微波技术实验指导 - 报告2017

Harbin Institute of Technology

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哈尔滨工业大学

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微波技术 实验报告

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

v(z,t)?V(z)ej?t而两个方程式的解可写成

i(z,t)?I(z)ej?tV(z)?V?e??z?V?e?z (1-1) I(z)?I?e??z?I?e?z(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。

+

-+-

??(R?j?L)(G?j?C) (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。

dVdI??(R?j?L)?I??(G?j?C)?V (1-4)

dzdz将式（1-1）及（1-2）代入式（1-3）可得

V????IG?j?C

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

V?V??R?j?LZO??????IIG?j?CG?j?C

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

L??j??j?LC , ZO?C

單位長度

图1-1单位长度传输线之等效电路

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。

??j?LC?LC?RG???????j?（1-5） 2?LC?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?RG?1??j?LC, ??????(RYo?GZo)

2?LC?2其中Y0定义为传输线之[特性导纳](Characteristic Adimttance),其公式为

1CYO??ZOL

（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=jβ，则传输线上电压及电流方程式可以用下列二式表示。

???z?I?e?z V(z)?V?e??z?V?e?z , I(z)?Ie

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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?VL?V??V? (1-6)

I?IL?I??I? (1-7)

而且ZoI??V?,ZoI??V?，所以式（1－7）可改写成

1IL?(V??V?) (1-8)

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

VLV??V?ZL??Zo(?)? ILV?V定义[归一化阻抗]（Normalized Load Impedance）

ZL1??LzL?ZL??

Zo1??L其中ΓL定义为负载端的[电压反射系数]（Voltage Reflection Coefficient）

V?ZL?1?L???

VZL?1当ZL = ZO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（]Voltage Standing Wave Ratio）及[回波损耗]（Return Loss）。

VSWR?1??L1??L，RL??20log(?L)

（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

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V?e?j?LV??j2?L?(L)??j?L??e??L?e?j2?L

VeV而其[输入阻抗]则可定义为

ZL?jZotan(?L)Zin?Zo

Zo?jZLtan(?L)由上式可知，

（a） 当L ?∞时, Zin?Zo. （b） 当L =λ/2时, Zin=ZL.

2（c） 当L=λ/4时，Zin =Zo/ZL.

（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)??L?e?2?L?j2?L

而其[输入阻抗]则改成为

ZL?jZotanh(?L)Zin?Zo

Zo?jZLtanh(?L)三、实验仪器及装置图

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

2模组内容： 代号 名称 说明 适用频率范围 主要特性 MOD-1A OPEN 开路传输线 50-500MHz Return Loss ≤ 1dB MOD-1B SHORT 短路传输线 50-500MHz Return Loss ≤ 1dB MOD-1C THRU 50Ω微带线 50-500MHz Return Loss ≥ 15dB Insertion Loss ≤ 0.5dB 3 RF2000测量主机：一台 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S11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

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