射頻微波器件實測及其在教學中的應用

蘇 卉， 馬延軍

(1. 西安建筑科技大學 管理學院， 陜西 西安 710055;2.西安科技大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710054)

射頻微波器件實測及其在教學中的應用

蘇 卉1， 馬延軍2

(1. 西安建筑科技大學 管理學院， 陜西 西安 710055;2.西安科技大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710054)

設計了若干射頻微波器件實測案例，使學生在學習射頻與微波技術課程中能夠做到循序漸進,從射頻微波器件的基本參數到測量，到進一步自行設計分析。由于所設計的測試實例具有很強的啟發性，可廣泛推廣到實驗環節中，提高了學生的學習效率，提高了教學效果。

射頻微波技術； 微波器件； 射頻濾波器； 微波放大器

射頻與微波技術是一門理論及實踐性都很強的課程[1-8]，其理論基礎為電磁場與電磁波，涉及到射頻電路設計。射頻電路設計又以模擬電路為基礎，因而射頻與微波技術在整個課程體系的高端，面向實際應用環境。射頻與微波技術以基本的PCB設計與制作為基礎(如Protel軟件)，射頻設計及仿真軟件(如ADS軟件)也是必須掌握的內容。同時，對于器件的仿真需要借助于電磁場仿真軟件(如HFSS軟件)。因此，本課程實踐性非常強，需要掌握的技能要求也非常高。射頻與微波器件往往需要封裝到腔體里面，需要學生掌握機械結構建模工具(如SolidWorks、ProE、AutoCAD等)。從以上所羅列的理論基礎及實踐基礎可見，熟練掌握好射頻與微波技術需要經過一系列系統的訓練。如果沒有全部開設相關課程，單純開設射頻與微波技術的課程，對于學生來講，短時間內掌握這些難度極大，往往收獲甚少。

針對這種情況，本文提出了基于實踐的案例教學方式。此方式適用于電子信息類相關專業的學習，而不是系統地完成整個學科體系的學習[6-8]。案例教學方式針對射頻與微波技術講授的各類微波器件進行實際器件測試，獲得器件的各項指標,并明確各項指標的物理意義。進一步，分析器件各指標的含義及來源，進行相關的必要的數學推導。這些數學推導的目的是幫助學生理解各項指標的物理意義。對于射頻與微波器件的測試，需要借助于矢量網絡分析儀。因此，需要對矢量網絡分析儀的基本使用進行介紹。為此，設計了射頻微波放大器測試實例、介質濾波器測試實例及環形器測試實例。對其中的指標特性進行了分析并給出其實際物理意義。

通過這些有針對性的實例，使學生能夠很快得到解決問題的思路及如何解決這些問題，使學生積累一定的感性認識。這些儀器使用技能也是學生將來作為一位專業工程師所必備的專業素養,在某種程度上也是一種專業素養培訓,能夠提高學生的綜合專業素養，增加學習興趣。

1 矢量網絡分析儀及射頻微波器件

矢量網絡分析儀是射頻微波測試必備的測試儀器,通過測試器件的S參數來刻畫器件特性。常見的矢量網絡分析儀為兩端口，可以測試4個S參數(即S11, S21, S12, S22)。矢量網絡分析儀內部有激勵信號源，激勵信號源向待測微波器件發射激勵信號。矢量網絡分析儀內部還有3～4個接收機，用來接收傳輸及散射參數。射頻微波器件一般分為有源及無源器件兩大類，有源器件如各類放大器等，無源器件有濾波器、耦合器、電橋、環形器等。

1.1 矢量網絡分析儀

圖1為Wiltron公司的37347A型號的網絡分析儀及測試實例。此網絡分析儀為兩端口測試，可以同時顯示4個參數，可直觀地觀察器件特性[9-11]，最高覆蓋頻率范圍40 MHz～20 GHz。

圖1 Wiltron 37317A 矢量網絡分析儀

1.2 射頻微波器件

圖2是一些射頻微波常見器件，從左到右分別為環形器、介質濾波器、放大器。其中環形器為單向器件，常常用于功率輸出端，以保護發射機不會由于負載變化而燒毀。介質濾波器是一種常見的頻率選擇器件，用于濾除不需要的干擾信號，其主要特點為相比于空腔濾波器體積小、重量輕，有利于設備小型化。微波射頻放大器廣泛應用于各類射頻微波設備，其可分為低噪聲放大器(主要用于接收機前端)、中頻增益放大器(用于中頻信號提供足夠高的增益)、功率放大器(發射機末端功率輸出)。上述器件都是各類收發信機里面常用的器件，掌握這些器件的特性，學生可以進一步對整機性能進行學習分析。

圖2 射頻微波器件

2 微波器件測試實例

2.1 濾波器測試實例

圖3為介質濾波器實際測試圖，分別為S11、S21、S12、S22參數測試結果。由圖右側的傳輸參數CH—S21可見，Mark2為濾波器的中心頻率，約為2.15 GHz，此時傳輸損耗約為2 dB；Mark1頻率約為2.06 GHz，此時損耗約為5 dB；Mark3頻率約為2.25 GHz，此時損耗約為5 dB；從而，Mark1與Mark3之間的帶寬就是濾波器的3 dB帶寬，約為200 MHz。此濾波器的插入損耗為2 dB左右，這些特性都反映了濾波器的基本指標。由S11及S22可見，濾波器2個端口回波損耗都在-20 dB左右，也就是說，90%的射頻信號都進入微波器件，10%左右的信號在端口反射回去，在通頻帶內取得了良好的匹配。進一步觀察S12參數可見，其特性與S21基本一致。可知此濾波器是一個無方向性的器件，輸入輸出端口可以互換而不影響特性。

2.2 環形器測試實例

圖4為環形器S參數測試情況。由S21可見，在正向傳輸時候，插入損耗很小，大約1 dB左右，而且通頻帶較寬，3～5 GHz插入損耗都很小，這也反映了此器件可以應用的頻段范圍。由S12可見，在反向傳輸的時候，在中心頻點4.15 GHz時其插入損耗為23 dB，也就是說小于10%的射頻能量能夠反向傳輸，這對于發射機末級放大器保護尤為關鍵。對于一個10 W的功率放大器來講，即使天線失配，反射到放大器的信號功率小于1 W，從而非常有效地保護了發射機末級放大器。另外，由S11及S22可見，在工作頻率范圍內，端口阻抗能夠有效匹配，回波損耗大于20 dB。

圖3 介質濾波器測試

圖4 環形器測試

2.3 放大器測試實例

圖5為射頻微波放大器測試圖。由S21可見，此放大器工作頻段非常寬，覆蓋了低頻到8 GHz整個頻段。其增益由圖右邊的標記可以得到，如在0.988 GHz時其增益約為35 dB，在4.98 GHz時其增益約為35 dB，在8 GHz時其增益約為33 dB。從而，其3 dB帶寬超過了8 GHz。仔細觀察通頻帶內增益，可知其增益平坦度較好，沒有較大的增益起伏。由S11及S22可見，在通頻帶內回波損耗大于10 dB，在如此大的頻段內也保持了良好的阻抗匹配[12-13]。

圖5 放大器測試

3 結語

射頻與微波技術是一門理論及實踐性都很強的課程。學生學好這門課程難度很大。因此，需要遵從學習的一般規律，從感性認識出發，對微波器件及其特性先有直觀的了解。進一步，再去深入學習這些指標特性的來源及如何設計一個性能良好的微波器件。這樣學生能夠由淺入深、循序漸進地學習，做到學以致用。

References)

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Actual measurement of radio frequency microwave device and its application in teaching

Su Hui1, Ma Yanjun2

(1. College of Management, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 2. College of Communication and Information Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China)

A number of radio frequency microwave devices are designed to enable students to learn the Radio Frequency and Microwave Technology course step by step from the basic parameters of radio frequency microwave devices to measurement, to further self-design analysis. As the designed measurement case is very enlightening, it can be widely extended to the experiment, which greatly improves the students’ learning efficiency and improves the teaching effect.

radio frequency microwave technology; microwave device； radio frequency filter； microwave amplifier

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.019

TN925；G642

A

1002-4956(2017)11-0071-04

2017-05-31修改日期2017-07-10

陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2016JM6086)；西安科技大學教育教學改革與研究項目(JG1279，JG16037, JG14100)

蘇卉(1980—)，女，山東萊蕪，博士，副教授,主要研究方向為信息管理系統等

馬延軍(1978—)，男，山東萊蕪，博士，講師，主要研究通信信號處理等.

E-mailbj_ma@126.com