实验一、微波测量系统的认识和调整

一、 实验目的与基本要求

1. 了解微波测试系统的组成；

2. 了解组成微波测试系统各元件的基本工作原理及操作方法； 3. 掌握测量线的调整方法；

4. 掌握交叉读数法测量波导波长的方法。

二．实验原理

测量线系统是微波测量重要的测试系统，特点是历史悠久、理论清晰、方法简便、参数测量完整，对微波测量课程的学习作用重要。

图1-1实验过程

图1-2测量线测试系统组成

为了避免后面元件对源的影响，在源后要加—隔离器；为了避免信号源输出功率过大而使指示设备超过量程，在源后还要加一个可变衰减器。此外，再加上频率测量设备—谐振式频率计（或波长计）而构成一个常用微波测量系统的等效源，这样组成的测量线测试系统框图如图1-2所示。

驻波测量中最常用的检波设备是测量线，它是一段宽边中心纵向开槽的传输线，在槽中插入一段金属细丝，通常称为探针。由于探针很细，对传输线内的场分布基本上不产生影响，探针可从传输线捡取很小一部分能量，在纯驻波或行波状态下（如图1-3所示），依探针在传输线内位置不同，捡取的能量亦不同，在波腹点捡取的能量多，在波节点捡取的能量少。如将检出的能量检波后接上高灵敏度的指示器（如光点检流计、选频放大器等），就可以了解终端负载的情况。

使用测量线最基本的技术是波导波长的测量，准确的测量相邻两波节点间的距离对于熟练地使用测量线和较好的进行阻抗测量均很重要。

1

波导波长的测量是在终端短路；沿线为纯驻波的情况下，测量两相邻波节点间距离再乘以2得到。理论上说，相邻两波腹点间距离的二倍也是波导波长，但由于波腹点附近较之波节点附近电场变化缓慢，很不易准确测量，故而通常测波导波长等均以波节点为准，尽管如此，再波节点附近场强很弱，有极小一段变化不明显，为了更加准确的测量波导波长，一般采用交叉读数法，即在波节点两边取斜率最大的电流同一指示点进行测量（如图1-4中𝐷1和𝐷2点），然后取平均即为波节点位置。

DD1D2 (1-1)

2

图1-3纯驻波和行驻波 图1-6交叉读数法

三、 实验步骤

1. 观察各元器件的形状、结构，了解使用方法及在测试线路中的作用。 2. 按图连好线路，终端接短路板。

3. 开启电源，预热1分钟后，观测微波源面板工作频率𝑓0，并记录之。

4. 移动探针找到波腹点，仔细缓慢调整测量线调谐按钮，使指示器达到最大指示（调谐中用衰减器控制输出功率以免指示器超过量程）。

5. 终端接短路板，移动游标线测出两相邻波节点位置并记录之，重复两次并记 录。

6. 终端接短路，利用交叉读数法测出两相邻波节点的位置并记录之，重复两次并记录。

7.计算步骤5和6所测得的波导波长并与计算值作比较。

四、实验数据记录表格

表1-1 直接法测波导波长g： f0= MHz

测量次数 相邻波节点位置 第一次 第二次 第三次 波导波长g 2

表1-2 交叉读数法测波导波长g： f0= MHz

测量次数 波节点两边等 指示点位置 第一次 波导波长g 第二次 第三次 表1-3 由工作频率计算的波导波长g

波导尺寸 a= mm 工作频率，波长 计算公式 波导波长g f0= MHz g= mm g01(b= mm 0= mm 02a )2 五．思考题

1.从TE10波场结构的概念解释波导测量线为何必须纵向开槽？ 2.组成一个常规微波测量系统并说明各元件的作用。

3

实验二、 晶体定标，阻抗测量和匹配

一． 实验目的与基本要求

1. 掌握晶体定标的方法，确定晶体的电压与电流的关系即检波率n。

2. 学会用测量线测单口网络的输入阻抗，并采用单螺调配器进行阻抗匹配。 3. 根据实验数据熟练运用圆图或公式求出待测负载的输入阻抗。

二． 实验原理和测量线路

1. 晶体定标原理

测量线技术的基本原理是通过伸入测量线中的可移动探针检取内部场的电压(即正比于场强幅值)信号来了解待测负载的驻波场分布情况，实际上，探针电压是通过晶体检波转化为电流由光点检流计指示的，因此，测量晶体的电流与电压关系即确定晶体检波率n是十分重要的基本实验，我们称之为晶体定标，原理由图2-1所示。

图2-1 晶体定标原理

IcVn （2-1）

2.负载阻抗ZL测量原理

负载位置的阻抗ZL与相差半波长整数倍参考面DT的阻抗相等，这是微波

4

阻抗周期性的特点所确定的。DT等效参考面。 而驻波最小点的阻抗

ZLmin=1 （2-2）

其中，为接负载时的驻波比，因此，测负载阻抗ZL，即变换成一个等价问题：已知Dmin的阻抗ZLmin=1（其中，Dmin是最小点位置）和距离Dmin右

边第一个DT位置，求DT处的阻抗ZL。原理如图2-2所示。

图2-2 阻抗ZL测量原理

3.单口网络调配原理

负载反射系数L0，通过无耗网络调配使输入反射系数in0，这一过程成为单口网络调配。

附录1证明了无耗网络调配有两个条件

振幅条件S22L (2-3) 相位条件22L （2-4） 或简写为S22L （2-5） 因此调配原理如图2-3所示

5

图2-3 单口网络调配原理

4.实验线路

信号源 隔离器 波长计 可变衰减器 测量线 短路板 匹配负载 被测负载 单螺调配器 图2-4 系统组成

三、实验内容与步骤

1.按图接好线路(终端接短路片)接通电源预热1分钟调整好系统，测出频率f。

f = MHz

2.去掉匹配负载换接短路片，用交叉续数法测波导波长测三次取平均 D1 D2 D3 D4 λg 第一次 第二次 第三次 平均 6

g= mm

确定等效参考面位置，记下探针深度ℎ= mm; 𝐷𝑇= ; 𝑛=12

3.探针移动到波腹位置，可变衰减器使检波计指示100。

4.在波节波腹之间取12个点电表读数2，5，10，20，•••，100。从波节点开始，将探针逐次移动到这些点，记下i1,i2,,i12，对应探针的位置读数

D1,D2,,D12。

2 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 电流指示值iK 探针位置DK DDKDT 相对电压 vsin2Dg 根据作图或者公式计算，得到检波率n。n5.取下短路板换接被测单口网络负载。 测出最大点值 Imax 测出最小点值 Imin 测出源方向最小点位置 Dmin

lgi lgv根据定标曲线求出检波率n，并根据公式求出驻波比L

L=nImax Imin多测几次L值求其平均值 L=

6.取下单口网络负载换接单螺钉调配器和匹配负载。调节单螺钉调配器的螺钉深度使之驻波比：

=L

7.去掉匹配负载换接单口被测负载，左右移动单螺钉调配器使之驻波比最小（小于1.15）。

7

四、数据处理和程序框图

1.列表记录全部数据 频率f（MHz） 𝜆𝑔 𝐷𝑇 𝐷𝑚𝑖𝑛 𝑛 𝜌(调配前) Γ Ζ 𝜌′调配后 2.画出晶体定标曲线图：直角坐标曲线图，对数坐标曲线图。最好计算机作图。

3.计算程序框图

五、思考题

1.同探针深度下的定标曲线有何不同可做实验说明。 2.根据最小二乘法如何用计算机编程求出晶体检波律n。

附 录

∗

证明无耗网络调配原理𝑆22=Γ𝐿。

2222证明：无耗网络𝑏1+𝑏2=𝑎1+𝑎2即：入射波功率=反射波功率，可得么正性

条件：

[𝑆]+[𝑆]=[𝐼]

其中[ ]+为矩阵的转置共轭，而[𝐼]为单位矩阵。对于二口互易无耗网络，无耗条件可具体写出：

|𝑆11|=|𝑆22|=√1−|𝑆12|2 2𝜑12−(𝜑11+𝜑22)=±𝜋

由S参数定义以及

Γ𝑖𝑛可以得到

2

𝑆12Γ𝐿

Γ𝑖𝑛=𝑆11+

1−𝑆22Γ𝐿

8

=

𝑏1𝑎1

，Γ𝐿=

𝑎2𝑏2

代入无耗条件有

[|𝑆22|−|Γ𝐿|𝑒𝑗(𝜑22+𝜑𝐿)]𝑒𝑗𝜑11

𝛤=0 𝑖𝑛=1−𝑆22Γ𝐿

也即

|𝑆|=|Γ𝐿|

{22

𝜑22+𝜑𝐿=0

或简写为

∗

𝑆22=Γ𝐿

9

实验三 互易双口网络参数测量

一、目的与基本要求

1.彻底理解互易双口网络参数测量的三点法原理。 2.掌握Z参数和S参数的具体测量方法。 3.了解Z参数和S参数之间的互相关系。

二、实验原理与测量线路

1.互易双口网络参数的三点法测量原理

一般的互易双口网络参数均可采用2×2复矩阵来表征，而互易条件约束了一个复矩阵参数。也就是说，互易双口网络有三个独立的复参数。

三点法测量原理即利用三个不同的已知负载，接在双口网络的输出端，再分别测出三个不同的输入端阻抗或反射系数，从而确定互易双口网络的全部参数，见图3-1。

分别测量出三 负载1 种不同的输入

端反应确定A， 𝐴𝐵负载2 ቀቁ B和C 𝐶𝐷 负载3

束条件确互易约 定（例如）D 图3-1三点法测量原理

2.互易双口网络的Z参数测量

微波互易双口网络，用归一化电压u1、u2和归一化电流i1、i2表示Z，

即

u1Z11i1Z12i2 （3-1） u2Z21i1Z22i2如图3-2所示。

注意到Z参数对于端口①和端口②是对称性定义的，它不同于A参数的

10

传输性定义，互易条件约束Z12Z21。

若利用Z1u1i1表示输入阻抗；ZL2u2i2表示输出负载阻抗，则可得

① u1

 图3-2 互易双口网络Z参数

i1 [Z]i2u2 ②

Z1Z11ZZ22ZL2221 (3-2)

现在，我们挑选三个不同的负载阻抗，ZL0、ZLj和ZLr分别表示开路阻抗（Open

circuit impedance)，j阻抗和短路阻抗（short circuit impedance），如表3-1所示。 表3-1 三种不同的负载阻抗 1ZL1 ZLZL11开路： j阻抗： 短路： 1 ZL2 j ZL2j 1 ZL20 把ZLo,ZLj和ZLs代入式（3-2）可得

ZLoZ112Z21ZZLj112 (3-3)

Zj222ZZZ21112LsZ22于是又解出双口网络参数

11

Z11ZLo(ZLoZLj)Zj22 （3-4）

(ZZ)LsLj(ZLoZLs)(ZLoZLj)2Z21(ZLsZLj)关于三个负载的具体实现，可见附录

3. 互易双口网络的[s]参数测量

微波互易双口网络，还可以用入射波a1、a2和反射波b1、b2来表征，即

b1S11a1S12a2b2S21a1S22a2如图3-3所示

①

（3-5）

a1 b1 [S] b2 a2 ②

图3-3 互易双口网络的[s]参数

[s]参数也是对称性定义，互易约束规定S12S21,如果注意到1b1示输入反射系数，L2a1表

a2b2表示负载的反射系数，则易得

2S21L2 (3-6) 1S111S22L2作为实验，还利用表3-1的三种不同反射，则有

2S21loS111S222S21 (3-7) ljS111Sj222S21lsS111S22112S()ls21lo1S1S2222 (3-8) 11S2()lolj211S1Sj2222若假设

12

klols[2(1S22)(1S22)](1j)(1S22)(1jS22) （3-9）

lolj已知，则即可导出

kj(k2)S22kj(k2)j212 (3-10) S21(lols)(1S22)21S112[(lols)(lols)S22]式（3-10）采用计算机容易接受的递推形式。

4. [Z]参数和[S]参数的等价关系 写出[Z]矩阵的关系

u[Z]i （3-11）

注意到

uab  （3-12）

iab bZ1也即

SZ1具体有

Z1a （3-13）

1Z1 （3-14）

1111S11D 1S22DZ1Z221Z12Z211Z12D1S21Z21DS12 （3-15）

Z111Z221Z12Z21 D1Z111Z22Z12Z21 （3-16）

因而，对于实验中的两组参数（在同一网络的条件下）可以互相校验。

三、实验线路和步骤

互易双口网络参数的测试框图和实验系统分别如图3-4和图3-5所示。

13

表3-2实验数据 D1 D2 D3 D4 D5 D6 三个波节点用支柱法测得两个半波长，平均后的g。 表3-3[𝑍]和[S]测量数据处理 输入阻抗(或反射) 端口负载 Lo或ZLo Lj或ZLj 𝜌 𝐷𝑚𝑖𝑛 阻抗 𝑍1 反射系数Γ1 |Γ1| 𝜃1 Ls或ZLs 根据这一数据式分别算得[𝑍]和[S]，并进行校验。 四、思考题

1、如果除了滑动短路器，再增加匹配负载Γ𝐿=0，则如何使[S]测量更加简

化？

2、如果把网络端口②作为输入端，端口①作负载，增加这样一种测量状态，是否会简化测量的计算？

图3-4 互易双口网络测试步骤图

14

图3-5确定开路负载的方法

附 录

可变滑动短路器的三种状态

Γ1𝑟，Γ1𝑗和Γ10作为可变滑动短路器的三种阻抗状态见图3-6所示。

𝛤1𝑠 𝛤1𝑗 1⁄𝜆 8𝑔 1⁄𝜆 8𝑔𝛤1𝑗 S 𝛤1𝑠 𝛤10 𝛤𝑥 𝛤10

（a） 图3-6可变滑动短路器的三种状态 （b） 15

实验四、大、中驻波比的测量

一、实验目的与基本要求

1.了解负载中等以上驻波比对于测量带来的矛盾。 2.掌握等指示法和衰减法测量中等以上驻波比的方法。

二、实验原理与测试线路

负载中等以上驻波比造成测量线上驻波图形的最大点U围很大，采用一般方法会得到如果照顾U果照顾Uminmaxmax和Umin动态范

，Umin过小无法测出；反之，如

则使Umax超过测量范围。另一方面，U的动态范围过大会造成不

同大小的U由晶体检波器获得的i其检波律n是不同的。

1.等指示宽度法测量驻波比的原理

等指示宽度法解决负载中等以上驻波比测量矛盾的办法是:不采用Umax和Umin来确定的驻波比，而采用Umin和UK，(其中UK是

Umin的适当倍数)之间对应的距离宽度W/2来确定驻波比，从而避免

了动态范围大造成的困难。

图4-1任意负载的沿测量线驻波分布曲线

任意负载驻波图形如图4-1所示。其中

IKKImin （4-1） 沿线最小点电压

12U UminU1 (4-2) 16

212 UK2W2U12cosg (4-3) 12而相应的晶体检波电流

Iminc1 (4-4)

n KImin2W2c1+2cosgn2 (4-5) n2n2 或 KImin42Wcsin2111g

式中 U—为入射波归一化电压幅值 W—为等指示宽度

g—为波导波长

—为负载反射系数模数，且

=-1 （4-6） +1由式（4-4）、（4-5）、且（4-6）有 k2ncos2WgsinWg (4-7)

如果取K=2，且认为近似平方律分布n=2，则有

1 （4-8） 12sinWg式（4-8）称之为平方律检波情况下的二倍宽度公式，若>10则有下面近似式

g  (4-9)

W2.衰减法测量驻波比的原理

衰减法利用——精密可变衰减器的动态范围取代负载中等以上驻波比的动态范围。从而解决了原有常规测法的困难。

17

图4-2 功率衰减法测量驻波比

衰减法测量驻波比的实验线路示于图4-2（a）。其方法是利用标准可变衰减测量驻波最大点和最小点的电平差，由电平差（分贝差）来计算驻波比，如图4-2（b）所示。设信号源送入标准可变衰减器的入射波电压为v0，通过波为v1，

由待测元件产生的反射波为v1，则在测量线内由v1和v1形成驻波分布。第一次把探针置于最小点上，有vmin1v11，调节检波指示器的灵敏度，使其指到某一明确而便利的读数，同时读得衰减量为Amin，则有

Aminv020lgv1v0120lg （4-10）

vmin1第二次把探针到最大点位置，并同时增加衰减量，使vmax2vmin1，即第二次检波指示器读数与第一次相等，这时读取衰减量Amax，有

v020lgv2v0120lg （4-11）

vmax2 Amax因此

AmaxAmin20lg

即

10AmaxAmin20 (4-12)

上面分析的原理表明：等指示宽度法把负载驻波比的测量转化为长度的测

量；而衰减法则是把驻波比的测量转化为可变衰减量变化的测量。

3.实验线路

18

图4-3 实验线路

三、实验内容和步骤

A.等指示度法

1.按图4-3的实验线路，端接短路板调整信号源和测量线探针的工作状态，并用波长计测出工作频率f0

2.接短路板，并用测量线按交叉读数法测出波导长g。

3.换接被测负载将测量线探针移至波节点，记下在该处的检波指示Imin,然后，按相同的方向移动测量线探针，在上述波节点两侧找出检波电流为

IKKImin(一般K=2)点记下长度DK1和DK2从而算出等指示宽度WDK2-DK1

4.如果K=2，且认为近似平方律检波按（4-8）式算出驻波比。 表4-1 等指示度法测量驻波比

f= ， g= ，Imin= ，K=

Dk1 1 2 3 4 5 Dk2 WDk2-Dk1  15=i

5i1B.衰减法测量驻波比

1.仍采用等指示度法测试线路，将测量线移至波节点，记下标准可变衰减器的衰减量𝐴1(dB)和晶体检波电流指示𝐼0.

2.将测量线移至波腹点，保持𝐼0不变，记下衰减器衰减量𝐴2.

3.按公式（4-12）计算驻波比

19

表4-2 衰减法测量驻波比 A1（dB） A2（dB） 1 2 3 4 5  15=i

5i1四、思考题

1.在等指示度法中，宽度W与驻波比的系统讨论： 在同一k的条件下愈大，W如何变化？宽度误差与驻波比误差之间的关系？

2.衰减法中，ΔA衰减误差影响驻波比的大小

3.推导探针电导gp对于衰减法测量驻波比的影响公式

20

实验五、信号源和检波器驻波比的测量

一、实验目的与基本要求

掌握信号源和检波器驻波比的测量原理和方法。

二、原理与测试线路

1. 原理

根据等效原理，信号源可以等效为一个恒压源或恒流源，原理流图5-1中把信号源等效为恒流源。图中，

图5-1 原理流图

1gyg1g  （5-1）

y1LL1Lyg和yL分别为归一化源导纳和归一化负载导纳。由电路定理可得负载端的归

一化电压为

u1 （5-2） ygyL𝑢 𝑖(1+𝛤 𝐿）1−𝛤 𝑔𝛤 𝐿

（5-1）代入（5-2）则得

𝑢=

式子

(5- 3)

𝑢 𝑖=𝑢|𝛤 𝐿=0

21

① 信号源驻波比𝜌 𝑔的测量

信号源驻波比𝜌 𝑔与负载驻波比类似，可表示为

𝜌 𝑔=

1+|𝛤 𝑔|1−|𝛤 𝑔|

(5- 4)

𝜌 𝑔通常采用“滑动终端负载法”进行测量，例如采用原理流图

5-1中③的原理线路进行测量，其方法是：滑动可变短路器， 同时用测量线探针跟踪波腹点，并观测检波电流I的最大值 𝐼𝑚𝑎𝑥和最小值𝐼𝑚𝑖𝑛，分析以上线路和测量方法时，我们可以把 “同步移动”的变短路器和测量线探针看作为一个负载，而测量线探针以前的传输线和信号源作为一个等效源，正如流图③图5-2 等效电路图 中所示，即

不难看到，这个等效负载的电压反射系数𝛤 𝐿在测量过程中始终保持不变，而等效源反射系数𝛤 𝑔的模值|𝛤 𝑔|也保持不变，任其相角𝜑是变化的，结合③式，不难看出𝐼𝑚𝑎𝑥和𝐼𝑚𝑖𝑛对应的归一化电压模值分别为

{|𝑢 𝑖|·|1+𝛤 𝐿|

|𝑢|𝑚𝑖𝑛=

1+|𝛤 𝑔||𝛤 𝐿|

|𝑢|𝑚𝑎𝑥|𝑢|𝑚𝑖𝑛

|𝑢|𝑚𝑎𝑥=

|𝑢 𝑖|·|1+𝛤 𝐿|1−|𝛤 𝑔||𝛤 𝐿|

(5- 5)

因此

=

1+|𝛤 𝑔||𝛤 𝐿|1−|𝛤 𝑔||𝛤 𝐿|

(5- 6)

假定测量线探针理想调谐(𝑏 𝑝→0)，且探针电导忽略不计(𝑔 𝑝→0)，可变短路器亦为理想反射器，则上式中|𝛤 𝐿|→1V，因此

|𝑢|𝑚𝑎𝑥|𝑢|𝑚𝑖𝑛

=

𝐼

(1+|𝛤 𝑔|)(1−|𝛤 𝑔|)

=𝜌 𝑔

(5- 7)

设探针的晶体检波律为n，由以上分析不难得出

𝜌 𝑔=(𝑚𝑎𝑥)1⁄𝑛

𝐼𝑚𝑖𝑛𝐼

(5- 8)

若为平方律检波(n=2)，则

𝜌 𝑔=√𝑚𝑎𝑥

𝐼𝑚𝑖𝑛

(5- 9)

② 检波器驻波比𝜌 𝑑的测量

大家知道，检波器的灵敏度通常比测量线探针系统要高20dB以上，而且其驻波比𝜌 𝑑与检波电流𝐼 𝑑有关。因此，𝜌 𝑑的测量不能用一般负载驻波比的测量方法来进行，而应该采用“衰减法”，其原理线路及其等效电路如原理图5-1所示。图中，定向耦合器的耦合系数C约为30dB。检波器驻波比𝜌 𝑑的测量原理与信号源驻波比测量原理的分析方法类似。如果把检波器作为负载，而线路的其余部分作为等效源，则可得原理流图5-1中的等效电路，其形式亦如图5-2所示。对等

22

效源釆用网络[S]参数分析，并考虑到定向耦合器耦合系统C约为30dB这一重要因素，将不难看到和理解，等效反射系数的模值|𝛤 𝑔|趋近于1。因此，在滑动图5-1中的可变短路器时，源反射系数模值|𝛤 𝑔|近似保持不变，而其相角φ是变化的。这同前述分析的结果是一样的。不难看到，当滑动线路中的可变短路器时，检波器输入端的归一化电压的模值将发生变化，由(3)式可得其最大值和最小值之比为

|𝑢|𝑚𝑎𝑥|𝑢|𝑚𝑖𝑛

=

(1+|𝛤 𝑑|)(1−|𝛤 𝑑|)

=𝜌 𝑑

(5- 10)

式中，𝛤 𝑑为检波器输入端电压反射系数。

如前所述，检波器驻波比𝜌 𝑑与其检波电流𝐼 𝑑有关。在𝜌 𝑑的测量过程中应使𝐼 𝑑保持不变，因此，需要采用“衰减法”进行测量。此方法与实验5类似(将在实验步骤中简述)。 2.测试线路

①信号源驻波比𝜌 𝑔的测量

图5-3 信号源驻波比的测试线路 ②检波器驻波比𝜌 𝑑的测量

图5-4 检波器驻波比的测试线路

三、实验内容与步骤

1.信号源驻波比𝜌 𝑔的测量

实验步骤

①按图5-3连接线路，调整测量线，并测量和记录信号源频率𝑓。 ②“2”口接可变短路器，滑动可变短路器（改变其刻度），同时，移动测量线探针跟踪波腹点（检波电流最大的点），记下各次的检波电流值（以便确定𝐼𝑚𝑎𝑥和𝐼𝑚𝑖𝑛）。

③填写表1，并计算𝜌ｇ。

（计算中可认为探针晶体为平方律检波，即n=2）

2.调配检波器，使其驻波比尽可能小，并测出最后的驻波比𝜌ｄ。

23

实验步骤

①按图5-3在测量线输出端接上检波器加大衰减，为防止功率太大打表。这时调整检波器短路活塞和双螺调配器𝐼ｄ指示最大。

②按图5-4连接线路减少衰减，其中“3”口接匹配负载，调整检波器，使检波电流𝐼ｄ尽可能大，锁住调配装置。

③把付臂的负载去掉“3”换接可变短路器，调整可变短路器。调整短路器使检波器指示𝐼ｄ在最大时保持在给定值如𝐼ｄ𝑚𝑖𝑛=40格。记下标准衰减器的衰减量𝐴𝑚𝑖𝑛。再调短路器使𝐼ｄ出现最大值，增加标准衰减器的衰减量使𝐼ｄ𝑚𝑎𝑥=40，读取相应的𝐴𝑚𝑎𝑥。计算

𝜌ｄ=10

𝐴𝑚𝑎𝑥−𝐴𝑚𝑖𝑛20

④重复以上测量，共进行三次测量，并填写表2和计算𝜌ｄ的测量值。

四、数据处理

1.信号源驻波比𝜌ｇ的测量

表5-1同步滑动可变短路器和测量线探针时波腹检波电流𝑰的变化情况 N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 𝑓0= 𝐼𝑚𝑎𝑥= 𝐼𝑚𝑖𝑛=

𝜌ｇ=√𝐼𝑚𝑎𝑥⁄𝐼𝑚𝑖𝑛=

2.检波器驻波比𝜌ｄ的测量

表5-2 衰减器衰减量变化及𝝆ｄ的计算

N 𝐴𝑚𝑎𝑥𝑑𝐵 𝐴𝑚𝑖𝑛𝑑𝐵 𝜌ｄ𝑖=10𝐴𝑚𝑎𝑥−𝐴𝑚𝑖𝑛201 𝑓= 𝐼0=

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2 3

1

𝜌ｄ=∑𝜌ｄ𝑖=

3𝑖=1

3

五、思考题

1.试推导（3）式，并讨论其物理意义。

2.短路活塞法测量信号源驻波比𝜌ｇ，如果测量线探针理想调谐（bg0），任探针电导gg不能忽略不计，试讨论gp引起的误差。（试推导绝对误差的表示式，并讨论之）

3.试讨论应用“衰减法”对检波器进行晶体定标的方法。

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实验六、微波频率测量

二、 实验目的与基本要求

1、了解微波频率测试系统的组成；

2、了解微波频率测试的基本工作原理及操作方法； 3、分析微波频率测量的误差来源；

4、掌握交叉读数法测量波导波长的方法。

二．实验原理与测量

微波频率测量是微波信号特性参数测量的重要参数，测量方法很多，微波频率计、微波频谱仪、测量线、波长计等都可以测量微波频率。

实验室测量频率的系统组成如图6-1，将测量线的检波输出接头取下，接在波长计的检波输出端。

波长计检波器选频放大器微波源隔离器定向耦合器极化衰减器测量线

图6-1实验系统组成

就上述测量系统而言，测量频率可以有三种方法：第一种为波长计法，调节波长计的谐振腔，当波长计谐振频率与信号源频率一致时，选频放大器输出最小，此时波长计指针所指的频率即为信号源频率；第二种方法是直接观察微波信号源显示的输出频率；第三种方法，将检波输出头接回测量线的检波输出端，测量线输出端接短路片，此时测量线上为驻波分布，选择相邻的两个波节点，采用支柱法测量信号波长（=2D），此时频率为fc。将三种测量方法得到的频率值填入下表：

测量方法 相邻波节点位置： 微波源显示： 波长计显示： 频率f： 第一种方法 第二种方法 第三种方法 三．思考题

三种方法测量频率结果是否一致？分析测量误差有哪些因素。哪种方法测量频率更加准确？如何使波长计测量频率更加准确？

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实验七、微波功率测量

一、实验目的与基本要求

1、了解微波功率测试系统的组成；

2、了解微波功率测试的基本工作原理及操作方法； 3、分析微波功率测量的误差来源及校准。

二．实验原理

微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数。测量方法一般分为终端式

和通过式两种，实验室测量方法由于功率不大，多为终端式。系统组成目前有两种，一种是波导功率测量，如图7-1；一种是同轴线功率测量，如图7-2。

波长计检波器选频放大器功率计测量线功率探头微波源隔离器定向耦合器精密极化衰减器 图7-1实验测试系统组成一

功率探头微波信号源微波功率计 图7-2实验测试系统组成二

如图7-1测量系统，先将精密极化衰减器衰减量调大，直接将功率探头接在测量线输出端界面上，调节功率计量程，减小极化衰减器的衰减量，直到功率计显示要求的功率值。显示可以是毫瓦或dB毫瓦可选。测量时注意要将功率计面板上的校准系数打到相应频率要求的数值上，以保证测量值的精度。

如图7-2测量系统，先将微波信号源的频率与功率在面板上设置好，接上微波功率探头（注意探头量程），打开微波信号源的输出开关，在微波功率计面板上读取微波功率指示。由于现代微波功率计已将校准过程做在了机器内部，所以测量时功率计已经对系统进行了校准，所以不用考虑校准系数。

三、实验内容与步骤

图7-1波导测试系统，将功率计探头接到测量线输出端，调节功率计显示模式（毫瓦、dB毫瓦、毫伏/50）；调节极化衰减器增加输出功率大小，在功率计上读出功率显示值Pb；将功率探头及主机看成负载，用测量线测量这个负载的反

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射系数L，功率计面板校准系数Kb，算出实际负载吸收功率PL（假定信号源匹配）。

图7-2同轴测试系统，将功率计探头接到微波信号源输出端，调整输出的频率与功率，连续波输出。打开信号输出开关，观察功率计测量的功率值与信号源输出值的一致性。如果不一致，分析误差原因。

四、思考题

1、设某功率计探头的驻波比为1.5，用它测出匹配信号源输出功率为8mW，求失配误差失配=？ Pa？若要求失配误差不超过1%，对探头驻波比应提出什么要求？若信号源不匹配，g1.3，求向无反射负载输出功率P0？Pa？若

g1.05，P0？Pa？（求出功率误差范围）

2、发射机输出驻波比为1，天线负载的驻波比为1.3，用终端型功率计代替天线测得发射机输出功率为2W，功率探头驻波比为1.5。求天线吸收功率是多少？

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实验八、微波网络分析仪原理、校准及滤波器指标测量 一、实验目的：

1、对矢量网络分析仪AV36580A的组成、原理和使用系统了解； 2、掌握矢量网络分析仪AV36580A的校准方法。 3、滤波器测量。

二、实验原理：

一般矢量网络分析仪组成及原理:

网络分析仪接收机：

网络分析仪传输测试信号流程：

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网络分析仪反射测试信号流程：

AV36580A整机框图：

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AV36580A矢量网络分析仪用于测量器件和网络的反射和传输特性。整机主要包括300kHz～3GHz信号源、7.5MHz～3GHz本振源、S参数测试模块、本振功分混频模块、数字信号处理与嵌入式计算机模块和液晶显示模块。S参数测试装置模块用于产生参考信号，分离被测件的反射信号和传输信号：当源在端口1输出时，产生参考信号R1、反射信号A和传输信号B；源在端口 2输出时，产生参考信号R2、反射信号 B和传输信号A。本振功分混频模块将射频信号转换成固定频率的中频信号，本振源和信号源锁相在同一个参考时基上，保证在频率变换过程中，被测件的相位信息不丢失。在数字信号处理与嵌入式计算机模块中，将模拟中频变成数字信号，通过计算得到被测件的幅相信息，这些信息经各种格式变换处理后，将结果送给显示模块，液晶显示模块将被测件的幅、相信息以用户需要的格式显示出来， AV36580A面板介绍及注意事项：

前面板如图所示，包括右边多个按键功能区及其USB接口 、左边显示区、和下边测量端口。

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1 调节键区

包括导航键和调节旋钮。

旋转旋钮可以调节当前激活输入框的设置值。

【←Tab】和【→Tab】键在矢网程序操作界面中向左或向右移动选择菜单；在矢网程序操作界面的对话框中切换激活的选项。【↑】和【↓】键在矢网程序操作界面的菜单中上下移动选择菜单项或更改数值。【点击】键与鼠标点击的功能相同。

2 功能键区

进行仪器系统的操作。

【功能 1】键：记录某次测量的操作过程的快捷键（只有用前面板按键操作时才记录有效）。

【功能 2】键：记录某次测量的操作过程的快捷键（只有用前面板按键操作时才记录有效）。

【帮助】键：打开分析仪的用户手册（内嵌文档）。

【回调】键：用于调用包含分析仪状态、校准数据和测量数据的文件。

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【打印】键：启动打印功能，选择打印设置和打印机进行打印。 【宏/本地】键：当分析仪处于外控状态时，按这个键可以使分析仪重新响应前面板按键；当分析仪处于正常工作状态时，按这个键可以访问一组与可执行文件关联的用户定义的宏。分析仪最多可以命名和存储 10个宏。为了使用宏功能，必须将运行宏所必需的应用程序可执行文件安装在分析仪的硬盘上。

【保存】键：用于将仪器状态、校准数据或测量数据保存到指定的文件中。

【系统】键：进行一些系统相关的配置，软件语言的选择等。 【复位】键：复位分析仪到默认（预定义）状态。 3 响应键区

进行测量数据轨迹的各种操作。

【测量】键：用来选择测量的 S参数类型和任意比值或非比值功率测量类型。

【格式】键：用来选择分析仪显示测量数据的格式。 【比例】键：设置分析仪显示测量轨迹的比例。

【显示】键：可以创建新的窗口，选择或激活现有窗口，也可以

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进行显示的各种设置。

【平均】键：通过【平均】键可以使用测量平均功能降低噪声。当指定平均因子后，分析仪通过执行指定次数的复指数扫描平均来减小随机噪声对测量结果的影响。

【校准】键：可以启动测量校准，进行功率校准等操作 4 轨迹/通道键区

在仪器的显示上管理轨迹和通道。

【上一轨迹】键：激活上一条轨迹曲线。 【上一通道】键：激活上一通道的曲线。 【下一轨迹】键：激活下一条轨迹曲线。 【下一通道】键：激活下一通道的曲线。

【轨迹】键：会显示相应的轨迹软键菜单，按相应的软键就可以进行创建、删除或选择激活轨迹等。

【通道】键：显示相应的通道软键菜单，通过相应的软键进行通道管理。

5 激励键区

决定所测量的数据的范围、扫描类型或者触发模式等。

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【起始】键：用于设置起始频率值范围和频率偏移。 【终止】键：用于设置终止频率值。 【中心】键：用于设置中心频率值。 【跨度】键：用于设置频率范围。

【扫描设置】键：用于选择信号源扫描的方式和与之相关的各种属性。

【触发】键：用于设置如何开始一个已初始化的扫描测量。 6 光标/分析键区

控制各个方面的数据分析，包括光标和数学运算等。

【光标】键：用来激活光标和设置光标的激励值，光标能够提供测量结果的数字读数。分析仪最多支持 9个光标和参考光标 R。

【搜索】键：提供光标搜索功能，如果没有光标显示，按这个键将激活一个光标。

【存储】键：设置分析仪对测量数据进行的数学运算和存储操作。 【分析】键：包括极限测试、轨迹统计、门、窗和时域变换等功

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能。

7 输入键区

这些按键用来输入测量设置值。

【确定】键：用于确认对话框中的设置和输入值并关闭对话框，相当于按对话框中的“确定”按钮。

【取消】键：忽略对话框中的设置和输入，关闭对话框，相当于按对话框中的“取消”按钮。

【菜单/对话框】键：按【菜单/对话框】键后，可以用导航键浏览菜单。按该键后，再按前面板的功能按键，可以快速打开功能设置对话框。例如按【菜单/对话框】键，再按【搜索】键，可以打开搜索设置对话框。

【退格/←】键：输入数值后按此键光标后退删除原先的输入。 数字键：包括 0-9的数字，在设置测量时用来输入数值，然后按对应的单位键完成输入。

单位键：用来结束数值输入，并给输入值分配一个单位，各键对应的单位如下：

【G/n】吉/纳（109/10-9） 【M/μ】兆/微（106/10-6）

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【k/m】千/毫（103/10-3）

基本单位：dB、dBm、度、秒、Hz或 dB/GHz，也可以用

于无单位数值的输入，并具有回车键的功能。

对分析仪进行设置需要输入数值时，完成数字输入后必须按单位键完成数值设置，当输入无单位的数值时，按

键结束数值输入。

当使用外接键盘时，按与单位对应的字母键完成数值设置。

十进制小数点键：当输入带小数位的十进制数值时，用来输

入十进制的小数点。

【+/-】正号/负号键：输入数值前按此键用来触发输入是正值还是负值。

8 软键

和前面板其他功能区的按键配合使用能在不用鼠标的情况下很容易的进行仪器的所有的操作。

•有一个附加键可以作为用户键来使用。

•按前面板的任何一个按键就可以调出和该按键相关的软键菜单。

10

显示屏幕

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11 测量端口

分析仪的测量端口是两个 N型阴头端口，可以在射频源和接收机之间相互切换，以便在两个方向上对被测器件进行测量，黄色灯用来指示当前的源输出端口。

端口输入损毁电平：射频功率：+26dBm，DC电压：±30V仪器端口损坏极限电平：+26dBm射频功率或±30V直流电压，超过以上范围的输入可能烧毁分析仪。

端口所接测试电缆为低耗稳相电缆,连接使用时切记不能打弯,与设备和被测件连接时,手托电缆,只旋转接头的外导体，保持电缆不转。

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将两个连接器平直地移到一起，使它们能平滑接合，旋转连接器的螺套（注意不是旋转连接器本身）直至拧紧，连接过程中连接器间不能有相对的旋转运动。

三、校准方法及步骤：

（一）、连接好测试电缆，打开电源，熟悉控制面板各按键的功能作用，学会设置各种测量状态。

a选择测量参数 b设置频率范围 c设置信号功率电平 d设置扫描 e选择触发方式 f设置数据格式和比例

g观察多条轨迹和开启多个通道 h设置分析仪的显示

（二）、校准原理及方法：

什么是校准

校准利用误差模型来消除一项或多项系统误差，分析仪通过测量高质量的校准标准（如开路器、短路器、负载和直通件）求解误

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差模型中的误差项。测量时要根据测量参数和测量精度的要求选择合适的校准方法，通过分析仪的校准向导可以完成各种类型的校准。

校准后的测量精度取决于校准标准的质量和校准件定义文件中校准标准的模型定义精度。校准件定义文件保存在分析仪中，为了确保测量的精度，实际所用的校准件必须与校准件定义文件中的定义一致。如果用户使用自己定制的校准件（如进行夹具测量校准），必须正确的进行校准标准的定义，在用户校准件定义文件中进行校准标准的定义。

为什么要进行校准

制作不需要任何误差修正、理想的分析仪硬件电路是不可能的，即使这些硬件电路能够做得特别好，可以忽略误差修正的需要，费用也将是极其昂贵的。另外，分析仪的测量精度很大程度上受分析仪外部附件的影响，测试的组成部分如连接电缆和适配器幅度和相位的变化会掩盖被测件的真实响应，必须通过校准去除这些附件的影响。因此权衡硬件的性能和成本，将硬件做得尽可能好，并通过校准来提高测量精度是最好的方法，校准的简要过程如下： a） 按测量要求连接分析仪和被测件，选择合适的分析仪设置优化测量。

b） 移走被测件，利用校准向导选择校准类型和校准件。 c） 按照校准向导的提示，连接已选校准类型中需要的校准标准进行测量。分析仪通过对校准标准进行测量计算出误差项，存储在分

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析仪的内存里。

d） 连接被测件进行测量，当在器件测量中打开误差修正时，误差项的影响将从测量中被去除。 （三）、校准方法： 启动校准向导进行校准

使用鼠标单击[响应]，在[校准]子菜单中单击[校准向导...]，显示校准向导对话框：

如果需要设置校准的频率范围，在校准向导对话框中单击[校准频率]按钮，显示频率 起始/终止对话框，完成频率设置后单击[确定]按钮关闭频率 起始/终止对话框：

在校准向导对话框中单击[校准类型]按钮，显示校准类型对话框，选择全双端口SOLT选项后单击[确定]按钮关闭校准类型对话框：

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在校准向导对话框中单击[测量机械标准]按钮，显示测量机械标准对话框（默认校准件AV20201）：

打开校准件盒，取出开路、短路、匹配校准件，分别接入端口1、端口2，并分别点击左右开路、短路、匹配按钮，使校准标准的按钮变成绿色。取出直通校准件连接端口1和端口2，点击直通按钮并使其变成绿色。最后点击确定，完成校准。

四、滤波器指标及测量方法： 第一节 设置测量参数 1 选择测量参数

带通滤波器常规指标为：中心频率、3dB带宽、插入损耗、带内纹波、带内驻波、阻带衰减等，测量数值为S11、S12、S21、S22四项网络参数。操作如下：

1）开机：按一下分析仪前面板左下角的【开机/待机】键，不要长按或按住不放。电源指示灯呈绿色，分析仪大约1

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分钟时间启动Windows XP系统、执行一系列自检和调整程序后，开始运行测量主程序。

2）在轨迹/通道键区按【轨迹】键，在屏幕右侧显示的软键菜单中按 [新建轨迹…]对应的软键，显示新建轨迹对话框。

3）按调节键区【Tab】键切换到[更多类型]按钮，按【点击】键，显示新建轨迹对话框。

4）按调节键区【Tab】键切换到[源]框，按【↑】、【↓】键或旋转旋钮选择分析仪的源输出端口为1。

5）按调节键区【Tab】键切换到[比值类型]，按【点击】键勾选复选框。

6）按调节键区【Tab】键切换到输入区，按【↑】、【↓】键或旋转旋钮选择比值测量的输入接收机。

7）按调节键区【Tab】键切换到参考区，按【↑】、【↓】键或旋转旋钮选择比值测量的参考接收机。

8）按输入键区【确定】键关闭对话框。 2 频率设置

1）单击[激励]，在激励菜单中指向[频率]，单击[起始/终止...]菜单项，显示频率起始/终止对话框。

2）单击[起始]框，输入起始频率值500MHz。 3）单击[终止]框，输入终止频率值1500MHz。。 4）设置完成后单击[确定]按钮关闭对话框。 3 功率设置

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1）单击[激励]，在激励菜单中单击［功率...］,显示功率对话框。

2）单击[测量端口功率]框，输入端口1的功率电平。端口功率默认情况下是耦合的，所以也设置了端口 2的功率电平。设置功率电平为0dBm

3）单击［确定］按钮关闭对话框。 4 扫描设置

1）在激励键区按【扫描设置】键，在相应的软键菜单中按[扫描类型]对应的软键。

2）按[线性频率]对应的软键选择该扫描类型。

3）在激励键区按【起始】键，在起始频率框输入起始频率：300MHz，在激励键区按【终止】键，在终止频率框输入终止频率：1800MHz。

4）在激励键区按【扫描设置】键，再按[扫描点数]对应的软键，在扫描点

数框输入扫描点数800。选择点数800是使测量轨迹连续。但点数太多会影响测量速度。

5）单击[确定]按钮关闭对话框。 5 触发设置

1）单击[激励]，在激励菜单中指向［触发］，显示触发子菜单。

2）在子菜单中点击勾选的触发方式：连续。显示格式：

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格式：对数幅度

3）单击[确定]按钮关闭对话框。 6 设置数据格式和比例 1）设置数据格式：

a）在响应键区按【格式】键显示对应软键工具栏。 b）按相应的软键选择需要的格式：对数。 c）单击[确定]按钮关闭对话框。 2）设置：比例

a）按响应键区的【比例】键显示相应的软键工具栏。 b）按[自动比例]对应的软键，分析仪将自动设置合适

的比例和参考电平。

c）按[比例]对应的软键，在[比例]框中设置合适的比

例值。

d）按[参考值]对应的软键，在[参考值]框中设置参考

电平值。

e）按[参考位置]对应的软键，在[参考位置]框中设置

合适的参考位置。

7 观察多条轨迹和开启多个通道

7.1 多条轨迹设置

1）单击[响应]，在响应菜单中指向[显示]，在子菜单中

选择[测量设置]。

2）在弹出的对话框中选择需要的预配置测量。设置 A

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在窗口1中创建四条轨迹：S11、S21、S12、S22，对数幅度格式，通道1设置。

7.2 窗口设置

1）使用前面板按键在响应键区按【显示】键显示软键工具栏。

2）按相应的软键选择需要的窗口排列方式，选择单窗

口。

8 设置分析仪的显示

1）按响应键区【显示】键出现相应的软键工具栏，按[更多]对应的软键。

2）在出现的软键工具栏中按[状态栏开|关]对应的软键打开状态栏显示。 第三节 滤波器测量

指定调试的滤波器为同轴五腔带通滤波器，见下图五腔带通滤波器。技术指标见下表。五腔带通滤波器：

技术指标

调试参数 中心频率 指 标

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带宽 插入损耗 带内纹波 带内驻波 0.3 dB 0.1 1.15 780MHz 20MHz 实验九、微波频谱仪、微波信号源原理及使用 一、实验目的：1、了解微波频谱仪，信号源的工作原理 ；

2、掌握频谱仪、信号源的基本使用。

二、实验原理：

（一）微波频谱仪的组成及工作原理：

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以AV4037为例：

1、 系统控制区：

包括【复位】、【系统】、【文件】和【帮助】4个按键。系统控制功能，用于数据信息保存调用，对系统默认初始状态、校准和外设通讯方式等进行设置。频谱分析仪前面板上唯一的绿色键为【复位】键，唯一的黄色键为【帮助】键。【系统】键在程控时，起【本地】键的作用。 2、 软键区：

频谱分析仪前面板上显示屏右侧有七个没有标识的白色键。

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这些键被称为“软键”。每个软键所对应的功能显示在该键左侧的显示屏上。这些功能与用户激活的软菜单相关。按下软键，其对应功能将会高亮度显示。这七个软键从上到下依次命名为：软键1、软键2、……、软键7。软键上方有一个【返回】键，按下【返回】键，软菜单将返回到相应的上一级菜单。 3、分析设置区：

分析设置区包含9个键，分别为：【频率】、【频宽】、【幅度】、【带宽】、【轨迹/检波】、【关联】、【测量】、【扫描】、【触发】。通过设置这些键完成与测量有关的功能。 4、频标功能设置区：

频标功能设置区包含3个键，分别为：【频标】、【频标→】、【峰值】。通过设置这些键实现与频标相关的各项功能。 5、 旋轮及方向键和回车键：

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通过顺时针或逆时针旋转旋轮增大或减小激活参数的数值；通过上

下键增大或减小激活参数的数值。在频谱分析仪出现对话框时，左右键可以改变光标的位置。回车键的作用与计算机标准键盘回车键相同。

6、数字键区：

通过数字键区可以对选择的参数进行修改，输入完数字，在软菜单中选择相应的单位即可将数据输入。

退格/负号键：在激活输入区，且输入区有数据的情况下，光标位于数据最前端时，点击该按键清除全部字符；光标位于数据其他位置时，点击该按键清除光标之前的一个字符。在激活输入区，且输入区没有数据的情况下，点击该按键将实现负号输入。

Shift键、Ctrl键、Alt键、Del键：功能与标准键盘对应键相同。 7、 射频输入端口：

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射频输入端口位于前面板的右下方。其下方标注了频谱分析仪对输入信号的要求。※电源严格接地，输入绝不能有直流。 （二）微波信号源功能及特点：

AV1441微波信号源原理框图：

功能：

1、产生连续波信号：信号发生器生成一个连续波正弦信号，信号频率和功率电平由用户设定。

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2、扫频信号：信号发生器的输出信号在一定频率和功率范围内扫频，具有步进扫描和列表扫描两种方式。

3、模拟调制信号：信号发生器使用模拟基带信号调制射频微波，提供脉冲调制、幅度调制和频率调制三种调制方式，并可以组合使用。 特点：

1、频率范围：9KHz～6GHz 2、动态范围：-127～+10dBm

3、标配内部调制发生器，全面的幅度调制、频率调制和脉冲调制。

4、步进、列表两种扫描方式。

5、中英文操作界面，LED大屏幕真彩液晶显示。

三、实验内容：

1、熟悉频谱仪和微波信号源面板操作。

2、连接频谱仪和微波信号源，分别输出调幅波、调频波和脉冲调制波，观察各调制波的频谱图。 如图连接：

调频波频谱：

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脉冲调制频谱：

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