微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的時(shí)域測(cè)試

汪海洋　鄒煥

摘要：基于濾波器中心頻率反射群延遲時(shí)域特性的帶通濾波器調(diào)試方法具有較好的實(shí)用性。論文開(kāi)發(fā)了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)S波段腔體帶通濾波器時(shí)域調(diào)諧測(cè)試實(shí)例，拓展了微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，充分鍛煉了學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：微波測(cè)量；時(shí)域；帶通濾波器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）17-0271-02

微波測(cè)量課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，目的是使學(xué)生掌握現(xiàn)代微波測(cè)量的基礎(chǔ)理論和微波測(cè)量?jī)x器原理、方法與應(yīng)用，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐中能制定合理測(cè)試方案，選用合適的測(cè)量?jī)x器設(shè)備，正確處理測(cè)量數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用的方法與操作技能。由于微波測(cè)量?jī)x器設(shè)備種類(lèi)繁多，價(jià)格昂貴，部分實(shí)踐教學(xué)側(cè)重于演示性實(shí)驗(yàn)，或者由于可供學(xué)生使用儀器設(shè)備缺乏取消實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)更是缺乏。

鑒于以上幾點(diǎn)，本文提出以腔體濾波器為微波測(cè)量課程典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容，即通過(guò)腔體濾波器的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試的小型微波工程設(shè)計(jì)樣例，使學(xué)生掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)與操作，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域測(cè)量技術(shù)，微波腔體濾波器的時(shí)域調(diào)諧技術(shù)以及其主要性能指標(biāo)參數(shù)測(cè)量，具有很強(qiáng)的綜合性能力訓(xùn)練特點(diǎn)。

一、基于輸入反射群延遲帶通腔體濾波器調(diào)試

現(xiàn)代微波濾波器的設(shè)計(jì)大多使用網(wǎng)絡(luò)綜合法，以衰減、相移函數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)綜合理論得到濾波器低通原型電路，然后通過(guò)頻率變換函數(shù)，將低通原型轉(zhuǎn)換為低通、高通、帶通、帶阻等各種濾波器電路，最后利用相應(yīng)的微波結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)集總元件原型中的各元件。這種設(shè)計(jì)方法，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，有較好的近似度，且能導(dǎo)出最佳設(shè)計(jì)。由于濾波器中心頻點(diǎn)的反射群延遲可以通過(guò)低通原型、LC帶通結(jié)構(gòu)以及耦合系數(shù)得到簡(jiǎn)便的顯式表達(dá)式，相對(duì)而言，其理論設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)便清晰。

本實(shí)驗(yàn)中需要通過(guò)濾波器反射群延遲時(shí)間來(lái)進(jìn)行濾波器性能調(diào)試，因此首先要對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行單端口校準(zhǔn)；待濾波器調(diào)諧螺釘調(diào)試完畢后，再進(jìn)行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全二端口校準(zhǔn)，完成濾波器各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試。

本實(shí)驗(yàn)中所調(diào)試的濾波器為S波段5階腔體濾波器，設(shè)計(jì)中心頻率2.45GHz，帶寬100MHz，插損小于1dB，2.05GHz、2.85GHz抑制度大于80dB。濾波器各階反射群延遲如表1所示（S11=-21dB），具體計(jì)算過(guò)程參考文獻(xiàn)[3]。實(shí)驗(yàn)中逐級(jí)調(diào)試各級(jí)調(diào)諧螺釘深度，使得濾波器在中心頻點(diǎn)處反射群延遲時(shí)間盡可能與表1計(jì)算數(shù)據(jù)接近，之后將調(diào)諧螺釘鎖定；所有調(diào)諧螺釘鎖定后，將矢網(wǎng)進(jìn)行全二端口校準(zhǔn)后即可進(jìn)行濾波器各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量。

二、實(shí)驗(yàn)步驟

首先進(jìn)行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的單端口校準(zhǔn)，為濾波器調(diào)試進(jìn)行準(zhǔn)備。完成單端口校準(zhǔn)并將顯示設(shè)定為群延時(shí)后，按如下步驟進(jìn)行腔體濾波器調(diào)試：

1.將濾波器所有調(diào)諧螺釘鎖定螺母松開(kāi)，將調(diào)諧螺釘旋入腔體與諧振桿保持良好接觸即可，即各諧振腔短路。

2.將梳狀濾波器一端接入port1電纜端口，將第一個(gè)調(diào)諧螺釘逐漸旋出，直至屏幕上中心頻點(diǎn)處顯示群延遲時(shí)間為如表1第1欄數(shù)據(jù)，并用螺母將第一個(gè)調(diào)諧螺釘位置固定。

3.將第二個(gè)調(diào)諧螺釘逐漸旋出，直至屏幕上中心頻點(diǎn)處顯示群延遲時(shí)間為如表1第2欄數(shù)據(jù)用螺母將第二個(gè)調(diào)諧螺釘位置固定。

4.依次將所有調(diào)諧螺釘調(diào)整合適及螺母鎖定；腔體濾波器調(diào)諧完畢，準(zhǔn)備好下一步性能指標(biāo)測(cè)試。

S波段腔體濾波器調(diào)諧完成后，為全面獲得濾波器的S參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)分析儀需要進(jìn)行全二端口校準(zhǔn)，將調(diào)試好的濾波器接入矢網(wǎng)測(cè)試電纜端口，首先測(cè)試S21曲線，按[Marker]選擇讀數(shù)S21曲線-1dB上下兩個(gè)頻點(diǎn)，獲取1dB帶寬數(shù)據(jù)；讀取2.05GHz和2.85GHz頻點(diǎn)S21數(shù)據(jù)，獲得這兩個(gè)頻點(diǎn)帶外抑制度；導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)；其次，測(cè)試S11曲線，按[Format][SWR]，讀取帶寬內(nèi)駐波數(shù)據(jù)；導(dǎo)出駐波測(cè)量數(shù)據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

腔體濾波器矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試時(shí)獲得的各階反射群延遲測(cè)量波形如圖1—圖3。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到S21曲線以及帶寬、插損、帶外抑制度參數(shù)如圖4所示，該濾波器1dB帶寬為104MHz，帶內(nèi)插損小于1dB，滿足設(shè)計(jì)要求；在2.05GHz和2.85GHz處帶外抑制度分別88dB和96dB，滿足大于80dB設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)論

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀單端口、全二端口校準(zhǔn)方法和操作步驟，深刻了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域測(cè)量功能，理解掌握微波濾波器常見(jiàn)性能指標(biāo)參數(shù)意義及測(cè)量方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘本祓，吳萬(wàn)春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1973：1-15.

[2]戴晴，黃紀(jì)軍，莫錦軍.現(xiàn)代微波與天線測(cè)量技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：153-166.

[3]John B.N.A unified approach to the design，measurement，and tuning of coupled-resonator filters[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，1998，46（4）：343-351.

[4]http：//rfshop.com.au （Peter Martin.Design equations for tapped round rod combline and interdigital bandpass filters）

[5]http：//www.ei41.com.