二元干涉仪硬件测试

# 观测设备

室内连接设备如下图所示，两个八木天线各连上宽带低噪放，然后接到合路器上，经过带通滤波器输出到 RTL-SDR 接收机。地上蓝色的为供电电池，两捆粗的黑线为长度 8m 的同轴线，另外一捆细的黑线为 USB 扩展槽线。

实际连接设备如下图，由于需要将天线拉开，在低噪放和合路器中间加上了长度为 8m 的同轴线，电池被绑在支架上给低噪放供电。

# 矢网

目前使用的 200 元购入的 NanoVNA 矢网，最大的测量频率为 1.5GHz，计划在 1425GHz 附近观测，因此只测量各器件在 1.3GHz-1.5GHz 的性能。把 NanoVNA 连接到电脑，使用 NanoVNA-Saver 软件扫描、导出各参数，然后利用 python 进行分析。

值得一提的是，我手中的矢网（性能得看制作者）定标后的短时间内的测量结果是可靠的，然而随着时间的推移，结果会发生小幅度的漂移，例如下图：

在 17:31 之前完成了定标，然后在 17:31 到 17:57 测量了矢网发射端口（0 端口）和接收端口（1 端口）直连的 S21 参数；同时也在重启矢网后，仍然采用 17:31 左右的那次定标，在 19:00 测量了直连的 S21 参数；可见会有所漂移，所以想精确测量器件，应当尽快测量。

尝试在三个时间段上测量 1.42GHz 的滤波器，结果如下图：

用在 17：34、18:10、19:02 对滤波器测量的 S21 参数（复数形式）分别除以 在 17:31、17:57、19:00 直连的 S21 参数，尝试手动定标消除时间漂移的影响如下图

相位上看起来是有所改善，然而幅度上仍然是不太行，因此暂时只能尽快进行测量来避免该问题。

# 天线

对八木天线进行测量，得到结果如下图：

以 - 10dB 为标准，则八木天线在 1.37GHz-1.5+GHz 上工作良好

天线馈电点引出了约 1.2m 长度的同轴线，这是 S11 的相位变化的主要来源；从矢网发出的信号经过 1.2m 的长度到天线馈电点，由于阻抗不匹配被部分反射回来，折返经过 1.2m 的长度返回矢网，总计 2.4m 的长度。从图中也可看出从 1.3114GHz 到 1.3907GHz（总计 0.0793GHz 的带宽）上，相位从 180° 变化到 - 180°（总计 360° 的变化，即$2\pi$）。

利用群时延公式，有$d(\phi)/d(\omega)=\Delta(\phi)/\Delta(\omega)=2\pi/(2\pi*0.0793e9)=12.61 ns$，即矢网的信号从发出到返回总共花费了 12.61ns，同轴线中的光速为$3e8*0.66m/s$，因而可以估出信号走过的长度为$3e8*0.66*12.61e-9=2.5m$，接近 1.2m*2 这个长度。

# 低噪放

分别把两个相同型号的低噪放命名为低噪放 1 和低噪放 2

该矢网一般用来测量无源器件，接收功率不宜过大，不然有可能烧坏矢网或者无法正常显示，因此测量低噪放时可以串联一个衰减器，在此串联一个 30dB 的衰减器（具体演示见于用 NanoVNA 测量放大器增益），低噪放 1 的测量结果如下：

测量低噪放 1 时距离矢网的初次定标已经经过了 40 分钟左右，测量结果已经略有不准，从衰减器、低噪放 1 和衰减器串联的增益曲线的波浪形也可以看出（本来应该接近一条直线）。

（低噪放 1 和衰减器串联的增益 dB）减去 （衰减器的增益 dB）即可得到低噪放 1 实际的增益。实际上是用（低噪放 1 和衰减器串联的 S21 复数）除以 （衰减器的 S21 复数）得到（低噪放 1 的 S21 复数），从而得到低噪放 1 的增益（复数的幅度）和相位（复数的相位）。

用对低噪放 2 也用上述的方法进行测量，结果如下图所示：

可见两者的 S21 参数基本一致，较大的波动来源于衰减器的不良测量结果。

# 同轴线

分别把两个标称 8m 长度的同轴线命名为同轴线 1 和同轴线 2，测量结果如下图：

两者的 S21 参数基本一致，可看出从 1.3114GHz 到 1.3408GHz（总计 0.0294GHz 的带宽）上，相位从 180° 变化到 - 180°（总计 360° 的变化，即$2\pi$）。利用群时延公式，有$d(\phi)/d(\omega)=\Delta(\phi)/\Delta(\omega)=2\pi/(2\pi*0.0294e9)=34.014 ns$，即矢网的信号从发出到返回总共花费了 34.014ns，同轴线中的光速为$3e8*0.66m/s$，因而可以估出信号走过的长度为$3e8*0.66*34.014e-9=6.73m$，接近 8m 长度。

# 合路器

由于 2 路功分损坏（没有外壳，射频端口断掉了），暂时使用 4 路功分作为合路器，如下图所示：

把 4 个分路端口依次命名为 1、2、3、4 端口，合路端口命名为 0 端口，测量各分路端口到 0 端口的传输系数如图所示（未被测量的端口均处于开路状态）：

可见使用该合路器在 1.42GHz 的插损高达 - 8.5dB，从 1.30GHz 到 1.50GHz 的相位变化约为 87.5°，可估出信号走过的时间约为 1.2ns，走过的等效长度约为 0.18m（RF-4 板材上的光速约为真空中光速的一半）。

测量 2 端口和其他端口的耦合如下图（未被测量的端口均处于开路状态）：

一般情况下，功分器 / 合路器都是按照所有分路都工作情况下设计的，4 个分路需要同时激励来观测总的传输系数，或者尝试得到这个功分器 / 合路器的 S 参数矩阵（4 个分路 + 1 和合路，5*5 的矩阵）。目前仅有 2、3 端口被使用，1、4 端口开路，所以难以做出实际工作状态的详细判定，不过有一点可以确定，信号经过 2、3 端口的插损、相位变化肯定基本上是接近的。

# 滤波器

滤波器测量结果如下图：

在 1.35GHz 到 1.48GHz 上，滤波器的插损小于 5dB，较为平坦。

可以看出滤波器在不同频带上的群时延可能不同， 不过由于主要工作在 1.35GHz 和 1.48GHz 上，因此我们只需要估计工作频带内的群时延。在 1.35GHz 到 1.45GHz 上，相位由 50° 变化到 - 180°，因此 $d(\phi)/d(\omega)=\Delta(\phi)/\Delta(\omega)=1.278\pi/(2\pi*0.1e9)=6.39 ns$，即矢网的信号从发射端口到接收端口总共花费了 6.39ns，同轴线中的光速为$3e8*0.66m/s$，因而可以估出信号走过的长度为$3e8*0.50*6.39e-9=0.9585m$（假设等效到 RF-4 板材上，RF-4 板材上的光速约为真空中光速中的一半），即滤波器等效长度为 0.9585m。

# snp 文件的绘图示例代码

scikit-rf（又名 skrf）是一个开源的、BSD 许可的软件包，用于用 Python 编程语言实现的射频 / 微波工程。它为网络分析和校准提供了一个现代的、面向对象的库，该库既灵活又可扩展。请参阅下面的一些功能，并查看文档以更深入地了解 scikit-rf。

Index — scikit-rf

Tutorials — scikit-rf Documentation

import skrf as rf

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']

plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决保存图像时负号 '-' 显示为方块的问题

# 加载 .s2p 文件

S_LNA_1 = rf.Network(r"C:\Users\BI6MHT\Desktop\干涉实验\nanovna\port2_低噪放1_加电.s2p")  # 替换为你的 .s2p 文件路径

S_Att = rf.Network(r"C:\Users\BI6MHT\Desktop\干涉实验\nanovna\port2_衰减器.s2p")  # 替换为你的 .s2p 文件路径

# 消除衰减器的影响

S = S_LNA_1/S_Att

# 直接绘图

# S.plot_s_db(m=1,n=0)

freq = S.f/1e9

# S 参数数值换算

# [:,1,0] 中的 1 和 0 代表 2 和 1，即 S21

S21 = 20*np.log10(abs(S.s[:,1,0]))

S21_deg = np.rad2deg(np.angle(S.s[:,1,0]))

S21_LNA_1 = 20*np.log10(abs(S_LNA_1.s[:,1,0]))

S21_deg_LNA_1 = np.rad2deg(np.angle(S_LNA_1.s[:,1,0]))

S21_Att = 20*np.log10(abs(S_Att.s[:,1,0]))

S21_deg_Att = np.rad2deg(np.angle(S_Att.s[:,1,0]))

# 开始画图，设置图片大小

plt.figure(1, figsize=(10,5))

# S

plt.subplot(1,2,1)

plt.plot(freq, S21, label='低噪放1增益', color='blue', linewidth=2.5)

plt.plot(freq, S21_LNA_1, label='低噪放1和衰减器串联的增益', color='red', linewidth=2.5)

plt.plot(freq, S21_Att, label='衰减器增益', color='k', linewidth=2.5)

plt.grid()

plt.title('S21参数幅度'); plt.xlabel('频率 (GHz)'); plt.ylabel('增益(dB)'); plt.legend(loc='upper center')

plt.ylim([-40,40])

# S21_deg

plt.subplot(1,2,2)

plt.plot(freq, S21_deg, label='低噪放1相位', color='blue', linewidth=2.5)

plt.plot(freq, S21_deg_LNA_1, label='低噪放1和衰减器串联的相位', color='red', linewidth=2.5)

plt.plot(freq, S21_deg_Att, label='衰减器相位', color='k', linewidth=2.5)

plt.grid()

plt.title('S21参数相位'); plt.xlabel('频率 (GHz)'); plt.ylabel('相位(°)'); plt.legend()

plt.ylim([-50,90])

plt.show()