初探微波实验所需仪器创新课程实验论文.doc

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1、创新课程实验论文初探微波实验所需仪器姓名： 学院：电子信息科学与技术学院专业：电子信息工程 学号： 目录摘要3关键字3正文3一、3CM波导测量线31、仪器的结构和工作原理32、仪器的使用和维护43、大驻波系数的测量6二、HFSS软件61、简介（Brief Introduction）62、Ansoft HFSS的应用领域63、通过HFSS可以获取的信息64、HFSS软件的求解原理75、HFSS的操作界面和菜单功能介绍8三、矢量网络分析仪91、简介92、矢量网络分析仪的测量原理93、矢量网络分析仪的结构组成114、矢量网络分析仪的误差修正12总结：13【参考文献】13摘要本文主要是通过对3CM波导

2、测量线、HFSS软件以及矢量网络分析仪的用途、功能、原理和使用方法的研究学习，对微波实验仪器有了更加多的认识和了解，为毕业设计的理解、学习以及实验有了更进一步的认识。关键字3cm波导测量线 HFSS软件 矢量网络分析仪 结构 工作原理 测量 误差修正 使用方法正文通过创新实验课程的学习，让我与神奇的微波世界哟了不一样的认识，使我对微波实验有了更深的了解。在课程中，老师悉心的为我们讲解每台可能用到的微波实验仪器的功能，带领我们进入了一个完全不一样的微波世界，使得对以后的学习和实验充满了兴趣与热情。在课程之后，我又查阅了大量的相关资料，更深一步的了解了各微波实验仪器的原理、功能以及使用方法，对尚不

3、明白的部分做了补充了解。下面就即将在毕业设计中可能用到的相关进行简单的介绍。一、3cm波导测量线三厘米波导测量线是用于探测在三厘米波段的波导中驻波分布情况的仪器，通常用来测量波导元件、波导系统的驻波系数、阻抗，还可测量波导波长、相移等多种参数，是一种通用的微波测量仪器。1、仪器的结构和工作原理三厘米波导测量线由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。其中，开槽波导中的场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑动架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。外形如图1所示。图1三厘米波导测量线测量线开槽波导是一段精密加工的开槽直波导，此槽位于波导宽边的正中央，平行于波导轴线，不切

4、割高频电流，因此对波导内的电磁场分布影响很小。此外，曹端还有阶梯匹配段：两端法兰具有尺寸精确的定位和连接孔，从而保证开槽波导又很低的剩余驻波系数。安放在滑架的探头插孔中。不协调探头的输出为B N C 接头，检波二极管是经过改造的同轴检波管，其内导体作为探针伸入到开槽波导中，因此探针与检波晶体之间的长度最短，从而可以不经调谐而达到电抗小、效率高、输出相应平坦。为减少探针反射对测量造成的误差，可以松开不调谐探头刻有“锁紧”字样的打滚花螺母，将不调谐探头稍稍提起些，使不调斜探头插入波导中的深度约为1mm左右，再拧紧此滚花螺母。此时，不调斜探头的灵敏度将降低，若指示太小，可通过增加微波信号功率或提高指

5、示器灵敏度来解决。2、仪器的使用和维护测量线可用来测量开槽线上个点的相对场强级参考面位置，从而计算传输线上的电压驻波系数及其复数阻抗。下面介绍一下驻波系数的测量方法、如何确定参考面以及怎样进行检波律的修正，并给出常用的测量方框图等。常用的测量方框图如图2所示信号源隔离器可变衰减测量线被测元件测量放大器短路板、可变电抗图2常用测量系统方框图注意：为了保护测量线中的检波二极管，系统连接完成后，请检查所有仪器、元器件保证有统一的接地，信号源应有足够的功率输出。隔离器是用来保护信号源的，而可变衰减器可用来调节需要的功率输出，测量线可用来记录传输线的工作状态。最简单得测量方法就是替代法：未知的被测元件在

6、测量线上如果与标准可变电抗二者的检测特性具有一致性，那么课确定其等效参数。显而易见，这种测量方法是具有频率敏感性的，即我们只能检测到某个频率点的频率特性。为此在信号源端可以采用扫频信号源，为了增加系统读书的可靠性，我们还将测量线所测得的信号电流放大来获取读数，如果将信源与读数用全自动电脑控制，开发系统软件，就可构成全自动测量系统。下面我们通过一些实际测试例子进一步了解其工作原理。按照电压驻波系数的定义，只要一动测量线探头，找出一组相邻的最大电压Emax和最小电压Emin，将二者相比即可得出电压驻波系数。但实际测量中，隐探针拾取的高频电压是经二极管检波后才输入到测量放大器上显示的，我们读到的数值

7、是测量放大器等分刻度上驻波最大点相应的读数Umax和驻波最小点相应的读数Umin。而在一般情况下，检波器具有平方率相应。1） 检波律校准曲线由于检波二极管的检波律不一定是2，而且会变化，为了精确测量，需作二极管检波校准曲线。具体方法如下：l 将测量输出端接短路板；l 调节信号源加到测量线上的微波功率，使放大器或指示器的指示最大，最好为满刻度，并检查驻波图形的对称性；l 用交叉读书法确定相邻两节点的距离，求出波导波长g；l 在从波节到波腹的/4，分为10个等距间隔，即确定10个测试点，找出每个测试点上对应的放大器或指示器的读数；l 根据所测数值，画出E(I)曲线，即检波校准曲线。2） 参考面位置

8、的确定在测定波导波长，确定呗测负载的阻抗或反射系数相角时，均需要测定参考面位置。由于驻波最小点附近的电压变化一般要比最大点附近尖锐，加上最小点电纳的影响较小，所以参考面通常一最小点的位置为依据。通常是在测量线的输出端口接短路板，移动测量线探针，在最接近输出端口用交叉读书法找出驻波的最小点作为测量的参考面。3、大驻波系数的测量当被测件的驻波系数很大时，驻波波腹点与波节点的点评相差较大，在一般的指示仪表上很难将两个电平同时准确读出。晶体检波律对于相差较大的两个电平可能也不同，因此不能通过将它们相比来求出驻波系数。一般有以下两种测量方法：功率衰减法和二倍最小值法。二、HFSS软件1、简介（Brief

9、 Introduction） Ansoft HFSS（全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高

10、速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。2、Ansoft HFSS的应用领域1）天线 a) 面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线 b) 波导：圆形/矩形波导、喇叭 、波导缝隙天线c) 线天线：偶极子天线、螺旋线天线 d) 天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）、 e) 雷达散射截面（RCS） 2）微波 a) 滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 b) EMC（Electromagnetic Compatibility ）/EMI（Electromagnetic Intergerence ）：屏蔽罩、近

11、场远场辐射 c) 连接器：同轴连接器底板、过渡 d) 波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器 e) Silicon/GaAs：螺旋电感器、变压器 3、通过HFSS可以获取的信息1) 矩阵数据：S、Y、Z参数和VSWR（匹配）2) 相关的场：2D/3D近场远场图电场、磁场、电流（体/面电流）、功率、SAR辐射3）某空间内的场求解 求解类型：Full-wave 求解原理：3D有限元法（FEM） 网格类型：等角的 网格单元：正四面体 网格剖分形式：自适应网格(Adaptive Meshing)4）激励：端口求解 求解原理：2D-FEM 形式：自适应网格（边界条件）4、HFSS软件的求解原理总体来说

12、，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S矩阵，具体步骤如下：l 将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）l 在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式l 假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式l 由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵图3求解流程图自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。初始网格是基于单频波长进行的粗剖分，然后进行自适应分析，利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差（收敛性判断），再对这些区域的四面体网格进行细化（进一

13、步迭代），并产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程（求解误差分析（收敛性判断）自适应细化网格）直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果正在进行扫频，则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。图4自适应网格（总体与局部）5、HFSS的操作界面和菜单功能介绍Ansoft HFSS的界面主要包括：菜单栏（Menu bar）、工具栏（Toolbars）、工程管理（Project Manage）窗口、状态栏（Status bar）、属性窗口（Properties window）、进度窗口（Progress window）、信息管理（Message Manage）窗口和3D模型窗口（3D Modeler W

14、indow）。 图5Ansoft HFSS的操作界面菜单栏（Menu bar）绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。工具栏（Tool bar）对应菜单中常用的各种命令，可以快速方便的执行各种命令。 工程管理（Project Manage）窗口显示所以打开的HFSS工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等。 状态栏（Status bar）位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息。 属性窗口（Properties window）显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选条目的特性或属性。 进度窗口（Progress window

15、）监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。 信息管理（Message Manage）窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息。 3D模型窗口（3D Modeler Window）是创建几何模型的区域，包括模型视图区域和历史树（记录创建模型的过程）。 三、矢量网络分析仪待添加的隐藏文字内容31、简介网络分析是指设计制造人员和制造厂家对较复杂系统中所用元件和电路的电器性能进行测量的过程。这些系统传送具有信息内容的信号时，我们最关心的是如何以最高效率和最小失真使信号从一处传到另一处。矢量网络分析是通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度和相位的影响来精确表征元件特征的一种方法。网络分析仪是微

16、波电路设计和测试工程师必不可少的测量仪器。矢量网络分析仪在科研生产中起着非常重要的作用，广泛适用于天线测试、电路测试、原器件测试和计量检定等领域。进行可靠地网络测量必须深刻理解网络分析仪和要测量的器件或电路。图6 矢量网络分析仪2、矢量网络分析仪的测量原理众所周知，网络分析仪有标量网络分析仪和矢量网络分析仪之分。标量网络分析一只能测量网络的幅频特性，而矢量网络分析仪科研同时测量被测网络的幅度信息和相位信息。矢量网络分析即是通过测量被测网络对频率扫描和公路扫描测试信号的幅度与相位的影响，来精确表征被测网络的一种方法。1) 发射和传输在网络分析的基本形式中，包含测量沿传输线进行的入射波、反射波额传

17、输波，如图7：图7 网络分析包括提供入射能量，测量反射能量和传输能量在网络分析仪中的名词术语中，一般用R或者参考通道表示测量入射波；反射波用A通道测量，二传输波则用B通道测量。利用这些播种的幅度和相位信息，便能定量描述被测器件（DUT）的反射特性和传输特性。2） S参数微波领域广泛应用散射参数（S参数）来分析微波网络。复杂的系统可以简单地看成是若干个耦合的二端口网络。与入射波、传输波和反射波相关的二端口参数称为散射参数或S参数，见图8。图8 S参数示出入射和传输信号的关系S参数类似于反射和传输特性。当输出端处于匹配状态时，输入端的反射系数即为S11参数；当输入端处于匹配状态时，输出端的反射系数

18、即为S22参数。S21参数与正想传输系数等效，S12参数与反向传输系数等效。在测量、建模和设计多元件的复杂系统中，器件的S参数特性骑着关键作用。矢量网络分析仪能方便的测量出被测期间的四个S参数。3、矢量网络分析仪的结构组成矢量网络分析仪常指连续波矢量网络分析仪，被测网络的激励信号为正弦波信号。根据激励信号源和响应接收机是否在一个机箱内而分成分体式和一体化矢量网络分析仪两个基本形式。虽然不同的网络分析仪再设计细节方面有所差别，但所有的网络分析仪都包含4个基本部分，如图9。图9 网络分析仪的4个主要部分n 提供入射信号的信号源n 信号分离器分离入射、反射和传输信号n 接收机吧高频信号转换为较低频率

19、（中频）的信号n 处理和现实系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检测和导出信息1）信号源为激励被测器件，信号源必须在整个感兴趣的频率范围内提供入射波。被测器件通过传输和反射对激励做出响应。被测器件的频率响应通过信号源扫描频率确定。测量结果受到多种鑫海源参数的影响，包括频率范围、功率范围、频率稳定度和信号纯度等。在矢量网络分析仪中广泛应用合成扫频信号源。2） 信号分离网络分析仪的 下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅度和相位。适量网路分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。用作信号分离功能的硬件通常称为“测试装置”。测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。3） 接

20、收机网络分析仪的接收机吧RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确地检测任务。标量网络分析仪采用宽带的晶体检波技术，矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机计数。采用调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。窄带中频滤波器产生相当低的本底噪声，结果显著地改善了灵敏度。矢量网络分析仪的接收机的最小等效带宽达10Hz。4） 处理和显示系统一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和现实各种测量。矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通达，一个通道作为测试通道。矢量网络分析仪的显示功能强大灵活，如多种标记功能、极限线功能，为测试带来很大便利。4、矢量网络

21、分析仪的误差修正众所周知，矢量网络分析仪的附件包括各种校准件，在日常测试时必须进行校准。校准的目的即是修正矢量网络分析仪的系统误差。掌握矢量网络分析仪的误差修正原理和操作方法，有助于做着更好地使用矢量网络分析仪，取得真实可靠的测试结果。1) 校准件校准件即为标准件，其技术指标已知，并且是可表征的。常用的校准标准有开路器、短路器、固定匹配负载、华东匹配负载和精密空气线等，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。2）校准方法误差修正有两种基本类型，即响应（归一化）修正和矢量修正。响应校准是一种归一化的测量，过程比较简单。网络分析仪直接将数据存入存储器，然后将后来的测量结果初一锁存数据

22、，从而消除频响误差。图10 基本误差修正总结矢量修正通过修正系统误差能进行及其精确的测量，但较之响应校准需要的校准件和更多校准步骤。矢量修正的两种主要形式的单口校准和二端口校准。单端口校准用于单端口器件或具有好的终端复杂的两端口器件的反射测量，需要三个标准件，能消除反射测量中的三项系统误差（方向性、源匹配和反射跟踪）。二端口校准用于两端口器件做高精度的传输或反射测量，具有最高的精度。需要三个标准件和一个直通连接，能消除二端口12项系统误差。图10是矢量网络分析仪测量时可选用的基本误差修正总结。总结：在查阅了很多的相关资料以及老师的指导下，通过对上述各种仪器的学习，以及各种未提及的实验仪器及软件的学习的了解，使我对日后学习微波知识和各种实验增加了不少的信心和认识。在了解了各种仪器和软件的原理和使用方法，使得更急切的想进入到神奇的微波世界。在接下来的日子里，我会更加努力地学习各种在以后的毕业设计中将崭露头角的知识以及实践在以前过程中所学到的东西。当然，因为对微波世界的不太熟悉，以及查阅资料的不全，在文中可能出现很多的问题，希望老师给予指出和批评，我会尽力改善。【参考文献】游佰强、周建华、徐伟明、李伟文等 电磁场与微波技术实验教程 厦门大学出版社蒋晓红 中国雷华电子研究所 矢量网络分析仪的原理及使用 豆丁网