微波网络参数测量模拟软件设计与实现毕业论文

2020-03-10 05:03

摘要

本文主要研究了网络分析仪终端可视化界面，开发了一款用于微波网络参数测量的软件。该软件可快速计算得到微波网络的散射参数，简化了一系列微波网络分析的步骤同时节约了大量计算时间。本文首先介绍微波技术的发展过程，并分析了网络分析仪的发展现状。之后介绍了传输线理论和微波网络的原理以及MATLAB中关于如何使用GUIDE进行创建GUI对象，详细介绍与GUI有关的控件以及回调函数的编写。通过MATLAB软件设计并开发了一款用于微波网络参数测量的软件。该软件可绘制电压波形图，计算波长和驻波系数比，同时还能计算散射参数并绘制散射参数与频率关系图。该软件有良好的交互界面且操作简单的优点。本文还将该软件所处理得到的结果与矢量网络分析仪处理的结果进行对比，验证了所设计软件的可行性。本文的特色是使用MATLAB作为开发工具进行编写程序，而大多数与此有关的软件都是用C 或Labview编写，并且使用MATLAB进行计算速度更快且精度更高。

关键词：网络分析仪；S参数；波长；驻波系数比

Abstract

This paper mainly studies the terminal visual interface of the network analyzer and develops a software for microwave network parameter measurement. The software can quickly calculate the scattering parameters of the microwave network, simplify the steps of a series of microwave network analysis and save a lot of time. The paper first introduces the development of microwave technology, and analyzes the development status of network analyzers. After that, it introduces the theory of the transmission line and the principle of the microwave network and how to use GUIDE to create GUI objects in MATLAB. It also introduces the controls related to the GUI in detail and and how to write callback function programs. This paper designs and develops a software for microwave network parameter measurement through MATLAB software. The software can plot the voltage waveform, calculate the wavelength and VSWR, and calculate the scattering parameters and plot the scattering parameters versus frequency. The software has the advantages of a good interface and simple operation. This paper also compares the results obtained by the software with the results of the vector network analyzer and verifies the feasibility of the designed software. This paper uses MATLAB as a development tool to write programs, and most of the software related to this is that they are all written in C or Labview, and the advantage of using MATLAB to calculate data is faster calculations and higher accuracy.

Key Words：network analyzer; S-parameter; wavelength; VSWR

第1章绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 3

1.4 本章小结 4

第二章散射参数与传输线理论 5

2.1散射参数 5

2.1.1 S参数的定义 5

2.1.2 双端口网络 6

2.2 测量散射参数 7

2.2.1 网络分析仪 7

2.2.2 反射参数的测量 8

2.2.3 传输参数的测量 9

2.3 传输线理论 9

2.3.1 相速度和相波长 10

2.3.2 驻波系数 10

2.4 本章小结 11

第3章软件设计与实验结果分析 12

3.1 开发工具介绍与软件设计思想 12

3.1.1 MATLAB软件简介 12

3.1.2 软件设计思想 13

3.2 系统界面设计 14

3.2.1 使用GUIDE创建GUI对象 14

3.2.2 系统界面 17

3.3 电压波形图模块 17

3.3.1 手动输入数据 18

3.3.2 读取Excel表格中的数据 19

3.4 曲线拟合与插值 19

3.4.1 高斯拟合 20

3.4.2 多项式拟合 21

3.4.3 三次样条插值 23

3.4.4 三种方式比较 24

3.5 程序运行结果 25

3.5.1 散射参数模块 25

3.5.2 波长与驻波比的计算 26

3.5.3 程序运行结果 26

3.6 系统测试 27

3.6.1 系统组成 27

3.6.2 系统S参数的计算 27

3.6.3 测试过程 28

3.6.4 结果对比 29

3.7 调试过程中的问题分析 30

3.8 本章总结 31

第4章总结与展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章绪论

1.1 研究的背景及意义

微波是频率极高、波长很短的电磁波，故微波也称为高频电磁波，波长范围从1m到0.1mm，对应的频率从300MHz到3000GHz。微波波段可简单分为分米波段、厘米波段、毫米波段以及亚毫米波段四个波段。微波技术是近代科学研究的重大成就之一，在雷达、通信、导航等许多领域得到广泛应用。目前，现代通信、微电子学、纳米技术、雷达等技术乃至生命科学与技术都是以电磁场与微波技术为基础，而现代武器装备信息化更是离不开微波技术的支撑^[1]。

德国物理学家赫兹在19世纪末证明了电磁波的存在后，便开始了电磁波的研究并展开研究无线电波的一系列实验。20世纪初期，微波技术的研究取得一定的进展，于是微波理论研究与其相关实验开始展开。第二次世界大战期间，英国是最早建立雷达站的国家，凭借真空管——磁控管的雷达盟军才得以击败德国，雷达在二战期间发挥的重要作用使得人们非常重视微波理论和技术。此后，微波技术在各国得到高度关注，各个国家开始开展微波技术研究项目，建立与微波技术相关的研发机构。中国自20世纪70年代才开始着手研究微波技术，目前国内微波技术水平与国外还存在差距。

网络元件是将实际的物理器件抽象化，由网络元件连接而成的电路称为电气网络，因此电气网络也是一种抽象化的物理模型，而工作在微波波段的电气网络则称为微波网络^[2]。微波网络是研究微波元件的一种电路方法，将微波元件等效为微波网络，将微波传输线等效为长线，用长线理论和网络理论进行分析，这是一种化“场”为“路”的处理方法。在一个网络或系统中，描述其特性的参数有很多，[Z]、[Y]和[A]矩阵是以端口归一化电压和电流来定义的，测试方便，但只适合用于分析低频电路，高频电路的网络特性一般选用[S]矩阵进行表述。S参数是由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定义，用来描述被测系统网络的频率特性，并且由于其简单直观的物理意义而广泛用于分析微波网络或高速系统^[3]。目前，微波元器件一般都采用S参数来研究微波电路系统的特性。网络参数矩阵具有对微波结构的电特性进行简洁和高度概括描述的优点，它适用于各种微波结构，尤其是复杂的微波结构。

微波网络分析，就是在对应频段内应用网络或等效电路方法确定待测网络的阻抗特性和传输特性。微波网络分析技术，是指用实验的方法测量一个网络的外部特性。微波网络分析的任务就是通过实验的方法测量被测网络的反射系数或散射参数以及被测网络的匹配状态，以确定所测量网络的微波特性。目前，微波网络分析技术广泛应用在通信领域、国防邻域、疾病预防与诊断领域等各个领域。其最直接的应用体现在通过微波网络分析技术进行测量网络参数的反射系数、散射参数^[4]。

随着科学技术的快速发展，微波测量与计算机技术紧密结合，越来越多的微波网络分析仪开始出现，比如矢量网络分析仪，其软件部分是处理数据并分析测量结果的重要部分。目前，广泛应用于微波网络参数测量的矢量网络分析仪发展迅速，矢量网络分析仪能够同时精确测量幅、相变化，这也是矢量网络分析仪相对于标量网络分析仪的优点。网络分析仪经历了一个不断发展的过程：由手动操作到智能化；从小范围的频率测量到较宽的扫频测量；从小的动态范围到大的动态范围，进入越来越广泛的应用领域^[5]。矢量网络分析的软件部分由系统软件、驱动软件等组成，系统软件可以提供可视化界面，不仅方便用户进行直接控制，省去一系列需要手工分析与计算的步骤。

计算机技术和软件技术的快速发展，原来需要使用硬件才能实现的功能，大多数通过软件也可以完成其功能。在电路设计开发、工程应用与射频微波技术中对网络特性的参数的研究是不可或缺的，而矢量网络分析仪能够精准的测量出所需的网络参数。国外的测量仪器一般都比较昂贵且维护不方便，因此设计出一款经济适中、测量精度较高的微波网络参数测量模拟软件显得十分有意义。通过利用MATLAB软件，本文设计了一款微波网络参数测量的软件，不仅能将实验数据实时绘制成图像并计算相关数据，可得到该信号的波长与驻波比，还能绘制网络的S参数与频率曲线图。该软件具有人机界面友好、测量结果直观形象、绘图速率快等优点。

1.2 国内外研究现状

网络分析仪可对通过电路系统或者某一网络的信号进行测量该频率与功率幅值与相位的变化，从而计算该系统或网络的散射参数，进而得到该系统或网络的反射/传输特性，以及电压驻波比、增益、衰减和回波损耗等参数信息。目前，在国际中比较出名的三大商用网络分析仪的生产公司有：美国的是德科技公司(原安捷伦公司)、日本的安立公司(Anritsu)以及德国的罗德与施瓦茨公司(Rohde amp; Schwarz)，国内研究生产网络分析仪比较著名的是中国电子科技集团第四十一研究所。其中，作为行业参考标准的是德科技公司，其科研技术实力与成果一直都处于行业领先。

在二十世纪四五十年代，微波测量系统由原始信号发生器、功率检测器和阻抗电桥组成，使用像矢量网络分析仪这样的电磁振幅相测量仪，需要花费数小时才能绘制出史密斯圆图中的一个频率。六十年代时，随着多种电子仪器的不断发展，网络分析仪也开始慢慢发展起来。1967年，惠普公司基于射频接口和器件的需求，发明了可以通过仪器精准测量阻抗的第一台网络分析仪8410A。网络分析仪的出现促进了微波测量设备对电路或器件反射、传输以及阻抗特性等参数的测量与分析能力的发展。微波测量设备的基本组成部分是基于半导体二极管的取样器，因此该设备可以测量出信号的相对相位和幅度。虽然其最大工作频率仅为110MHz，但它实现了输入信号与输出信号的幅度和相位相比较。七十年代，自动矢量网络分析仪在惠普公司发布，该网络分析仪可进行脉冲测量、误差修正等数学处理功能。到了八十年代，随着计算机的快速发展与广泛应用，首台集成的、微处理器控制的全误差修正矢量网络分析仪应运而生，其不仅功能强大且价格优惠，很快便得到了广泛运用。1985年，惠普公司发布了广泛应用于航空雷达以及无线电元件制造中的频率高达110GHz的网络分析仪8510A。至今，随着射频微波器件与计算机性能的不断发展，使得矢量网络分析仪朝着更高的频率上限、更宽的覆盖频段、更加准确的测试结果、更加强大的数据处理功能、更加可靠的稳定性不断提高^[6]。现代微波测量技术也朝着以下几个趋势发展：开发频谱，扩大微波资源；可测参数更多，单机工作频率更宽；数字化、智能化和自动化；标准化和模块化；从软件化过渡到虚拟仪器与微波测量网络化^[7]。

由于我国在二十世纪七十年代才开始研究微波技术，国产的网络分析仪在仪器测量精度、频率范围与国外的高端网络分析仪都存在着差距。尽管存在差距，在国内不少生产网络分析仪的厂家不断的努力下，在网络分析仪的理论研究方面还是取得了一些成果，目前，国内的企业、院校在这一方面还在积极的探索中。杨平清^[8]设计了一款低频的矢量网络分析仪，但该软件只能用以测量二端口的线性非时变系统，且该软件只能实现频谱显示与误差校准这两个功能。杨雯^[9]通过以Visual C 作为开发工具，开发出一款矢量网络分析仪系统软件，该软件不仅可根据所接收的幅值与相位等数据信息计算得到反射参数与传输参数，还可显示出时域与频域波形。肖虎^[10]更是在这两者的基础上，不仅实现了矢量网络分析仪软件部分的功能，还提高了工作频率以及使用误差校准算法对数据结果进行修正。

1.3 本文研究内容

本文拟研究出一款用于微波网络参数测量的软件，以帮助我们更好的理解传输线的理论知识，并简化一系列需要手工计算的流程。通过采集同一时间不同个位置的电压值，经过拟合处理后便得到数据曲线图，进而由此曲线求的波长、驻波系数。同时，根据采集到的频率与功率值可绘制出散射参数与频率曲线图，并能根据用户的需要显示出某一频率下散射参数的具体值。主要研究内容如下：

(1)研究传输线理论，深入了解波长、驻波系数、反射系数等相关参量的定义以及深入了解如何测量并计算这些参数。了解散射矩阵的基本原理及其中每一个值的意义，并能通过实验测量计算得到散射参数。

(2)调研传输线理论的基础实验技术，研究网络分析仪的可视化终端的功能与实现方法。明确所设计的软件需要实现的功能，以及设计出该软件良好的人机交互可视化界面。

(3)通过Matlab软件编写程序并设计出可视化界面，能够将收到的实验数据实时的绘制成电压波形图，同时计算出该信号的波长与驻波系数比；能从 Excel表格中读取频率与功率值，实时绘制出和与频率关系曲线，同时可根据用户需求显示某一频率下的或具体值。将所设计出的软件所计算的结果与矢量网络分析仪测量的结果进行比较分析，对存在的误差进行分析与优化。

1.4 本章小结

本章介绍了微波网络技术的研究背景，以及微波网络技术的发展现状，重点介绍了网络分析仪的发展过程与国内外研究现状。对该网络分析仪的需求进行分析，明确网络分析仪软件部分所要实现的功能。了解所要研究的内容，对该内容进行细化分析，明确微波网络中可测量的参数，以及具体软件所要实现的功能。

第二章散射参数与传输线理论

2.1散射参数

2.1.1 S参数的定义

在波参数中，散射参数也称为S参数，S参数容易测量。且其直观清晰的物理意义能直接描述器件的性能，故大多数的微波元器件都釆用S参数来表述能量经过该器件后的幅频特性与相频特性。S参数除了可用实验的方法(如：三点测量法)的测量计算得到，还可以直接用矢量网络分析仪测量得到，通过矢量网络分析仪能将S参数转化成其它的微波网络参数。散射矩阵是用网络各端口的入射波和反射波来描述网络特性来描述网络特性的波矩阵。在线性网络中，归一化电压与归一化电流之间是线性关系，因此由其归一化电压与归一化电流导出的归一化入射波与归一化反射波也存在线性关系，如图2.1所示n端口网络。