传输线行进的入射波,反射波和传输波。在与 网络分析仪相关的名词术语中,入射波用R(参考)通道测量,反射波用A通道测量,传输 波用B通道测量。根据这些波中的幅度和相位信息,便能定量描述被测器件的反射特性 -115
— 115 — 和技术,重点掌握测量散射参量的基本方法和技术,提升用矢量网络分析仪测量微波器件 特性参数的实践能力. 【实验目的】 (1)理解矢量网络分析仪的基本工作原理和校准原理,学会常用的校准方法和技术. (2)理解微波双端口网络散射参量的物理意义,学会用矢量网络分析仪测量散射参 量的基本方法和技术. (3)认识开路器、短路器、匹配负载、失配负载等终端元件,学会用矢量网络分析仪测 量单端口微波器件特性参数的方法和技术. (4)认识微带线、同轴传输线、同轴连接器等连接元件,学会用矢量网络分析仪测量 双端口微波器件特性参数的方法和技术. (5)了解矢量网络分析仪的发展前沿和微波工程应用,激发科技报国的家国情怀和 使命担当. 【预习要求】 (1)什么是微波网络的散射参量? (2)矢量网络分析仪主要有哪些功能? 一般由哪几个部分组成? 各个组成部分的作 用是什么? (3)矢量网络分析仪直接测量分析的是哪个参量? 如何测量? (4)矢量网络分析仪测量双端口网络散射参量的系统误差主要有哪些? 误差来源各 是什么? (5)矢量网络分析仪的校准方式有哪些? 各自适用于测量什么参数? 【实验原理】 一、矢量网络分析仪的基本工作原理 网络分析仪(networkanalyzer)是集网络分析、扫频测量、点频信号源等多种测量模 式为一体的现代化测量仪器,采用自身标准信号来测量复杂电路系统中所用元件和电路 (单元)网络的电气特性参数,分析电气性能.网络分析仪可分为标量网络分析仪(scalar networkanalyzer,SNA)和矢量网络分析仪(vectornetworkanalyzer,VNA)两类,其中标 量网络分析仪只能用于测量分析幅度(大小)信号/幅值特性;矢量网络分析仪既能用于测 量分析幅度(大小)信号(即幅值特性),又能用于测量分析相位(方向)信号(即相位特性). 矢量网络分析仪是微波(射频)电路设计和工程测试中必不可少的测量仪器,广泛适 用于天线测试、电路测试、器件测试和计量检定等领域.深入理解矢量网络分析仪的基本 工作原理是可靠进行网络测量分析的基础. 1.散射参量 (1)反射和传输. 网络分析仪测量的基本方式是测量沿传输线行进的入射波、反射波和传输波.在与 网络分析仪相关的名词术语中,入射波用 R(参考)通道测量,反射波用 A 通道测量,传输 波用 B通道测量.根据这些波中的幅度和相位信息,便能定量描述被测器件的反射特性
物理实验教程 一近代物理实验 ( 和传输特性 (2)散射参量。 与入射波、反射波和传输波相关的端口网络参量称为散射参量(S参量),S参量是由 归一化入射波电压(功率)和归一化反射波电压(功率)来定义的(参见实验2-3):而端口网 络的阻抗参量、混合参量、转移参量等均是以端口处的归一化电压和电流定义的。微波频 段的归一化入射波电压和归一化反射波电压比端口处的归一化电压和电流更容易测量, 因此在微波领域广泛应用S参量来测量分析微波网络特性 S参量类似于反射和传输特性。S参量在数学表达上是一个矩阵形式,散射矩阵元 素S:表示在第i端口输入激励信号、其余端口均接匹配负载时第i端口上的电压反射系 数,S,表示在第方端口输入激励信号、其余端口均接匹配负载时第j端口到第;端口的电 压传输系数 复杂的微波系统可看作若干个简单双端口网络的耦合,一个双端口网络的信号流图 如图2-6-1所示,在双端口被测器件(device under test,DUT)的端口1(port1)输入激励 信号(入射功率波)1,被该端口反射的信号成为端口1输出信号(出射功率波)b1的一部 分:a1的其余信号经双端口网络(被测器件)传输到端口2(port2),成为端口2输出信号 b2的一部分。同理,在端口2输入激励信号a:,被该端口反射的信号成为端口2输出信号 b的一部分:4:的其余信号经被测器件传输到端口1,成为端口1输出信号b1的一部分。 } DUT port 1 port 2 下s 图2-6-1双端口网络的信号流图 线性双端口网铬的输出信号b,和b,与输人信号a1和a:之间关系的矩阵形式表达 式为: (2-6-1) 式中,参量S1,S:,S,Sz组成散射参量S,也称散射矩阵S,即 SS: s-5tsn】 (2-6-2) 根据S参量的定义,当输出端(port2)处于匹配状态(a:=0)时,S1:为输入端的反射 系数,S!为正向传输系数;当输人端(port1)处于匹配状态(a1-0)时,Sa为输出端的反 射系数,S2为反向传输系数。 S参量描述端口网络(器件)特性的方法如下:输入信号入射到器件,器件向外部散射 116
— 116 — 和传输特性. (2)散射参量. 与入射波、反射波和传输波相关的端口网络参量称为散射参量(S 参量),S 参量是由 归一化入射波电压(功率)和归一化反射波电压(功率)来定义的(参见实验2G3);而端口网 络的阻抗参量、混合参量、转移参量等均是以端口处的归一化电压和电流定义的.微波频 段的归一化入射波电压和归一化反射波电压比端口处的归一化电压和电流更容易测量, 因此在微波领域广泛应用S 参量来测量分析微波网络特性. S 参量类似于反射和传输特性.S 参量在数学表达上是一个矩阵形式,散射矩阵元 素Sii表示在第i端口输入激励信号、其余端口均接匹配负载时第i端口上的电压反射系 数,Sij表示在第j端口输入激励信号、其余端口均接匹配负载时第j端口到第i端口的电 压传输系数. 复杂的微波系统可看作若干个简单双端口网络的耦合,一个双端口网络的信号流图 如图2G6G1所示,在双端口被测器件(deviceundertest,DUT)的端口1(port1)输入激励 信号(入射功率波)a1,被该端口反射的信号成为端口1输出信号(出射功率波)b1的一部 分;a1的其余信号经双端口网络(被测器件)传输到端口2(port2),成为端口2输出信号 b2的一部分.同理,在端口2输入激励信号a2,被该端口反射的信号成为端口2输出信号 b2的一部分;a2的其余信号经被测器件传输到端口1,成为端口1输出信号b1的一部分. 图2G6G1 双端口网络的信号流图 线性双端口网络的输出信号b1和b2与输入信号a1和a2之间关系的矩阵形式表达 式为: b1 b2 æ è ç ö ø ÷ = S11 S12 S21 S22 æ è ç ö ø ÷ a1 a2 æ è ç ö ø ÷ (2G6G1) 式中,参量S11,S12,S21,S22组成散射参量S,也称散射矩阵S,即 S= S11 S12 S21 S22 æ è ç ö ø ÷ (2G6G2) 根据S 参量的定义,当输出端(port2)处于匹配状态(a2=0)时,S11为输入端的反射 系数,S21为正向传输系数;当输入端(port1)处于匹配状态(a1=0)时,S22为输出端的反 射系数,S12为反向传输系数. S 参量描述端口网络(器件)特性的方法如下:输入信号入射到器件,器件向外部散射
微波测量技术实验第2章 出可测量的物理量:对相同的输入信号,不同特性的器件可测出不同幅值和相位的散射信 号物理量,反映出器件的不同散射程度,议种不同的散射程度就可用来描林器件的特性。 这些可测量的物理量通常为入射电压、反射电压、传输电压等。S参量的表达方法已成为 一种非常有用的电气模型,S参量作为表征无源网络特性的一种模型,在微波网络仿直分 析中常用S参量来代表无源网络。在测量、建模和设计多个器件的复杂微波系统中,器 件的S参量特性起着关键的作用。矢量网络分析仪能方便快捷地测出被测器件的S参 量,并用于微波网络分析的建模计算。在矢量网络分析测量中,S参量的幅值常用分贝值 (B)来表示,常用横坐标为频、纵坐标为幅度或相位的S参量图来表示S参量随信号 顺率的变化关系。 2。失量网络分析仪的基本组成结构和工作原理 (1)矢量网络分析仪的基本组成结构。 典型双端口矢量网络分析仪的基本组成结构和信号流如图2-6-2所示,其主要由合成 扫顺信号源、信号分离装置、幅相接收机以及测量信号处理与控制显示四部分组成。 信号分离装置模块 幅相接枚机颜块 端口可 测量信号接收机] 定向合器,功分配器 参考信号按收机□ 被测 换向开关 定向耦合功分配器 参考信号接收机2 箱口2 b 测量信号接收机回 块 图2-62典型双端口矢量网络分析仪的基本组成结构和信号流框图 矢量网络分析仪广“泛采用的合成扫顿信号源一般包括顿率基准振荡器、本振信号振 荡器和扫频信号发生器等,具备频率扫描和功率扫描功能。扫频信号发生器提供被测器 件的输入激励信号,被测器件的颗率响应酒过信号源扫烦确定。 信号分离装置主要由功率分配器和定向耦合器组成,通常也称为S参量测量装置 用于完成对被测器件输人信号、反射信号和传输信号的分离提取。功率分配器将信号源 产生的信号分为两路:一路作为参考信号,发送给幅相接收机:另一路作为激励信号,通过 定向就合器传输到被测器件,产生的反射信号和传输信号经过定向属合器分离,发送给信 号幅相接收机。 为了具有良好的测量精度、动态范围和测量速度,高性能矢量网络分析仪普遍采用调 谐幅相接收机。调谐幅相接收机主要由取样/混频器、中频处理以及数字信号处理等部分 组成,用于将接收到的微波(射颖)信号转换为较低顿率的信号,并保持信号原有的幅度和 相位不变,实现对参考信号、反射信号、传输信号的幅度和相位参数的精确测量分析。 现代矢量网络分析仪具有功能强大的测量信号处理与控制显示模块,该模块主要有 嵌人式计算机、测量控制单元和数据处理显示单元等,能够实现测量结果的合格判断、极 限判断、图文显示、多种标记、文件存取,时域转换、参量变换等功能。 -117
— 117 — 出可测量的物理量;对相同的输入信号,不同特性的器件可测出不同幅值和相位的散射信 号物理量,反映出器件的不同散射程度,这种不同的散射程度就可用来描述器件的特性. 这些可测量的物理量通常为入射电压、反射电压、传输电压等.S 参量的表达方法已成为 一种非常有用的电气模型,S 参量作为表征无源网络特性的一种模型,在微波网络仿真分 析中常用S 参量来代表无源网络.在测量、建模和设计多个器件的复杂微波系统中,器 件的S 参量特性起着关键的作用.矢量网络分析仪能方便快捷地测出被测器件的S 参 量,并用于微波网络分析的建模计算.在矢量网络分析测量中,S 参量的幅值常用分贝值 (dB)来表示,常用横坐标为频率、纵坐标为幅度或相位的S 参量图来表示S 参量随信号 频率的变化关系. 2.矢量网络分析仪的基本组成结构和工作原理 (1)矢量网络分析仪的基本组成结构. 典型双端口矢量网络分析仪的基本组成结构和信号流如图2G6G2所示,其主要由合成 扫频信号源、信号分离装置、幅相接收机以及测量信号处理与控制显示四部分组成. 图2G6G2 典型双端口矢量网络分析仪的基本组成结构和信号流框图 矢量网络分析仪广泛采用的合成扫频信号源一般包括频率基准振荡器、本振信号振 荡器和扫频信号发生器等,具备频率扫描和功率扫描功能.扫频信号发生器提供被测器 件的输入激励信号,被测器件的频率响应通过信号源扫频确定. 信号分离装置主要由功率分配器和定向耦合器组成,通常也称为S 参量测量装置, 用于完成对被测器件输入信号、反射信号和传输信号的分离提取.功率分配器将信号源 产生的信号分为两路:一路作为参考信号,发送给幅相接收机;另一路作为激励信号,通过 定向耦合器传输到被测器件,产生的反射信号和传输信号经过定向耦合器分离,发送给信 号幅相接收机. 为了具有良好的测量精度、动态范围和测量速度,高性能矢量网络分析仪普遍采用调 谐幅相接收机.调谐幅相接收机主要由取样/混频器、中频处理以及数字信号处理等部分 组成,用于将接收到的微波(射频)信号转换为较低频率的信号,并保持信号原有的幅度和 相位不变,实现对参考信号、反射信号、传输信号的幅度和相位参数的精确测量分析. 现代矢量网络分析仪具有功能强大的测量信号处理与控制显示模块,该模块主要有 嵌入式计算机、测量控制单元和数据处理显示单元等,能够实现测量结果的合格判断、极 限判断、图文显示、多种标记、文件存取、时域转换、参量变换等功能
物理实验教程 一近代物理实验 (2)矢量网络分析仪的基本工作原理 矢量网铬分析仪最基本的测量功能就是通过测量端口网络(被测器件)的输入信号、 反射信号和传输信号来测量端口网络的S参量。信号源在固定功率电平上进行扫颜测 量时,可测S参量;而在固定频率上进行功率扫描测量时,可测放大器的增益压缩(gai compression)和调幅(amplitude modulation,AM)、调相(phase modulation,PM)转换 利用这些测量功能可确定线性和简单非线性器件的电气性能。 ①双端口网络散射参量的测量。 矢量网络分析仪的信号流如图2-6-2所示,双端口网络(被测器件)的端口2处于匹配 状态时,信号源产生的高频信号由功率分配器分为激励信号和参考信号,激励信号经定向 银合器输入被侧器件(双岩口网络)的浩口1,产生的反射信号b,经定向耦合器分离后传 输给幅相接收机:通过被测器件的输出信号b,经端口2由定向耦合器分离后传输给幅相 接收机:参考信号作为被测器件的输入信号a1,直接传输给幅相接收机:输入信号α1和反 射信号b,经信号处理后测出器件散射参量S,的幅值和相位,输入信号α,和输出信号b2 经信号处理后测出器件散射参量S的幅值和相位。同理,被测器件的端口1处于匹配状 态时,可测出器件散射参量S#和Sz的幅值和相位 ②双端口网络反射特性参量的测量。 矢量网络分析仪测出器件散射参量S1(S:)的幅值和相位后,通过数据处理分析还 可给出描述被测器件反射特性的一些其他参量,如反射系数、驻波比、输入阻抗、回波损 耗梦 反射系数Γ为: (T-Su (2-6-3) T,=S 式中,厂,为被测器件的端口2处于匹配状态时端口1的复反射系数,厂:为端口1处于匹 配状态时端口2的复反射系数。在微波工程中复反射系数也常用幅值和相位表示为: r-Irl∠g-Irle 1=S=lTl∠p1=lTle (2-6-4) r2=Sz=lrzl∠9:=Irzle 式中,P川为反射系数的幅值,∠为相位角j为虚数单位。 输人阻抗(input impedance)Z为: (2-6-5) 式中,Z。为被测器件的特性阻抗,取决于器件的物理尺寸和制作材料的介电常数,标准特 性阻抗Z。通常是50n或75Ω的实数阻抗:Z为被测器件输人端口的复输入阻抗。器件 输出端口的输入阻抗也称输出阻抗(output impedance)。 被测器件输入端口的驻波比ρ为: (2-6-6) -118-
— 118 — (2)矢量网络分析仪的基本工作原理. 矢量网络分析仪最基本的测量功能就是通过测量端口网络(被测器件)的输入信号、 反射信号和传输信号来测量端口网络的S 参量.信号源在固定功率电平上进行扫频测 量时,可测S 参量;而在固定频率上进行功率扫描测量时,可测放大器的增益压缩(gain compression)和调幅(amplitudemodulation,AM)、调相(phasemodulation,PM)转 换. 利用这些测量功能可确定线性和简单非线性器件的电气性能. ① 双端口网络散射参量的测量. 矢量网络分析仪的信号流如图2G6G2所示,双端口网络(被测器件)的端口2处于匹配 状态时,信号源产生的高频信号由功率分配器分为激励信号和参考信号,激励信号经定向 耦合器输入被测器件(双端口网络)的端口1,产生的反射信号b1经定向耦合器分离后传 输给幅相接收机;通过被测器件的输出信号b2经端口2由定向耦合器分离后传输给幅相 接收机;参考信号作为被测器件的输入信号a1,直接传输给幅相接收机;输入信号a1和反 射信号b1经信号处理后测出器件散射参量S11的幅值和相位,输入信号a1和输出信号b2 经信号处理后测出器件散射参量S21的幅值和相位.同理,被测器件的端口1处于匹配状 态时,可测出器件散射参量S22和S12的幅值和相位. ② 双端口网络反射特性参量的测量. 矢量网络分析仪测出器件散射参量S11(S22)的幅值和相位后,通过数据处理分析还 可给出描述被测器件反射特性的一些其他参量,如反射系数、驻波比、输入阻抗、回波损 耗等. 反射系数Γ 为: Γ1=S11 {Γ2=S22 (2G6G3) 式中,Γ1 为被测器件的端口2处于匹配状态时端口1的复反射系数,Γ2 为端口1处于匹 配状态时端口2的复反射系数.在微波工程中复反射系数也常用幅值和相位表示为: Γ=|Γ|∠φ=|Γ|ejφ Γ1=S11=|Γ1|∠φ1=|Γ1|ejφ1 Γ2=S22=|Γ2|∠φ2=|Γ2|ejφ2 ì î í ï ï ï ï (2G6G4) 式中,|Γ|为反射系数的幅值,∠φ 为相位角,j为虚数单位. 输入阻抗(inputimpedance)Z 为: Z= 1+Γ 1-Γ Z0 (2G6G5) 式中,Z0 为被测器件的特性阻抗,取决于器件的物理尺寸和制作材料的介电常数,标准特 性阻抗Z0 通常是50Ω 或75Ω 的实数阻抗;Z 为被测器件输入端口的复输入阻抗.器件 输出端口的输入阻抗也称输出阻抗(outputimpedance). 被测器件输入端口的驻波比ρ为: ρ= 1+|Γ| 1-|Γ| (2G6G6)
微波测量技术实验第2章 被测器件输入端口的反射损耗(reflection loss)Lk为被测器件的输入功率与反射功 率之比,可用反射系数表示为: Lg=-201gIrl (dB) (2-6-7) 式中,LR也称回波损耗(return loss) ③双端口网络传输特性参量的测量。 矢量网络分析仪测出器件散射参量S:(S:)的幅值和相位后,通过数据处理分析还 可给出描述被测器件传输特性的一些其他参量,如传输系数,插入损耗、增益、插入相移、 群延时等。 传输系数(transmission coefficient)T为: (T=Sa (2-6-8) T-SK 式中,T,为被测器件的端口2处于匹配状态时由端口1到端口2的复传输系数,T:为被 测器件的端口1处于匹配状态时由端口2到端口1的复传输系数。 由被测器件输入端口传输到输出端口的插入损耗(insertion loss)L,为被测器件的输 入功率与输出功率之比,可用传输系数表示为: L:=-20lglTl (dB) (2-6-9) 由被测器件输入端口传输到输出端口的增益(gai)G为被测器件的输出功率与输入 功率之比,可用传输系数表示为: G=(dB) (2-6-10) 插人相移(insertion phase shift)△e为: △g=9ot一9mn (2-6-11) 式中,P和9n分别为被测器件输出端口和输入端口信号的相位。 群延时(group delay)r为: 宏等 (2-6-12) 式中,等表示不同频率了的信号通过被测器件的相位变化对频常微分。群延迟是信号通 过被测器件的各正弦分量的振幅包络的时延,并且是各频率分量的函数,是描述相位变化 随着顿率变化快慢程度的量。因此,群延迟是对信号通过器件所需时间的一种量度:当群 延迟保持常数不变时,多频信号的各个分量以相同的速度通过器件,不产生散现象:当 群延迟不能保持恒定时,调频信号通过器件会失真。 二、矢量网络分析仪的测量误差与系统误差模型 上述矢量网络分析仪的基本工作原理和S参量及其相关参量的测量原理都是在理 想条件下分析的,如假设定向合器的定向性无穷大、入射信号和反射信号完全区分开】 各器件之间完全匹配、连接电缆之间没有插入损耗等。但是,实际上矢量网络分析仪测量 并不满足这些理想条件,从而产生测量误差。为了消除或减小测量误差,测量时必须先对 矢量网络分析仪进行校准,以便得到真实可靠的测量结果。 -119-
— 119 — 被测器件输入端口的反射损耗(reflectionloss)LR 为被测器件的输入功率与反射功 率之比,可用反射系数表示为: LR=-20lg|Γ| (dB) (2G6G7) 式中,LR 也称回波损耗(returnloss). ③ 双端口网络传输特性参量的测量. 矢量网络分析仪测出器件散射参量S21(S12)的幅值和相位后,通过数据处理分析还 可给出描述被测器件传输特性的一些其他参量,如传输系数、插入损耗、增益、插入相移、 群延时等. 传输系数(transmissioncoefficient)T 为: Τ1=S21 {Τ2=S12 (2G6G8) 式中,Τ1 为被测器件的端口2处于匹配状态时由端口1到端口2的复传输系数,Τ2 为被 测器件的端口1处于匹配状态时由端口2到端口1的复传输系数. 由被测器件输入端口传输到输出端口的插入损耗(insertionloss)LI为被测器件的输 入功率与输出功率之比,可用传输系数表示为: LI=-20lg|Τ| (dB) (2G6G9) 由被测器件输入端口传输到输出端口的增益(gain)G 为被测器件的输出功率与输入 功率之比,可用传输系数表示为: G=20lg|Τ| (dB) (2G6G10) 插入相移(insertionphaseshift)Δφ 为: Δφ=φout-φin (2G6G11) 式中,φout和φin分别为被测器件输出端口和输入端口信号的相位. 群延时(groupdelay)τ为: τ=- 1 2π dφ df (2G6G12) 式中, dφ df 表示不同频率f 的信号通过被测器件的相位变化对频率微分.群延迟是信号通 过被测器件的各正弦分量的振幅包络的时延,并且是各频率分量的函数,是描述相位变化 随着频率变化快慢程度的量.因此,群延迟是对信号通过器件所需时间的一种量度:当群 延迟保持常数不变时,多频信号的各个分量以相同的速度通过器件,不产生频散现象;当 群延迟不能保持恒定时,调频信号通过器件会失真. 二、矢量网络分析仪的测量误差与系统误差模型 上述矢量网络分析仪的基本工作原理和S 参量及其相关参量的测量原理都是在理 想条件下分析的,如假设定向耦合器的定向性无穷大、入射信号和反射信号完全区分开、 各器件之间完全匹配、连接电缆之间没有插入损耗等.但是,实际上矢量网络分析仪测量 并不满足这些理想条件,从而产生测量误差.为了消除或减小测量误差,测量时必须先对 矢量网络分析仪进行校准,以便得到真实可靠的测量结果
物理实验教程 一近代物理实验 1.误差分类与来源 矢量网铬分析仪的测量误差主要分为系统误差、随机误差和漂移误差三大类。系统 误差是矢量网络分析仪测量的最大误差源,由各器件的非理想性所引起。系统误差可重 复出现并可定量描术,因此矢量网络分析议测量的幽大部分系统误差可通时校准技术予 以消除。随机误差是由信号源和接收机中的噪声、连接端口测量的重复性和开关动作的 重复性等引起的,随时间变化,具有随机性,因此不能通过校准消除,减小随机误差的最有 效方法是多次测量取平均值。漂移误差主要是由温度变化造成的,可通过保持测量环境 温度稳定和温度误差校准减小或消除。 2。系统误差的分析与模型 系统误差的分析与模型是矢量网络分析仪校准的基础。矢量网络分析仪测量中所涉 及的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关,主要有频响误差、方向性误差、端口 失配误差和隔离误差。双端口网络测量的典型系统误差模型是12项误差模型(12-trm error mode),包括正向测量六项误差和反向测量六项误差。 (1)系统误差分析。 ①频响误差(frequency response error)。矢量网络分析仪在扫频状态下工作时,无 论是内部的工作器件还是外部的转换接头和连接电缆等的工作特性都会随频率而变化。 这种频率响应特性造成的测量误差称为频响误差或跟踪误差。频响误差包括测量反射特 性时存在的反射跟踪误差和测量传输特性时存在的传输跟踪误差。 ②方向性误差(directivity error)。方向性误差是由定向耦合器有限方向性造成的误 差。定向耦合器有限方向性引起的泄漏信号会叠加在真实的反射信号上,从而产生测量 误差。当被测器件端口匹配性能较好时,方向性误差对测量影响较大。 ③端口失配误差(mismatch error)。端口失配误差包括源失配误差和负载失配误 差。反射特性测量过程中被测器件的反射信号通过传输线返回矢量网络分析仪输入端 口,若端口与传输线间存在阻抗失配,会形成信号的多次入射和反射,从而产生源失配误 差。同理,被测器件输出的传输信号也会因接收端阻抗失配造成反射,该反射信号会通过 被测器件的反向传输而叠加在真实反射信号上,从而形成负载失配误差。 ④隔离误差(isolation error)。因器件之间的隔离度有限,故矢量网络分析仪内部的 输入、反射和传输信号接收机之间会存在信号串扰,产生串扰误差(crosstalk error),也称 隔离误差。测量开关、隔离器、衰减器等高隔离被测器件时,隔离误差影响明显。 (2)系统误差模型。 为了定量分析双端口网络测量的上述四大类系统误差,实际的矢量网络分析仪可等 效为一个理想的矢量网络分析仪与测量参考面之间插入了一个双端口的误差适配器(等 效的误差双端口网络)。典型双端口网络S参量正向和反向测量的误差模型和信号流如 图2-6-3所示。图中,S1,S1,Sz和Sz为被测器件的S参量:被测双端口网络的理想输 入信号为a1和a:,理想输出信号为b1和b2;含误差的输入信号为ao和aa,含误差的输出 信号为b,和b:E,为各误差项的误差参数(i=d,s,l,r,t,cj=f,r),具体物理意义见表 2-6-1. 120-
— 120 — 1.误差分类与来源 矢量网络分析仪的测量误差主要分为系统误差、随机误差和漂移误差三大类.系统 误差是矢量网络分析仪测量的最大误差源,由各器件的非理想性所引起.系统误差可重 复出现并可定量描述,因此矢量网络分析仪测量的绝大部分系统误差可通过校准技术予 以消除.随机误差是由信号源和接收机中的噪声、连接端口测量的重复性和开关动作的 重复性等引起的,随时间变化,具有随机性,因此不能通过校准消除,减小随机误差的最有 效方法是多次测量取平均值.漂移误差主要是由温度变化造成的,可通过保持测量环境 温度稳定和温度误差校准减小或消除. 2.系统误差的分析与模型 系统误差的分析与模型是矢量网络分析仪校准的基础.矢量网络分析仪测量中所涉 及的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关,主要有频响误差、方向性误差、端口 失配误差和隔离误差.双端口网络测量的典型系统误差模型是12项误差模型(12Gterm errormode),包括正向测量六项误差和反向测量六项误差. (1)系统误差分析. ① 频响误差(frequencyresponseerror).矢量网络分析仪在扫频状态下工作时,无 论是内部的工作器件还是外部的转换接头和连接电缆等的工作特性都会随频率而变化. 这种频率响应特性造成的测量误差称为频响误差或跟踪误差.频响误差包括测量反射特 性时存在的反射跟踪误差和测量传输特性时存在的传输跟踪误差. ② 方向性误差(directivityerror).方向性误差是由定向耦合器有限方向性造成的误 差.定向耦合器有限方向性引起的泄漏信号会叠加在真实的反射信号上,从而产生测量 误差.当被测器件端口匹配性能较好时,方向性误差对测量影响较大. ③ 端口失配误差(mismatcherror).端口失配误差包括源失配误差和负载失配误 差.反射特性测量过程中被测器件的反射信号通过传输线返回矢量网络分析仪输入端 口,若端口与传输线间存在阻抗失配,会形成信号的多次入射和反射,从而产生源失配误 差.同理,被测器件输出的传输信号也会因接收端阻抗失配造成反射,该反射信号会通过 被测器件的反向传输而叠加在真实反射信号上,从而形成负载失配误差. ④ 隔离误差(isolationerror).因器件之间的隔离度有限,故矢量网络分析仪内部的 输入、反射和传输信号接收机之间会存在信号串扰,产生串扰误差(crosstalkerror),也称 隔离误差.测量开关、隔离器、衰减器等高隔离被测器件时,隔离误差影响明显. (2)系统误差模型. 为了定量分析双端口网络测量的上述四大类系统误差,实际的矢量网络分析仪可等 效为一个理想的矢量网络分析仪与测量参考面之间插入了一个双端口的误差适配器(等 效的误差双端口网络).典型双端口网络S 参量正向和反向测量的误差模型和信号流如 图2G6G3所示.图中,S11,S21,S12和S22为被测器件的S 参量;被测双端口网络的理想输 入信号为a1和a2,理想输出信号为b1和b2;含误差的输入信号为a0和a3,含误差的输出 信号为b0和b3;Eij为各误差项的误差参数(i=d,s,l,r,t,c;j=f,r),具体物理意义见表 2G6G1
微波测量技术实验第2章 )正向量六项误差模 (b)反向测量六项误差模型 图2-6-3双端口网络测量的12项误差模型和信号流图 表2-6-1双端口网络测量的12项误差参数 误差参数 物理意义 正向(forward direction) 反向(reverse direction) 方向性误差 E E 源失配误差 E 负载失配误差 Ed En 反射跟琼误差 传输限踪误差 Ed E 隔离误差 正向测量双端口网络存在六项系统误差,分别为与信号泄漏有关的方向性误差E: 与信号泄漏有关的隔离误差E、与反射有关的源失配误差E4、与反射有关的负载失配误 差E:、由测量接收机内部的反射跟踪引起的频响误差E、由测量接收机内部的传输跟踪 引起的频响误差E:反向测量也存在对称的六项系统误差,分别为E,E。,E。,E,En E:。因此,典型双端口网铬测量的系统误差模型共有12项误差,通常称为12项误差模 型。完整测量双端口网络的四个S参量时,需要修正12项误差:单端口测量时,需要修正 六项误差。 三、矢量网络分析仪的校准方法 根据前面的误差分析可知,使用失量网络分析仪进行测量之前需要做系统误差修正 (error correction)。矢量网络分析仪的校准就是确定测量过程中存在的各个系统误差 项,以便在器件特性参数测量结果中修正掉误差项,获得真实的测量参数 矢量网络分析仪校准的基本原理如下:首先测量已知参数的校准件(calibration kit), 121-
— 121 — 图2G6G3 双端口网络测量的12项误差模型和信号流图 表2G6G1 双端口网络测量的12项误差参数 误差参数 正向(forwarddirection) 反向(reversedirection) 物理意义 Edf Edr 方向性误差 Esf Esr 源失配误差 Elf Elr 负载失配误差 Erf Err 反射跟踪误差 Etf Etr 传输跟踪误差 Ecf Ecr 隔离误差 正向测量双端口网络存在六项系统误差,分别为与信号泄漏有关的方向性误差Edf、 与信号泄漏有关的隔离误差Ecf、与反射有关的源失配误差Esf、与反射有关的负载失配误 差Elf、由测量接收机内部的反射跟踪引起的频响误差Erf、由测量接收机内部的传输跟踪 引起的频响误差Etf;反向测量也存在对称的六项系统误差,分别为Edr,Ecr,Esr,Elr,Err, Etr.因此,典型双端口网络测量的系统误差模型共有12项误差,通常称为12项误差模 型.完整测量双端口网络的四个S 参量时,需要修正12项误差;单端口测量时,需要修正 六项误差. 三、矢量网络分析仪的校准方法 根据前面的误差分析可知,使用矢量网络分析仪进行测量之前需要做系统误差修正 (errorcorrection).矢量网络分析仪的校准就是确定测量过程中存在的各个系统误差 项,以便在器件特性参数测量结果中修正掉误差项,获得真实的测量参数. 矢量网络分析仪校准的基本原理如下:首先测量已知参数的校准件(calibrationkit)
物理实验教程 一近代物理实 d 利用校准件的测量数据,根据系统误差模型计算出各个误差项,将这些校准数据存储在分 析仪中:然后在后续测量中通过处理软件自动完成误差修正计算。通过测量校准和误差 修正将校准件的精度转移到矢量网络分析仪中。矢量网络分析仪的测量精度取决于所使 用的校准件和校准方法。 矢量网络分析仪的校准件是指技术指标已知且可测量的标准件。常用的校准件有开 路器,短路器、匹配负载等,每一套校准件至少包含三个性能差别很大且相对独立的标准】 每一个标准都有格的数学定义,校准件的校准文件即数学定义放在存储设备中供矢量 网络分析议调用。根据不同的测量精度,校准件可分为经济型、标准型和精密型三个级 别。经济型校准件主要有开路器、短路器和固定匹配负载:标准型校准件主要有开路器 短路器和滑动匹配负载:精密型校准件主要有开路器、短路器、低频固定负载和精密空 气线。 根据校准件的不同,矢量网路分析仪的校准方式可分为机械校准和电子校准 准、多端口校准以及TRL.(thr-reflect-line,直通-反射-传输线)校准(TRL.calibration)。 各种校准方式所用校准件数量、所需测量次数以及消除误差项的数目各不相同,校准精度 从低到高依次为频响校准、矢量校准,电子校准、TRL校准。 1.類响校准 频响校准比较简单,但精度低,只能消除频率响应误差。频响校准过程只需使用一个 校准件,进行一次校准测量,但测量不同特性参数时所使用的校准件不同。测量反射特性 参数时需用全反射校准件,可使用短路(short)校准件或开路(open)校准件,一般使用终 端短路更接近理想全反射状态;测量传输特性参数时使用直通(thu)校准件。 2.失量拉准 与频响校准相比,矢量校准过程更复杂,要求测量多个标准件,既要测量信号的幅度 又要测量相位,需要根据系统误差模型通过联立求解方程组计算出各个误差项。因此,矢 量网络分析仪的矢量校准可消除更多的误差项,具有更高的测量精度 (I)单端口矢量校准(one-port vector calibration)。 常用的单端口矢量校准为SOL(hort open-)或SOM(short-ope match)校准, 它们属于全单端口校准,主要用于测量单端口器件的反射系数及其衍生参数,可全面修正 单端口测量所涉及的系统误差项,测量单端口器件时精度最高。单端口矢量校准需要使 用短路、开路和负载(oa)三个校准件,进行三次校准测量,可消除被校准端口的方向性 误差、原失配误差和反射银踪误差三项系统误差。当校准端口为矢量网络分析仪的端口 1或端口2时,通常称为S或S单端口校准。 (2)双端口失量校准(two-port vector calibration). 经典的双端口矢量校准为SOLT(short-open-load-thru)或TOSM(thru-open-short- match)校准,适用于12项误差模型,可消除双端口网络测量存在的12项系统误差,主要 用于测量双端口器件的全S参量及其衍生参数。双端口矢量校准需要使用短路、开路、 负载和直通四个校准件,进行七次校准测量。矢量网络分析仪用于测量被测器件的传输 特性时,需要对测量端口和传输连接线进行双端口校准:不测量隔离器、开关等高隔离器 122
— 122 — 利用校准件的测量数据,根据系统误差模型计算出各个误差项,将这些校准数据存储在分 析仪中;然后在后续测量中通过处理软件自动完成误差修正计算.通过测量校准和误差 修正将校准件的精度转移到矢量网络分析仪中.矢量网络分析仪的测量精度取决于所使 用的校准件和校准方法. 矢量网络分析仪的校准件是指技术指标已知且可测量的标准件.常用的校准件有开 路器、短路器、匹配负载等,每一套校准件至少包含三个性能差别很大且相对独立的标准. 每一个标准都有严格的数学定义,校准件的校准文件即数学定义放在存储设备中供矢量 网络分析仪调用.根据不同的测量精度,校准件可分为经济型、标准型和精密型三个级 别.经济型校准件主要有开路器、短路器和固定匹配负载;标准型校准件主要有开路器、 短路器和滑动匹配负载;精密型校准件主要有开路器、短路器、低频固定负载和精密空 气线. 根据校准 件 的 不 同,矢 量 网 络 分 析 仪 的 校 准 方 式 可 分 为 机 械 校 准 和 电 子 校 准 (electroniccalibration).根据修正误差项的不同,机械校准可分为频响校准(response calibration)和矢量校准(vectorcalibration).矢量校准又可分为单端口校准、双端口校 准、多端口校准以及 TRL(thruGreflectGline,直通G反射G传输线)校准(TRLcalibration). 各种校准方式所用校准件数量、所需测量次数以及消除误差项的数目各不相同,校准精度 从低到高依次为频响校准、矢量校准、电子校准、TRL 校准. 1.频响校准 频响校准比较简单,但精度低,只能消除频率响应误差.频响校准过程只需使用一个 校准件,进行一次校准测量,但测量不同特性参数时所使用的校准件不同.测量反射特性 参数时需用全反射校准件,可使用短路(short)校准件或开路(open)校准件,一般使用终 端短路更接近理想全反射状态;测量传输特性参数时使用直通(thru)校准件. 2.矢量校准 与频响校准相比,矢量校准过程更复杂,要求测量多个标准件,既要测量信号的幅度, 又要测量相位,需要根据系统误差模型通过联立求解方程组计算出各个误差项.因此,矢 量网络分析仪的矢量校准可消除更多的误差项,具有更高的测量精度. (1)单端口矢量校准(oneGportvectorcalibration). 常用的单端口矢量校准为 SOL(shortGopenGload)或 SOM(shortGopenGmatch)校准, 它们属于全单端口校准,主要用于测量单端口器件的反射系数及其衍生参数,可全面修正 单端口测量所涉及的系统误差项,测量单端口器件时精度最高.单端口矢量校准需要使 用短路、开路和负载(load)三个校准件,进行三次校准测量,可消除被校准端口的方向性 误差、源失配误差和反射跟踪误差三项系统误差.当校准端口为矢量网络分析仪的端口 1或端口2时,通常称为S11或S22单端口校准. (2)双端口矢量校准(twoGportvectorcalibration). 经典的双端口矢量校准为 SOLT(shortGopenGloadGthru)或 TOSM(thruGopenGshortG match)校准,适用于12项误差模型,可消除双端口网络测量存在的12项系统误差,主要 用于测量双端口器件的全S 参量及其衍生参数.双端口矢量校准需要使用短路、开路、 负载和直通四个校准件,进行七次校准测量.矢量网络分析仪用于测量被测器件的传输 特性时,需要对测量端口和传输连接线进行双端口校准;不测量隔离器、开关等高隔离器
0 微波测量技术实验第2章 件和滤波器等大动态范围器件时,一般不需要双端口的直通(隔离)校准,只进行六次校准 测量即可 (3)多端口矢量校准(multi-port vector calibration)。 多端口矢量校准可通过双端口矢量校准的两两组合实现,因此也需要使用短路校准件、 开路校准件、负载校准件和直通校准件,但随着校准端口的增多,校准测量次数会大量增加。 (4)TRL校准。 在传统的机械校准中,短路校准件存在寄生电感,开路校准件存在寄生电容,故校准 件参数不容易精确确定。TL校准使用的校准件是传输线校准件,校准件参数更容易被 确立,因此TRL校准的精度更高。TRL校准只用于双端口及多端口校准.需要使用直雨 校准件.反射(reflect)校准件和传输线(line)校准件。 3.电子校准 现代矢量网络分析仪除传统的机械校准外,还具有电子校准功能。电子校准需要使 用电子校准件(ECl),具有校准过程简单、校准速度快、不确定影响因素少、支持混合端 口校准等优点 4.校准参考面与测量泰考面 矢量网络分析仪的测量端口一般不能直接与被测器件连接,而是需要通过连接电缆 或测量夹具连接被测器件。校准参考面是连接校准件的位置,而测量参考面是连接被测 器件的位置。当这两个参考面相合时,误差模型参数可包括相应的所有系统误差因素,通 过校准能够修正测量夹具、相关电缆和硬件的影响,获得最佳的测量结果。在精确直通校 准时,应注意区分可插入器件(器件的连接器能插在一起,可代替零长度标准插入的被测 器件)和非可插人器件(被测器件的连接器不能插在一起,不可代替零长度标准插入的被 测器件)的校准方法,以便保证校准参考面与测量参考面相合。 【实验器材】 实验器材有合成扫频信号源(AV1441A)、矢量网络分析仪(AV3656A)、颜谱分析仪 (4037MA)、电缆组件(Z147A-N/SMAJ-1200)、50Q匹配负载(SMA-K,SMA-J)、开路器 (SMA-K)、短路器(SMA-K)、同轴校准件(AV31121M)、微波综合技术教学实验箱 (AV6101WA). 实验中所用的AV3656A矢量网络分析仪是集网络分析、扫频测量、点频信号源等多 种测量模式为一体的现代化仪器,具备高效,强大的误差修正能力,可实现时域和频域测 量,能够快速、精确地测量被测器件S参量的幅度、相位和群延迟等特性参数以及由S参 量衍生的多种参数。其测量频率范围为100kHz~3GHz,频率分辨常为1Hz,频率相对准 确度为士5×10~(23℃士3℃),输出功率范围为一45~10dBm,动态范围为100kHz 1MHz(90~60dB),1~10MHz(110~80dB),10MHz~3GHz(125~95dB). 实验中所用的4037MA频普分析仪为新一代中高性能,便携式微波顿谱分析仪,可直 观地测量与分析信号的谐波分量、寄生、交调、噪声边带等多种参数,具备自检测与自校准 功能,具有测量速度快、重复性好、性能稳定等优点。其测量频率范围为9kHz~3GHz, 参考电平范围为-150~30dBm,频率响应为士0.8dB(10MHz~3GHz,10dB输入衰 减,20~30℃),幅度测量准确度为±0.3dB(50MHz,-25dBm),工作温度为0~50℃。 123
— 123 — 件和滤波器等大动态范围器件时,一般不需要双端口的直通(隔离)校准,只进行六次校准 测量即可. (3)多端口矢量校准(multiGportvectorcalibration). 多端口矢量校准可通过双端口矢量校准的两两组合实现,因此也需要使用短路校准件、 开路校准件、负载校准件和直通校准件,但随着校准端口的增多,校准测量次数会大量增加. (4)TRL校准. 在传统的机械校准中,短路校准件存在寄生电感,开路校准件存在寄生电容,故校准 件参数不容易精确确定.TRL校准使用的校准件是传输线校准件,校准件参数更容易被 确立,因此 TRL校准的精度更高.TRL校准只用于双端口及多端口校准,需要使用直通 校准件、反射(reflect)校准件和传输线(line)校准件. 3.电子校准 现代矢量网络分析仪除传统的机械校准外,还具有电子校准功能.电子校准需要使 用电子校准件(EGCal),具有校准过程简单、校准速度快、不确定影响因素少、支持混合端 口校准等优点. 4.校准参考面与测量参考面 矢量网络分析仪的测量端口一般不能直接与被测器件连接,而是需要通过连接电缆 或测量夹具连接被测器件.校准参考面是连接校准件的位置,而测量参考面是连接被测 器件的位置.当这两个参考面相合时,误差模型参数可包括相应的所有系统误差因素,通 过校准能够修正测量夹具、相关电缆和硬件的影响,获得最佳的测量结果.在精确直通校 准时,应注意区分可插入器件(器件的连接器能插在一起,可代替零长度标准插入的被测 器件)和非可插入器件(被测器件的连接器不能插在一起,不可代替零长度标准插入的被 测器件)的校准方法,以便保证校准参考面与测量参考面相合. 【实验器材】 实验器材有合成扫频信号源(AV1441A)、矢量网络分析仪(AV3656A)、频谱分析仪 (4037MA)、电缆组件(Z147AGNJ/SMAJG1200)、50Ω 匹配负载(SMAGK,SMAGJ)、开路器 (SMAGK)、短 路 器 (SMAGK)、同 轴 校 准 件 (AV31121M)、微 波 综 合 技 术 教 学 实 验 箱 (AV6101WA). 实验中所用的 AV3656A 矢量网络分析仪是集网络分析、扫频测量、点频信号源等多 种测量模式为一体的现代化仪器,具备高效、强大的误差修正能力,可实现时域和频域测 量,能够快速、精确地测量被测器件S 参量的幅度、相位和群延迟等特性参数以及由S 参 量衍生的多种参数.其测量频率范围为100kHz~3GHz,频率分辨率为1Hz,频率相对准 确度为±5×10-6(23 ℃±3 ℃),输出功率范围为-45~10dBm,动态范围为100kHz~ 1MHz(90~60dB),1~10MHz(110~80dB),10MHz~3GHz(125~95dB). 实验中所用的4037MA 频谱分析仪为新一代中高性能、便携式微波频谱分析仪,可直 观地测量与分析信号的谐波分量、寄生、交调、噪声边带等多种参数,具备自检测与自校准 功能,具有测量速度快、重复性好、性能稳定等优点.其测量频率范围为9kHz~3GHz, 参考电平范围为-150~30dBm,频率响应为±08dB(10 MHz~3GHz,10dB 输入衰 减,20~30 ℃),幅度测量准确度为±03dB(50MHz,-25dBm),工作温度为0~50℃