射频微波器件实测及其在教学中的应用

苏 卉， 马延军

(1. 西安建筑科技大学 管理学院， 陕西 西安 710055;2.西安科技大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710054)

射频微波器件实测及其在教学中的应用

苏 卉1， 马延军2

(1. 西安建筑科技大学 管理学院， 陕西 西安 710055;2.西安科技大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710054)

设计了若干射频微波器件实测案例，使学生在学习射频与微波技术课程中能够做到循序渐进,从射频微波器件的基本参数到测量，到进一步自行设计分析。由于所设计的测试实例具有很强的启发性，可广泛推广到实验环节中，提高了学生的学习效率，提高了教学效果。

射频微波技术； 微波器件； 射频滤波器； 微波放大器

射频与微波技术是一门理论及实践性都很强的课程[1-8]，其理论基础为电磁场与电磁波，涉及到射频电路设计。射频电路设计又以模拟电路为基础，因而射频与微波技术在整个课程体系的高端，面向实际应用环境。射频与微波技术以基本的PCB设计与制作为基础(如Protel软件)，射频设计及仿真软件(如ADS软件)也是必须掌握的内容。同时，对于器件的仿真需要借助于电磁场仿真软件(如HFSS软件)。因此，本课程实践性非常强，需要掌握的技能要求也非常高。射频与微波器件往往需要封装到腔体里面，需要学生掌握机械结构建模工具(如SolidWorks、ProE、AutoCAD等)。从以上所罗列的理论基础及实践基础可见，熟练掌握好射频与微波技术需要经过一系列系统的训练。如果没有全部开设相关课程，单纯开设射频与微波技术的课程，对于学生来讲，短时间内掌握这些难度极大，往往收获甚少。

针对这种情况，本文提出了基于实践的案例教学方式。此方式适用于电子信息类相关专业的学习，而不是系统地完成整个学科体系的学习[6-8]。案例教学方式针对射频与微波技术讲授的各类微波器件进行实际器件测试，获得器件的各项指标,并明确各项指标的物理意义。进一步，分析器件各指标的含义及来源，进行相关的必要的数学推导。这些数学推导的目的是帮助学生理解各项指标的物理意义。对于射频与微波器件的测试，需要借助于矢量网络分析仪。因此，需要对矢量网络分析仪的基本使用进行介绍。为此，设计了射频微波放大器测试实例、介质滤波器测试实例及环形器测试实例。对其中的指标特性进行了分析并给出其实际物理意义。

通过这些有针对性的实例，使学生能够很快得到解决问题的思路及如何解决这些问题，使学生积累一定的感性认识。这些仪器使用技能也是学生将来作为一位专业工程师所必备的专业素养,在某种程度上也是一种专业素养培训,能够提高学生的综合专业素养，增加学习兴趣。

1 矢量网络分析仪及射频微波器件

矢量网络分析仪是射频微波测试必备的测试仪器,通过测试器件的S参数来刻画器件特性。常见的矢量网络分析仪为两端口，可以测试4个S参数(即S11, S21, S12, S22)。矢量网络分析仪内部有激励信号源，激励信号源向待测微波器件发射激励信号。矢量网络分析仪内部还有3～4个接收机，用来接收传输及散射参数。射频微波器件一般分为有源及无源器件两大类，有源器件如各类放大器等，无源器件有滤波器、耦合器、电桥、环形器等。

1.1 矢量网络分析仪

图1为Wiltron公司的37347A型号的网络分析仪及测试实例。此网络分析仪为两端口测试，可以同时显示4个参数，可直观地观察器件特性[9-11]，最高覆盖频率范围40 MHz～20 GHz。

图1 Wiltron 37317A 矢量网络分析仪

1.2 射频微波器件

图2是一些射频微波常见器件，从左到右分别为环形器、介质滤波器、放大器。其中环形器为单向器件，常常用于功率输出端，以保护发射机不会由于负载变化而烧毁。介质滤波器是一种常见的频率选择器件，用于滤除不需要的干扰信号，其主要特点为相比于空腔滤波器体积小、重量轻，有利于设备小型化。微波射频放大器广泛应用于各类射频微波设备，其可分为低噪声放大器(主要用于接收机前端)、中频增益放大器(用于中频信号提供足够高的增益)、功率放大器(发射机末端功率输出)。上述器件都是各类收发信机里面常用的器件，掌握这些器件的特性，学生可以进一步对整机性能进行学习分析。

图2 射频微波器件

2 微波器件测试实例

2.1 滤波器测试实例

图3为介质滤波器实际测试图，分别为S11、S21、S12、S22参数测试结果。由图右侧的传输参数CH—S21可见，Mark2为滤波器的中心频率，约为2.15 GHz，此时传输损耗约为2 dB；Mark1频率约为2.06 GHz，此时损耗约为5 dB；Mark3频率约为2.25 GHz，此时损耗约为5 dB；从而，Mark1与Mark3之间的带宽就是滤波器的3 dB带宽，约为200 MHz。此滤波器的插入损耗为2 dB左右，这些特性都反映了滤波器的基本指标。由S11及S22可见，滤波器2个端口回波损耗都在-20 dB左右，也就是说，90%的射频信号都进入微波器件，10%左右的信号在端口反射回去，在通频带内取得了良好的匹配。进一步观察S12参数可见，其特性与S21基本一致。可知此滤波器是一个无方向性的器件，输入输出端口可以互换而不影响特性。

2.2 环形器测试实例

图4为环形器S参数测试情况。由S21可见，在正向传输时候，插入损耗很小，大约1 dB左右，而且通频带较宽，3～5 GHz插入损耗都很小，这也反映了此器件可以应用的频段范围。由S12可见，在反向传输的时候，在中心频点4.15 GHz时其插入损耗为23 dB，也就是说小于10%的射频能量能够反向传输，这对于发射机末级放大器保护尤为关键。对于一个10 W的功率放大器来讲，即使天线失配，反射到放大器的信号功率小于1 W，从而非常有效地保护了发射机末级放大器。另外，由S11及S22可见，在工作频率范围内，端口阻抗能够有效匹配，回波损耗大于20 dB。

图3 介质滤波器测试

图4 环形器测试

2.3 放大器测试实例

图5为射频微波放大器测试图。由S21可见，此放大器工作频段非常宽，覆盖了低频到8 GHz整个频段。其增益由图右边的标记可以得到，如在0.988 GHz时其增益约为35 dB，在4.98 GHz时其增益约为35 dB，在8 GHz时其增益约为33 dB。从而，其3 dB带宽超过了8 GHz。仔细观察通频带内增益，可知其增益平坦度较好，没有较大的增益起伏。由S11及S22可见，在通频带内回波损耗大于10 dB，在如此大的频段内也保持了良好的阻抗匹配[12-13]。

图5 放大器测试

3 结语

射频与微波技术是一门理论及实践性都很强的课程。学生学好这门课程难度很大。因此，需要遵从学习的一般规律，从感性认识出发，对微波器件及其特性先有直观的了解。进一步，再去深入学习这些指标特性的来源及如何设计一个性能良好的微波器件。这样学生能够由浅入深、循序渐进地学习，做到学以致用。

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

陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JM6086)；西安科技大学教育教学改革与研究项目(JG1279，JG16037, JG14100)

苏卉(1980—)，女，山东莱芜，博士，副教授,主要研究方向为信息管理系统等

马延军(1978—)，男，山东莱芜，博士，讲师，主要研究通信信号处理等.

E-mailbj_ma@126.com