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1 概述

本指导书描述罗德与施瓦茨公司为高校基础射频实验室建设提供所必需的射频

实验系统（包括射频电路教学套件、测量仪器——FPC1500）的使用方法，以及基于该平台所能实现的教学实验。通过教师讲解、操作练习，可以使学生更好的掌握射频微波基本知识、射频电路设计、基本元器件性能、射频基本发射和接收链路特性以及测量相关知识。

传统的基础射频实验室建设至少需要三台典型仪器，包括频谱分析仪、信号发生器以及网络分析仪，如果针对较大规模的实验室，建设成本很高。罗德与施瓦茨公司发布的入门级三合一射频测试仪器——FPC1500，从根本上帮助客户解决了这一难题，它是一台将射频测试最常用的三种仪器集成起来的经济型频谱分析仪。

2 射频实验系统介绍

该系统设计、生产均来自德国，为客户提供低成本、高品质的实验设备。系统

覆盖频段 5KHz-3GHz，主要由射频电路教学套件和频谱分析仪-FPC1500 组成，以及实验所需线缆、转接头等。实验系统可连接至实验室局域网，教师可以通过罗德与施瓦茨公司的免费 Instrument View 软件，同时连接各个试验台的测试仪器，通过投影展示和讲解实验结果。

2.1 射频电路教学套件

射频电路教学套件由完整的发射链路（由混频器、滤波器、衰减器、放大器组

成），接收链路（由衰减器、低噪声放大器、滤波器、混频器组成），校准单元

（开路、端口、匹配），IQ 调制器/解调器，本振以及电源模块组成。

发射链路和接收链路中的各个器件都可以进行独立或者联合测试，通过FPC1500 的跟踪源和独立源功能，配合频谱分析功能，可以实现多种实验测试，具体实验项目和操作方法在第三章进行详细介绍。

套件本身可以产生两种不同频率的本振信号，636.5MHz 和 317.75MHz，可以

通过跳线开关进行选择控制。

校准单元可以用于 FPC1500 矢量网络分析功能的校准，同时也可以帮助学生了

解在开路、短路和匹配不同状态下，矢量网络分析仪的测试结果。

IQ 调制器和解调器的应用需要额外配合模拟 IQ 信号产生器才能正常工作，本实

验指导书列为选测项目，供客户参考，如有进一步需求，请联系罗德与施瓦茨公司。

套件可以通过 5V 直流电源供电或者 USB 接口供电，简单起见，可以直接通过

FPC1500 的 USB 供电即可。

套件基本结构如下图所示：

2.2 频谱分析仪 FPC1500

频谱分析仪是射频测试最重要的仪器之一，熟悉频谱分析仪的操作和原理，对

于射频微波专业的学生是非常重要的学习内容。同时，现代的射频工程师除了频谱分析仪之外，工作中还会经常用到矢量网络分析仪和射频信号源，FPC1500 可以集这三种仪表于一身，为学生提供一站式的测试仪器。

2.2.1 原理介绍

现代频谱分析仪的典型实现方式就是通过超外差方式，典型的超外差式频谱分

析仪基本结构图如下：

外差式扫描接收机通过混频器和本地振荡器（LO）将输入信号转换到中频。调

节本振频率，把整个输入频率范围转换到一个固定的中频。然后可用一个固定中心频率的中频滤波器来得到分析仪的分辨率。转换的信号在进入中频滤波器前被放大，该滤波器决定了分辨率带宽。这个中频滤波器有一个固定的中频，因此避免了可调滤波器的相关的难题。

为允许一个宽电平范围信号可同时在屏幕上显示，中频信号用对数放大器来压

缩，然后进行包络检波，所得信号称为视频信号。该信号可被称做视频滤波器的可调低通滤波器来平均化，从而不受噪声影响并且可平滑显示。

现代频谱分析仪使用快速数字信号处理，输入信号通过 A/D 转换器在一个合适

的点上采样，使用数字信号处理器进行进一步的处理。随着数字信号处理的快速发展，采样模块在信号路径中的位置进一步前移。从前视频信号在模拟包络检波器和视频滤波器后被采样，而现代频谱分析仪经常在末级低中频后进行数字化，中频信号的包络由采样来确定。同样的，与以前的外差接收机通过模拟锯齿波信号调谐第一级本振不同，LO 借助锁相环（PLL）锁定在一个参考频率上，通过改变间隔因子来调节。PLL 技术的好处就是可获得比模拟调谐更高的频率精度。

2.2.2 产品介绍

FPC1500 的频谱分析仪功能采用超外差方式实现，频率可以通过软件进行频段

升级，可选 1GHz、2GHz 和 3GHz 三个频段。分辨率带宽可低至 1Hz，底噪低至-165dBm（典型值）方便观测和分辨小信号。

FPC1500 采用独特的内部 VSWR 电桥设计，可以执行单端口矢量反射测量。此

功能可用于 RF 天线或 RF 电路的阻抗测量，并可显示史密斯圆图；或进行故障点距离测量以检测 RF 长电缆的故障点。同时 FPC1500 还可以进行传输特性测量，广泛应用在滤波器、衰减器等器件测试上。由于内置 VSWR 电桥，因此在切换测量模式时无需安装/卸除外部 VSWR 电桥，例如切换频谱分析仪模式和矢量网络分析仪模式。

RF 工程通常需要测试无源或有源 RF 电路；这些电路本身不会产生 RF 信号，

例如放大器、滤波器或 RF 电缆。仅使用频谱分析仪不足以进行此类测试，还需要借助信号发生器。FPC1500 具备跟踪源功能，可执行标量传输测量，例如 RF 滤波器的频率响应测量。

FPC1500 可以在独立模式下使用集成式信号源，功能更加丰富。由于具备这种

独特功能，FPC1500 可用作连续波 (CW) 信号发生器。信号源可用作 LO 信号以进行混频器测量，或用作输入信号以进行放大器增益测量。

3 实验项目

3.1 实验一：射频波形基本测量

3.1.1 实验目的

通过本实验，使同学们掌握频谱分析仪的基本操作方法，同时也帮助同学认识最基本的射频信号波形正弦波。

3.1.2 实验原理

FPC1500 可以产生任意频率的正弦波信号（配置频段范围之内），功率范围-

30dBm 到 0dBm。同时，FPC1500 还可以工作在 couple cw 模式，也就是说一台仪表就可以既产生指定频率的正弦波信号，又可以同时进行正弦波信号的测试与分析。正弦波是频率成分最为单一的一种信号，因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。理论上正弦波信号的时域波形和频域波形如下图所示：

但是在实际测量中，由于频谱分析的内部结构（第二章），使得在频谱分析

仪上看到的实际正弦波信号的频谱是具有一定带宽的形状，该形状取决于中

频滤波器的带宽，如下图所示：

3.1.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X202 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X204 接头。如下图所示：

3. 设置 FPC1500，使其产生 1GHz 的正弦波，并且通过频谱功能测量正弦波功率，记录链路损耗。具体设置方法，如下表所示：

选项设置内容

Mode 频谱分析仪

Meas->Source Couple CW

Level 0 dBm

Freq 1GHz

Span 20MHz

Ampt->参考电平 10dBm

Mkr 标记读数

BW->手动分辨率带宽可以根据需求设置相应的 RBW

测试结果示意图：

4. 记录并且分析链路损耗，思考为什么会有链路损耗？

5. 通过调整 FPC1500 的 RBW，观察正弦波频谱形状的变化，思考为什么会有这种变化，和理论的正弦波频谱有何差异？

3.2 实验二：射频信号谐波测量

3.2.1 实验目的

通过本实验，使同学们掌握在实际硬件系统中产生各次谐波的原因，以及通过频谱分析观察谐波的特征。帮助同学更加深刻的理解谐波的概念。

3.2.2 实验原理

理论上正弦波是单一频率的信号，但是由于产生正弦波的设备自身硬件存在着非线性，并且在测试过程中，信号经过教学套件的实际链路后，也会带来一定的非线性。因此在频谱分析仪上看到的正弦波会存在多次谐波分量，测量并记录分析各次谐波的功率。

3.2.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X202 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X204 接头。如下图所示：

3. 设置 FPC1500，使其产生 200 MHz 的正弦波，并且通过频谱功能测量二次、三次、四次谐波功率，记录结果。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

4. 记录各次谐波的功率，思考为什么会有谐波信号产生？

3.3 实验三：发射链路混频器测量

3.3.1 实验目的

混频器是射频链路中的关键器件，通过本实验，使同学们掌握混频器的工作原理，帮助同学深刻理解混频器在发射链路中的作用。

3.3.2 实验原理

混频器，是产生的振荡频率为两个输入振荡或信号频谱分量中的频率的整数倍的线性组合的非线性器件。输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。对于教学套件中的发射链路，混频器的输出信号频率为输入的射频信号和本振信号之和。教学套件的本振信号默认频率是 636.5MHz，可以通过 FPC1500产生相应频率的射频信号，使得混频器输出指定频率的信号。混频器和本地振荡器共同组成发射链路的上变频器。

对于混频器，常见的测试项目包括混频器频率，变频损耗，端口匹配，1dB 压缩点等。基于 FPC1500 可以完成相应的测试，同时为了便于观测混频器输出信号，一般测试时都会选择在相应的滤波器之后进行测试。

3.3.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X608 设置为 POS2，X407 设置为 POS2。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X600 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X403 接头。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在跟踪源模式，测试混频器的变频损耗，记录结果。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

5. 思考混频器工作原理，为什么会有变频损耗？

3.4 实验四：发射链路滤波器测量

3.4.1 实验目的

在射频链路中滤波器有着重要的作用，是发射链路和接收链路必不可少的器件。通过本实验，使同学们掌握滤波器的工作原理，帮助同学深刻理解滤波器在发射链路中的作用，了解射频信号经过滤波器之后的特性。

3.4.2 实验原理

滤波器重要功能就是对“波”进行过滤的器件，在电子技术领域，常见的“波”指的就是信号。在射频链路中，滤波器主要功能就是对指定频率之外的信号进行滤除，使得通过滤波器的只是指定频率的信号。常见的滤波器有低通、高通、带通和带阻四种。教学套件中的滤波器类型为带通滤波器，中心频率836.5MHz，带宽约为40MHz。一般用中心频率、截止频率、插入损耗、带内波动、回波损耗等参数对滤波器进行衡量，基于 FPC1500 可以实现对滤波器的完整测试，本实验以插入损耗和回波损耗为例进行演示。

3.4.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X407 设置为 POS1，X408 设置为 POS1。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X401 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X403 接头。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试滤波器的传输指标参数（插入损耗），反射指标参数（回波损耗）。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

5. 思考为什么滤波器需要测试传输和反射参数？反射参数如果不好，会有什么影响？

3.5 实验五：发射链路衰减器测量

3.5.1 实验目的

衰减器是一种提供衰减的电子元器件，广泛应用于电子电路中。通过本实验，使同学们掌握衰减器的工作原理，帮助同学深刻理解不同衰减器设置，对信号带来的不同影响。

3.5.2 实验原理

衰减器是在指定频率范围内，一种用来引入预定衰减的电路，它可以调节链路中信号大小。教学套件中的衰减器，可以通过 DIP 开关进行衰减值的改变，具体设置在实验内容章节有详细描述。通过 FPC1500 可以方便测量器件不同的衰减值是否准确。

3.5.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X408 设置为 POS1，X409 设置为 POS1。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X404 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X405 接头。可以通过 DIP 开关设置不同的衰减值。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试衰减器的传输指标参数，反射指标参数。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

反射参数：

如果需要测量衰减器的反射参数指标，测试方法同滤波器的反射参数，请参考 3.5 章节内容。

5. 通过 DIP 开关，改变不同的衰减器设置，可以观测不同的测量结果。思考衰减器在发射链路中的作用是什么？

3.6 实验六：发射链路放大器测量

3.6.1 实验目的

放大器通信系统中发送装置的重要组件，可以将高频信号进行功率放大，以满足发送功率的要求。通过本实验，使同学们掌握放大器的工作原理，帮助同学深刻理解放大器对信号传输带来的影响。

3.6.2 实验原理

放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

一般来讲对于放大器，需要测试其增益、回波损耗、1dB 压缩点等指标，基于

FPC1500 可以完成这些测试。

3.6.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X409 设置为 POS1。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X406 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X402 接头。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试放大器的传输指标参数，反射指标参数。具体设置方法，如下表所示：

传输参数测试：

测试结果示意图如下：

反射参数：

如果需要测量衰减器的反射参数指标，测试方法同滤波器的反射参数，请参考 3.5 章节内容。

5.思考放大器在发射链路中的作用是什么？

3.7 实验七：发射链路级联测量

3.7.1 实验目的

常见的射频发射链路由混频器、滤波器、衰减器、放大器组成，通过本实验，使同学们掌握射频发射链路的工作原理，帮助同学深刻理解发射链路上面的各个器件的作用。

3.7.2 实验原理

基于教学套件上的滤波器、衰减器和放大器组成的发射链路，可以通过 FPC1500 的矢量网络分析功能，测量链路的信号传输特性，并且同时可以通过改变链路中衰减器的值，来观测不同设置对整个链路信号大小的影响。

3.7.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X407 设置为 POS1，X408 设置为 POS2， X409 设置为

POS2。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X401 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X402 接头。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试发射链路（包括滤波器、衰减器、放大器）的传输指标参数，反射指标参数。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

反射参数：

如果需要测量衰减器的反射参数指标，测试方法同滤波器的反射参数，请参考 3.5 章节内容。

5. 通过 DIP 开关，改变不同的衰减器设置，可以观测不同的测量结果。

3.8 实验八：接收链路衰减器测量

3.8.1 实验目的

3.8.2 实验原理

衰减器是在指定频率范围内，一种用来引入预定衰减的电路，它可以调节链路中信号大小。教学套件中的衰减器，可以通过 DIP 开关进行衰减值的改变，具体设置在实验内容章节有详细描述。通过 FPC1500 可以方便测量器件不同的衰减值是否准确。对于接收链路的衰减器，一般来讲都会放在最前端，这样可以对意外进入的大信号进行衰减，避免接收机内部其他器件被损坏。

3.8.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X511 设置为 POS1。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X504 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X505 接头。可以通过 DIP 开关设置不同的衰减值。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试衰减器的传输指标参数，反射指标参数。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

反射参数：

如果需要测量衰减器的反射参数指标，测试方法同滤波器的反射参数，请参考 3.5 节内容。

5. 思考为什么在接收链路中，衰减器放在最前端？

3.9 实验九：接收链路低噪声放大器测量

3.9.1 实验目的

低噪声放大器一般用在各种接收机中，通过本实验，使同学们掌握低噪声放大器的工作原理，帮助同学深刻理解接收端的低噪声放大器与发射端的放大器相比有哪些差异。

3.9.2 实验原理

低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

一般来讲对于放大器，需要测试其增益、回波损耗、1dB 压缩点等指标，基于

FPC1500 可以完成这些测试。

3.9.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X511 设置为 POS1，X510 设置为 POS1。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X506 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X503 接头。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试放大器的传输指标参数，反射指标参数。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

反射参数：

如果需要测量衰减器的反射参数指标，测试方法同滤波器的反射参数，请参考 3.5 章节内容。

5.思考低噪声放大器在接收链路中的作用是什么？

3.10 实验十：接收链路滤波器测量

3.10.1 实验目的

在射频链路中滤波器有着重要的作用，是发射链路和接收链路必不可少的器件。通过本实验，使同学们掌握滤波器的工作原理，帮助同学深刻理解滤波器在接收链路中的作用，了解射频信号经过滤波器之后的特性。

3.10.2 实验原理

一般用中心频率、截止频率、插入损耗、带内波动、回波损耗等参数对滤波器进行衡量，基于 FPC1500 可以实现对滤波器的完整测试，本实验以插入损耗和回波损耗为例进行演示。

3.10.3 实验内容

1. 通过 USB 接口给教学套件供电，使其工作在正常模式。

2. 教学套件跳线设置，X510 设置为 POS1，X509 设置为 POS1。

3. FPC1500 的 Gen Output 输出口连接至教学套件的 X502 接头，RF Input 输入口连接至教学套件的 X507 接头。如下图所示：

4. 设置 FPC1500，使其工作在矢量网络分析仪模式，测试滤波器的传输指标参数（插入损耗），反射指标参数（回波损耗）。具体设置方法，如下表所示：

测试结果示意图如下：

反射参数测试：如果需要测量滤波器的反射参数指标，测试方法同 3.5 章节内容。

5.思考滤波器在接收链路中的作用是什么？

3.11 实验十一：接收链路混频器测量

3.11.1 实验目的

混频器是射频链路中的关键器件，通过本实验，使同学们掌握混频器的工作原理，帮助同学深刻理解混频器在接收链路中的作用。

3.11.2 实验原理

混频器，是产生的振荡频率为两个输入振荡或信号频谱分量中的频率的整数倍的线性组合的非线性器件。输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。对于教学套件中的接收链路，混频器的输出信号频率为输入的射频信号和本振信号之差。教学套件的本振信号默认频率是 636.5MHz，可以通过 FPC1500产生相应频率的射频信号，使得混频器输出指定频率的信号。混频器和本地振荡器共同组成接收链路的下变频器。