微波测量实验报告.docx
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微波测量实验报告
北京邮电大学
微波测量实验报告
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院系:
《微波射频测量技术基础》课程实验
实验一微波同轴测量系统的熟悉
一、实验目的
1、了解常用微波同轴测量系统的组成,熟悉各部分构件的工作原理,熟悉其操作和特性。
2、熟悉矢量网络分析仪的操作以及测量方法。
二、实验内容
1、常用微波同轴测量系统的认识,简要了解其工作原理。
微波同轴测量系统实物图如图所示:
微波同轴测量系统包括三个主要部分:
矢量网络分析仪、同轴线和校准元件或测量元件。
各部分功能如下:
1)矢量网络分析仪:
对RF领域的放大器、衰减器、天线、同轴电缆、滤波器、分支分配器、功分器、耦合器、隔离器、环形器等RF器件进行幅频特性、反射特性和相频特性测量。
2)同轴线:
连接矢量网络分析仪和校准元件或测量元件。
3)校准元件:
对微波同轴侧量系统进行使用前校准,以尽量减小系统误差。
测量元件:
待测量的原件(如天线、滤波器等),可方便地通过同轴线和矢量网络分析仪连起来。
2、掌握矢量网络分析仪的操作以及测量方法。
1)矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能
a)矢量网络分析仪的面板组成以及各部分功能
前面板说明:
图2-1前面板
(1)电源开关按钮(Power)
仪器的电源开关,插好后面板电源线,连接到市电电源,按下电源开关,液晶屏会点亮,表明仪器内部电源已接通。
(2)液晶显示器
显示网络测试特性的波形和参数。
(3)选配的辅助DC输出插座(中正外负,选件)。
(4)激励源输出端口S(RFOutput)
此端口既可以根据设置的频段输出连续的扫频信号,也可以输出某一固定频率的点频信号,输出信号的最大幅度为+7dBm,端口的接头类型为BNC型,默认输出阻抗为50Ω。
(5)测试端口A(Input)
测试输入端口用作测试的输入端,接头类型为BNC型。
(6)测试端口B(Input)
测试输入端口用作测试的输入端,接头类型为BNC型。
前面板按键及功能菜单:
(7)数据操作区
数字输入键:
这些键用于输入相应的数值、数字。
在数据输入状态下,按这些键即可顺序输入数字。
退格键:
在用数字键输入任何数值、数字时,如果上一步按键操作输入的数字有误,按此键后即可将输入光标退回原位置并将上一步输入的数字删除。
确认键:
确认键的作用是对用数字键输入的数字进行最终确认。
按下确认键表示数字输入完成。
但有些数字输入不能靠确认键确认,需要按下液晶屏显示区域相应的单位键方为有效,如频率的输入。
旋钮:
用旋钮可以按照一定步距连续改变频标位置等需要改变的测量状态数值。
连续改变的大小取决于测量范围的大小。
旋钮的转动速度不影响量值的改变速率。
(8)『频率』键
起始频率软键
起始频率键的功能是设置网络仪输出信号的起始频率。
当设置的起始频率小于网络仪最小起始频率值时,网络仪自动设置为最小起始频率值。
终止频率软键
终止频率键的功能是设置网络仪输出信号的终止频率。
当设置的终止频率大于网络仪最大终止频率值时,网络仪自动设置为最大终止频率值。
中心频率软键
中心频率键的功能是设置网络仪输出信号在屏幕中心的频率值。
当输入的中心频率值大于网络仪的最大频率值时,网络仪自动将中心频率设置为最大频率值。
并同时设置扫频带宽为0;当输入的中心频率值小于网络仪的最小频率值时,网络仪自动将中心频率设置为最小频率值,并同时设置扫频带宽为0。
扫频宽度软键
扫频宽度键的功能是设置网络仪的扫频带宽,设置范围从50KHz到300MHz。
并可以任意设置,没有任何限制。
需要说明的是当中心频率设置为最大值或最小值时,扫频带宽自动设置为0Hz。
当扫频带宽的设置值超出网络仪频率范围的下限时,仪器将自动将中心频率到最小频率的范围向高端扩大一倍作为当前的扫频带宽,而不是所输入的扫频带宽值。
反之,当扫频带宽的设置值超出网络仪频率范围的上限时,仪器将自动将中心频率到最大频率的范围向低端扩大一倍作为当前的扫频带宽,而不是所输入的扫频带宽值。
点频软键
点频软键用来设置单一输出频率,不进行频率扫描。
输出幅度软键
该软键用来设置源输出信号电平的大小,单位为dBm,范围从-73dBm到+7dBm。
缺省输出为0dBm。
数字键可用来对输出信号电平进行设定,设定时最后需按下确认键方可生效。
当所设定的输出信号电平大于仪器的最大输出电平时仪器会自动将输出信号电平设置为最大输出电平,而当所设定的输出信号电平小于仪器的最小输出电平时仪器会自动将输出电平设置为最小输出电平。
(9)『测量』键
按下该键后在屏幕的菜单区将出现一级选择菜单,根据其中的功能选项可以设置不同的测试方式。
它有五个功能选项,介绍如下:
反射传输(A/B)功能选项
选中该功能选项设置当前逻辑通道为传输测量通道和反射测量通道交互进行(需要反射电桥进行测量)。
反射测量(A/R)功能选项
选中该功能选项设置当前逻辑通道为反射测量通道。
此时屏幕顶部显示当前的测量通道为“REFL(A/R)”。
(需要反射电桥进行测量)进入下一级子菜单:
反射系数菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为反射系数。
回损菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为回波损耗。
驻波菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为驻波比。
返回菜单
返回上一层菜单。
传输测量(B/R)功能选项
选中该功能选项设置当前逻辑通道为传输测量通道,此时屏幕顶部显示当前的测量通道为“TRAN(B/R)”。
进入下一级子菜单:
传输系数菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为传输系数。
增益菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为增益。
衰减菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为衰减。
群延时菜单
选中该功能选项设置当前测量参数为群延时。
返回菜单
返回上一层菜单。
(方向图)菜单和(阻抗测试)菜单均为选件菜单在此不做介绍。
(10)『频标』键
按下该键后在屏幕的菜单区将出现一级选择菜单,选中其中不同的功能选项,可以激活、关闭不同的频标,它有如下功能选项,介绍如下:
频标1功能选项
该功能选项是一个开关项,每次选中后在“开”和“关”之间切换。
当频标功能的开关状态为“开”时,频标1将会出现在测试曲线上面,通过快速旋轮可以调整频标的频率,也可以在频标激活的情况下直接键入频率值,设置其到用户需要读数的频率,则可以读出相应频点的读数。
而当频标功能的开关状态为“关”时,为关闭频标1。
频标2的功能选项同频标1。
频标3的功能选项同频标1。
频标4的功能选项同频标1。
需要说明的是:
在频标的使用过程中,只有在旋轮未按下的情况下转动旋钮,否则会出现不可预知的错误;当频标的频率设置变化很大时,建议采用直接键入频率值的方法来实现。
另外:
在某一时刻,只能操作4个频标中的一个。
最大值和最小值软键:
按下任一软键,最大(小)值的频标将显示(或擦除)在测试曲线上,并激活(或关闭)对应的读数显示,默认情况下关闭显示。
(11)『扫描』键
按下该键后在屏幕的菜单区将出现一级选择菜单:
扫描点数功能选项
选中该功能后,可以设置扫频时的扫描点数。
触发保持功能选项
选中该功能选项后,仪器会在扫描一次完成后自动停止。
此时,屏幕左上角的状态将显示“HD”,表明当前处于触发保持状态。
连续扫描功能选项
该功能选项与保持功能配合使用,选中该功能选项后,仪器将继续正常扫描。
此时,屏幕左上角的状态将显示“CT”,表明当前处于连续扫描状态。
(12)『刻度』键
按下该键后在屏幕的菜单区将出现一级选择菜单,根据其功能选项可以设定当前测试显示方面的一些参数。
如参考位置、参考值等。
它有如下功能选项:
自动功能选项
选中该功能选项后,仪器会自动调整“参考值”、“值/格”的值,使所显示的测量曲线自动调整到最佳位置。
在测量时,用户可随时按下该功能软键调整测量曲线的最佳显示。
相位功能选项
该功能选项用于设置相位曲线的每格值,下一级子菜单将显示有90,45,30,5。
参考功能选项
选中该功能选项后,屏幕的菜单区将出现三级子菜单:
参考线1、参考线2、幅度参考、相位参考、返回,分别介绍如下:
参考线1功能选项
选中该功能选项后,菜单区域显示当前的幅度曲线的参考位置值,并可通过数字输入修改。
参考线2功能选项
选中该功能选项后,菜单区域显示当前的相位曲线(在谐振测试时无效)的参考位置值,并可通过数字输入修改。
本功能选项在相位曲线被关闭时失效。
幅度参考功能选项
选中该功能选项后,菜单区域显示当前的幅度参考值,可通过数字输入修改。
相位参考功能选项
选中该功能选项后,菜单区域显示当前的相位参考值(在谐振测试时无效),并可通过数字输入修改。
本功能选项在相位曲线被关闭时失效。
返回功能选项
选中该功能选项后,将返回到上一级菜单。
值/格功能选项
选中该功能选项后,菜单区域显示当前的幅度值/格,并可通过数字输入来修改显示区纵向每格所代表的单位数值。
对数功能选项
选中该功能选项后,屏幕的菜单区将出现三级子菜单:
10dB、5dB、2dB、1dB、返回,选中对应的软键,将改变显示区幅度曲线纵向每格所代表的dB值。
需要说明的是:
本功能选项只有在幅度参数曲线为对数(dB为单位)格式时才有效。
圆图功能选项
选中该功能选项后,显示格式为极坐标图或史密斯圆图,进入下一级子菜单:
在极坐标格式下:
有值/格、自动、频标和返回四个功能选项;而在史密斯圆图格式下:
有最大圆值、自动、频标和返回四个功能选项。
其中,值/格和最大圆值的功能均为调节圆的显示比例,系统默认值分别为:
0.20和1.00,可用数字键设置调节。
自动功能选项
选中该功能选项后,显示比例将回到系统默认值。
频标功能选项
选中该功能选项后,将显示当前频标点的频率值和测量值。
在极坐标格式下,显示矢量的幅值和幅角;而在史密斯阻抗圆图格式下,显示归一化的电阻值和电抗值(以特性阻抗50Ω为归一化阻抗值),例如:
显示测量值为:
0.6和-2,则实际阻抗值为:
(0.6-2j)*50Ω=30-100jΩ。
表明实际电阻值为30Ω,实际电抗值为-100Ω。
返回功能选项:
返回上一级菜单。
需要说明的是:
在双通道测量时,圆图功能不能使用。
(13)系统菜单
按下系统设置键后在屏幕的菜单区将出现一级选择菜单,分别介绍如下:
复位功能选项
选中该功能选项后,仪器将复位,复位后仪器将恢复到系统预设状态。
校正功能选项
选中该功能选项后,将根据不同的测试方式,产生不同的菜单,进行不同的校正过程。
在传输测试时,选中校正,将出现以下菜单项:
出厂校正:
该菜单为仪器检验人员使用,需要密码进入,用户不得进入。
传输直通:
选中该功能选项,系统将进行一次传输直通校正。
并且当校正完成后,此时,屏幕左上角的状态将显示“CA”,表明已经完成校正,否则,显示标记“NC”,表明用户还未作校正。
而在反射测试时,选中校正,则出现如下菜单项:
(反射测试需要外加电桥)
出厂校正:
该菜单为仪器检验人员使用,需要密码进入,用户不得进入。
自校正:
选中该功能选项,进入下一级子菜单,系统将进入反射校正过程,需要分三步进行:
反射开路:
将电桥的ZX端开路,选中该功能选项,系统将作一次开路校正;
反射负载:
在电桥的ZX端接入匹配负载50Ω,选中该功能选项,系统将作一次负载校正;
执行:
在完成了以上校正过程以后,须按下该功能选项,系统才完成全面的反射校正过程。
并且当校正全部正确完成后,此时,屏幕左上角的状态将显示“CA”,表明已经完成校正,否则,显示标记“NC”,表明用户还未作校正。
平均功能选项
选中该功能选项后,将出现以下子菜单:
自动平均:
选中该功能选项,系统将按照默认方式进行数据平均;
扫描平均:
该功能选项是一个开关项,每次选中后在“开”和“关”之间切换。
当功能的开关状态为“开”时,将打开扫描平均功能;而当功能的开关状态为“关”时,为关闭该功能。
点平均:
该功能选项需要数值输入,点平均因子值越大,测量值越精确,但是扫描速度越慢,系统默认值为1。
平滑:
该功能选项是一个开关项,每次选中后在“开”和“关”之间切换。
当功能的开关状态为“开”时,将打开数据平滑功能;而当功能的开关状态为“关”时,为关闭该功能。
返回:
返回上一级菜单。
通道功能选项
选中该功能选项后,将出现以下子菜单:
通道A和通道B,选中其中之一,将变换物理测量通道A或B(对应于前面板上的A、B通道),默认为A通道测量。
接口功能选项
选中该功能选项后,将出现以下子菜单:
232、USB和GPIB(后两种方式为选配功能),该三种为仪器与上位机的接口方式,选中其中之一,通过外部电缆线连接到上位机,将打开对应的接口。
具体的命令协议见附录。
需要说明的是:
该菜单功能为即选即用方式,即必须在选中对应功能选项后,接口打开,一旦未选中,接口自动关闭。
更多功能选项
选中该功能选项后,将进入下一级子菜单:
存储调用
选中该功能选项后,将出现以下子菜单:
存储1、调用1、存储2、调用2,选中存储子菜单,将当前测量曲线存储在仪器内部存储区,有两个独立的存储区域;而选中调用子菜单,将对应存储区的存储内容调出来,显示在屏上。
语言
选中该选项后,系统语言中/英文切换。
2)S参数测量步骤
a)将一个待测的二端口网络通过同轴线接入矢量网络分析仪,组成一个微波同轴测量系统,如下图所示:
测量的S参数设置:
【measure】键选择测量参数,按下后显示屏的软键菜单会显示[S11]、[S12]、[S21]、[S22]四个待选测试参数,通过按下相应软键来选择要测量的S参数
被测S参数显示格式设置:
【format】键选择参数显示格式,按下后显示屏的软键菜单会显示[LOGMAG]、[PHASE]、[DELAY]、[SMITHCHART]、[POLAR]、[LINMAG]、[SWR],分别表示以对数幅度、相位、群延迟、史密斯圆图、极座标、线性幅度、驻波比的形式显示测量参数,通过按下相应软键来选择要显示的测量格式。
利用光标读取测量结果:
按下【marker】键就会在显示屏上的测试曲线上显示光标,对应显示屏的软键菜单处会显示光标编号[1]、[2]、[3]、[4]、[5],按下相应软键会显示对应编号的光标,默认会显示1号光标。
通过旋转旋钮键就会移动光标的位置,而在显示屏右上角会显示光标对应位置的频率和测量值。
而通过数字键输入频率值也可以确定光标的位置。
b)然后经过SOLT校准,消除系统误差;
c)在矢量网络分析仪上调处S参数测量曲线,读出相应的二端口网络的S参量,保存为s2p数据格式和cst数据格式的文件。
三、思考题
1、是否可以直接进行电路参数的测量,为什么?
如何从测量的S参数导出电路参数。
(给出S参数到Z参数的转换公式,以及如何在ADS中应用。
)
答:
不可以,因为微波同轴测量系统只能对于微波的入射和反射的电压电流关系进行分析。
S参数到Z参数的转换公式如下:
=z0
-1
实验二微波同轴测量系统校准方法
一、实验目的
1、了解常用微波同轴测量系统的校准方法以及精度。
2、熟悉矢量网络分析仪的SOLT校准步骤以及校准精度验证方法。
二、实验内容
1、总结常用微波同轴测量系统的校准方法,比如TRL和SOLT,了解其校准原理和优缺点。
SOLT校准能够提供优异的精度和可重复性。
这种校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。
如果被测件上有雌雄连接器,还需要分别为雌雄连接提供对应的标准件,连接两个测量平面,形成直通连接。
SOLT校准方法使用12项误差修正模型,其中被测件的正向有6项,反向有6项。
图2显示了正向误差项:
ED(方向)、ES(源匹配)、EL(负载匹配)、ERF(反射跟踪)、ETF(发射跟踪)和EX(串扰)。
操作正确的话,SOLT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。
常用的校准套件中都包含SOLT标准校准件。
这些校准件包括各种连接器类型,并且价格相对便宜,小心使用的话可以用很多年。
有的SOLT校准套件包含滑动负载,因此可改变路径的线路长度,同时保持恒定的负载阻抗(通常为50Ω或75Ω)。
滑动负载在高频时尤为重要,因为在这种情况下很难实施良好的固定负载。
线路长度的变化会直接成比例地改变电长度,导致测量路径中发生相移。
通过在校准过程中使用几种不同长度的线路和相应的相移,可以更精确地测量网络分析仪的方向性(图3)。
双向直通SOL通常称为“未知直通”。
这种方法允许在遵守一些基本原则的条件下,在校准过程中使用电缆、电路板线轨或Ecal模块作为直通路径。
当处理非插入式设备(具有同性或不兼容的连接器,在校准期间需要使用适配器才能建立直通连接)时,未知直通尤为有用。
该适配器会给校准带来一个误差。
未知直通因为无需使用精密的或经过校准的适配器,并且可以最大限度地减少校准期间的电缆移动,所以非常有用。
它通常比其他需要去除适配器的方法更方便、更精确。
TRL校准极为精确,在大多数情况下,精确度甚至超过SOLT校准。
然而绝大多数校准套件中都不包含TRL标准件。
在要求高精度并且可用的标准校准件与被测件的连接类型不同的情况下,一般采用TRL校准。
使用测试夹具进行测量或使用探头进行晶圆上的测量,通常都属于这种情况。
因此,某些情况下需要构建和表征与被测件配置介质类型相同的标准件。
制造和表征三个TRL标准件比制造和表征四个SOLT标准件更容易。
TRL校准还有另一个重要优势:
标准件不需要像SOLT标准件那样进行完整或精确的定义。
虽然SOLT标准件是完全按照标准的定义进行表征和储存,而TRL标准件只建立模型而不进行完整表征,但是TRL校准的精度与TRL标准件的质量和可重复性成正比。
物理中断(例如传输线路弯曲和同轴结构中的焊缝)将会降低TRL校准的精度。
接口必须保持清洁并允许可重复的连接。
2、掌握矢量网络分析仪的SOLT校准步骤以及校准精度验证方法。
a)校准前测量各校准件(开路、短路、匹配和直通)S参数,并保存数据
b)a)校准前测量各校准件(开路、短路、匹配和直通)S参数,并保存数据
开路
短路
匹配
直通
b)矢量网络分析仪SOLT的校准步骤
校准步骤:
响应
校准
校准向导
校准类型
选择双端口SOLT
测量机械标准
依次选择1端口短路、开路、负载,直通,2端口短路、开路、负载进行校准。
c)校准后测量各校准件(开路、短路、匹配和直通)S参数,并保存数据
开路
短路
匹配
直通
d)比较校准前后校准件(开路、短路、匹配和直通)的S参数,解释说明各条曲线,并指出所做校准的精度情况
开路:
电路网络开路,则
=1,s参数初始在1位置,随着频率变化顺时针沿边缘移动,校准后曲线严格从边缘移动,并且曲线平滑。
短路:
电路网络短路,则
=-1,s参数初始在-1位置,随着频率变化顺时针沿边缘移动,校准后曲线严格从边缘移动,并且曲线平滑。
匹配:
电路网络匹配,则
=0,s参数始终位于Smith圆图中心。
在校准后s参数不再发散,位于单位圆的中心。
直通:
电路网络匹配,则
=0,s参数始终位于Smith圆图中心。
在校准后s参数不再发散,位于单位圆的中心。
矢量网络分析仪SOLT的校准步骤:
确定测量参考面(相位为0的测量面)
步骤1:
将Open,Short和Load的校准器件接入测试端口A、B,测量。
步骤2:
将测试端口A、B直通连接,测量。
一共进行了6次反射测量(A、B端口各3次),A、B直通连接进行了4次测量(4个S参数),一共进行了10项测量可以解得10个未知“误差矢量特征”。
如果在步骤1中增加2项传输测量,则可以求得12个“误差矢量特征”
方向性“误差矢量特征”可以直接由LOAD测量结果推出,这里给出了源和负载失配“误差矢量特征”的运算方程,它主要由OPEN和SHORT测量结果导出
这里“O”和“S”分别代表OPEN和SHORT,“a”代表标准件的实际参数,“m”代表测量得到的参数。
一旦各项误差项得到则被测件的实际参数也就得到了
c)校准后测量各校准件(开路、短路、匹配和直通)S参数,并保存数据
d)比较校准前后校准件(开路、短路、匹配和直通)的S参数,解释说明各条曲线,并指出所做校准的精度情况
三、实验原理、步骤及分析
在网络测量中出现的系统误差与信号泄露、信号反射和频率响应有关。
因此前向系统误差包括定向耦合器方向性、串扰、源失配、负载失配、传输跟踪和反射跟踪共6项误差,同理反向系统误差也包括6项。
通过使用已知的标准校准件进行校准,以减少和消除这些系统误差。
标准校准件包括开路器、短路器、匹配负载和直通线,它们的电特性都保存在网络仪内部。
网络仪对这些已知的标准校准件进行测量,将测量结果与标准校准件的已知数据比较,产生误差修正系数存储在网络仪内部,这一过程称作校准。
随后测量被测件并且用误差修正系数修正,因此网络仪最终显示的测试结果就消除了系统误差的影响。
用矢量网络分析仪做高频测量时有几种常用的校准类型,全二端口校准、归一化校准和单口校准。
全二端口校准包括修正上述全部前向及反向12项系统误差,归一化校准只修正系统频响误差(传输跟踪B/R和反射跟踪A/尺),单口校准用于反射测量,修正方向性、源失配和反射跟踪3项系统误差,因此全二端口校准是最精确的校准。
系统误差不仅与网络仪内部定向耦合器的方向性、接收机频响、信号源和负载的失配有关,而且与测试系统使用的连接电缆、转接头适配器以及测试夹具有关。
在实际应用中被测件的接口形式复杂多变,根据被测件与网络仪端口连接方式的不同分为以下4种情况,矢量网络分析仪SOLT的校准步骤按照以下顺序依次进行:
1、用开路器校准件校准
网络仪端口一般都是N型50欧姆或75欧姆端口,如果被测件端口也是50欧姆或75欧姆,并且阴阳极性匹配,这时只需校准网络仪内部的系统误差。
以下分析都假设被测件是二端口器件,系统误差模型采用全二端口模型。
将已知标准校准件开路器的两端接入实际参考面PA1和PA2,即把开路校准件接入矢量网络分析仪。
2、用短路器校准件校准
与1原理相同,将已知标准校准件短路器的两端接入实际参考面PA1和PA2,即把短路校准件接入矢量网络分析仪。
3、用匹配器校准件校准
与1原理相同,将已知标准校准件匹配器的两端接入实际参考面PA1和PA2,即把匹配器校准件接入矢量网络分析仪。
4、用匹配器校准件校准
与1原理相同,将矢量网络分析仪的两个参考面PA1和PA2直接相连即可。
实验三利用微波同轴测量系统进行实际器件测量
一、实验目的
1、利用SOLT校准方法进行微波同轴测量系统的校准.
2、测量天线和滤波器的实际性能。
二、实验内容
1、掌握矢量网络分析仪的SOLT校准步骤以及校准精度验证方法。
2、存储测量结果,并通过测量结果了解天线和滤波器的工作原理以及性能:
a)天线和滤波器的S参数测量曲线
b)通过分析其S参数,了解天线和滤波器所组成的网络的特性。
三、实验结果截图及分析
带通滤波器1的S11参数曲线
校准后的S11参数曲线
带通滤波器2的S11参数曲线
校准后的S11参数曲线
低通滤波器的S11参数曲线
校准后的S11参数曲线
天线的S11参数曲线
校准后的S11参数曲线
从上面4组微波器件可以看出,校准后的S11参数曲线明显比校准前平滑,曲线特性也更为明了,前后对比更突出了校准对为微波测量的结果有着极为重要的影响。
通过分析上述曲线,我们可以发现莎车的两个带通滤波器的功能是通过在电源线中接入电源滤波器,得到一个
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