现代微波测量技术(一)

1、专业选修课专业选修课（电子（电子科学与技术、物理科学与技术、物理电子学）电子学） 综合性强，理论与综合性强，理论与实践结合，强调基实践结合，强调基本概念与方法、技本概念与方法、技能掌握能掌握 课堂讲学（课堂讲学（30学时）学时） 讲授讨论讲授讨论 先导课程：电磁场与先导课程：电磁场与波、微波技术基础、波、微波技术基础、电子测量技术电子测量技术 微波信号源微波信号源 微波信号频率与频谱测量微波信号频率与频谱测量 微波信号功率测量微波信号功率测量 微波信号噪声测量微波信号噪声测量 网络反射参量测量网络反射参量测量 网络传输参量测量网络传输参量测量 网络参数的全面测定网络参数的全面测定 微波信号时域

2、测量微波信号时域测量 综合性微波测试实例综合性微波测试实例单重入式微波谐振腔设计与参数测试单重入式微波谐振腔设计与参数测试腔体滤波器的仿真、优化及测试腔体滤波器的仿真、优化及测试阻抗阻抗频率频率功率功率表征微波信号的三个重要基本参数表征微波信号的三个重要基本参数 测量测量测量测量测量测量 低频电子电路低频电子电路22VPVII RR电压电压电流电流微波测量与低频电子测量比较微波测量与低频电子测量比较 微波传输线中微波传输线中 j zj tUAeeIl 电压、电流参数使用不方便，特别是在非电压、电流参数使用不方便，特别是在非TEM波传输线系统中电压、电流的定义失去了波传输线系统中电压、电流的定义

3、失去了唯一性，如唯一性，如单导体单导体传输线波导模式电压，模传输线波导模式电压，模式电流。式电流。fcT 而在而在TEM波传输线系统波传输线系统工作于主模且在工作于主模且在行波行波条件下，行波电压条件下，行波电压V、电流、电流I和传输功率和传输功率P仍满足与低频电路相同关系式。仍满足与低频电路相同关系式。60lncrbZa典型代表同轴线典型代表同轴线 测量环境测量环境 测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的处空间的一切物理和化学条件一切物理和化学条件的总和。的总和。 测量环境包括测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、温度、湿度、力

4、场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。及其变化。 环境对测量的影响环境对测量的影响 环境对被测对象的影响：环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。 环境对仪器系统的影响环境对仪

5、器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。良效应有时会成为测量的严重问题。 环境对测量人员的影响：环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会

6、对测量人员的身心产生不良照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。海拔海拔温度温度湿度湿度测量误差的定义测量误差的定义 测量误差测量误差的基本概念的基本概念 测量的目的测量的目的: 获得被测量的获得被测量的真值真值。真值真值: 在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所 具有的真实数值。具有的真实数值。测量误差测量误差 : 0-xx A 测量误差的来源测量误差的来源 （2）影响误差）影响误差 由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、由于各种环境因素（温度

7、、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。 （1 1）仪器误差）仪器误差 由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。因素而使仪器带有的误差。 测量误差的来源测量误差的来源 （3）理论误差和方法误差）理论误差和方法误差 由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。的误差。 （4）人身误差）人身误差 由于测量人员感官的分辨能力

8、、反应速度、视觉疲由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。 （5）测量对象变化误差：）测量对象变化误差： 测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准 确，如引起动态误差等。确，如引起动态误差等。 测量误差的表示方法测量误差的表示方法 测量误差有测量误差有绝对误差绝对误差和和相对误差相对误差两种表示方法。两种表示方法。 由测量所得到的被测量值与其真值之差，称

9、为绝由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差，对误差， 有大小，又有符号和量纲。有大小，又有符号和量纲。 0 xxA xxA 与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为值，称为修正值修正值 CxAx 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。式。 AxC相对误差相对误差 一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。而且与这个量本身

10、的大小有关。 相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差：绝对误差与被测量的真值之比 01 0 0 %xA实际相对误差实际相对误差 示值相对误差示值相对误差 相对真误差相对真误差 100%xA1 0 0 %xx计量仪器的示值与被测量（约定）真值之差计量仪器的示值与被测量（约定）真值之差 测量标准的传递测量标准的传递 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。确可靠的测量。 计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给为基

11、准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的出具有法律效力的检定证书检定证书。 计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量的任务是确定测量结果的可靠性。 计量是测量的基础和依据。计量是测量的基础和依据。 没有计量，也谈不上测量。没有计量，也谈不上测量。 测量发展的客观需要才出现了计量。测量发展的客观需要才出现了计量。 测量是计量应用的重要途径。测量是计量应用的重要途径。 没有测量，计量将失去价值没有测量，计量将失去价值 为了保证测量结果的准确性，必须定期对为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校仪器进行检定和校准准，这个过程就是计量。，这个过程就是计量。 基准基准

12、用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。具的精度，不直接参加测量。 根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称具或仪器，简称标准标准。 检定：检定： 是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确一般要求计量标准的准确度为被检者的度为被检者的1/

13、3到到1/10。 比对：比对： 在规定条件下，对相同准确度等级的同类基在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。是考核量值的一致性。 校准：校准： 校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。 量值的传递：量值的传递： 指一个物理量单位通过各级基准、标准指一个物理量单位通过各

14、级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。 例：以太阳为基准，时间测量的精确度例：以太阳为基准，时间测量的精确度1 1天内可达到天内可达到1 1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过也不超过1 1秒。秒。 一个时期的一个时期的测量基准测量基准反映当时的人类认识水平和科反映当时的人类认识水平和科学水平。学水平。 北京时间从何而来？北京时间从何而来？ 时间是一个基本物理量，时间是一个基本物理量，任何一

15、个大国都拥有自己任何一个大国都拥有自己独立的，并力图保持同时代最好水平的时间标准和服独立的，并力图保持同时代最好水平的时间标准和服务系统。务系统。 n 转动体的自由旋转地球自转（世界时，转动体的自由旋转地球自转（世界时，msms级）级）n 天体开普勒运动地球公转（历书时，精度不高）天体开普勒运动地球公转（历书时，精度不高）n 原子谐波振荡运动铯原子钟（原子谐波振荡运动铯原子钟（19671967年年1010月，国际月，国际时间标准）时间标准） 微波测试注意事项微波测试注意事项微波测试仪器有两个特点：微波测试仪器有两个特点： 1、价格昂贵；、价格昂贵； 2、种类多。、种类多。 对于微波测试仪器来说

16、，经常是动辄几十万甚至上对于微波测试仪器来说，经常是动辄几十万甚至上百万元。因此，百万元。因此，在操作的过程中在操作的过程中 （1）必须要注意电网的安全性）必须要注意电网的安全性 （2）保证设备接地良好）保证设备接地良好 （3）绝对禁止仪器的带电连接操作（必要时除外）绝对禁止仪器的带电连接操作（必要时除外） （4）禁止调试时带电焊接）禁止调试时带电焊接 在微波测试仪器当中，有许多针对各种技术指标的在微波测试仪器当中，有许多针对各种技术指标的专用测试仪器；另外，一台测试仪器通常也只能覆盖专用测试仪器；另外，一台测试仪器通常也只能覆盖某一个频率范围。所以往往是对于某一个频率范围。所以往往是对于不同

17、频段不同频段的产品或的产品或者是者是不同的指标不同的指标，就需要不同的微波测试仪器。，就需要不同的微波测试仪器。常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 网络分析仪网络分析仪网络分析仪分为网络分析仪分为标量网络分析仪标量网络分析仪和和矢量网络分析仪。矢量网络分析仪。矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、带外抑制、带外抑制、VSWRVSWR、S S参数（包括幅值和相位）、阻抗、参数（包括幅值和相位）、阻抗、插入相移、群延时等指标；而插入相移、群延时等指标；而标量网络分析仪则只能测标量网络分析仪则只能测试上述指标中与相位无关的参数试上述指标中与

18、相位无关的参数。常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 频谱分析仪频谱分析仪 频谱分析仪主要用来分析和测试信号的频谱、相频谱分析仪主要用来分析和测试信号的频谱、相位噪声、杂波以及谐波等。位噪声、杂波以及谐波等。Agilent 8560-series Agilent PSA-series 常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 噪声系数测试仪噪声系数测试仪噪声系数测试仪是进行噪声系数测试的专用仪器。噪声系数测试仪是进行噪声系数测试的专用仪器。常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 功率计功率计分为连续波功率计和峰值功率计。分为连续波功率计和峰值功率计。HP8991A峰值功率计峰值功率计E4

19、418B连续波功连续波功率计率计思考题：二者能否混用？思考题：二者能否混用？常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 频率计（波长计）频率计（波长计）用来准确地测量信号的频率值。用来准确地测量信号的频率值。Agilent 53181A计数器及计数器及Agilent 5361B脉冲脉冲/CW计数器计数器常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 频率计（波长计）频率计（波长计）用来准确地测量信号的频率值。用来准确地测量信号的频率值。f常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 信号发生器信号发生器可以产生可以产生CW及各种调制的微波信号，分为及各种调制的微波信号，分为模拟和模拟和矢量信号发生器。矢量

20、信号发生器。常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 示波器示波器 高实时带宽数字存储示波器高实时带宽数字存储示波器TD6604数字存储示数字存储示波器，输入阻抗波器，输入阻抗50,模拟带宽模拟带宽6GHz（实时带宽）（实时带宽）Lecroy已有模拟带已有模拟带宽宽65GHz产品（实产品（实时带宽）时带宽）常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 示波器示波器 低端数字存储示波器低端数字存储示波器如如TDS 3000系列系列模拟带宽模拟带宽300MHz （输入阻抗（输入阻抗-50/1M）波形测试波形测试功率测试功率测试检波器常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 示波器带宽的重要性示波器带宽

21、的重要性-最值钱的指最值钱的指标标 问题：问题： 对于对于5MHz5MHz的的时钟信号时钟信号需要用多少带宽的示波器需要用多少带宽的示波器 常见回答：常见回答：100MHz100MHz足够了，带宽是被测信号频率的足够了，带宽是被测信号频率的3-53-5倍倍 考虑即可。考虑即可。 （1 1）被测信号是方波还是正弦波）被测信号是方波还是正弦波 （2 2）如是方波，上升沿是多少？）如是方波，上升沿是多少？LecroyLecroy带宽为带宽为200MHz200MHz，1GHz1GHz，6GHz6GHz测量结果测量结果 tr=1.7ns tr=873ps实时采样技术实时采样技术等效采样技术等效采样技术常

22、用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 相位噪声测试系统相位噪声测试系统 相噪测试系统是专门用来测试微波信号相噪测试系统是专门用来测试微波信号相位噪声相位噪声指指标的设备。标的设备。常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 相位噪声测试系统相位噪声测试系统 相噪测试系统是专门用来测试微波信号相噪测试系统是专门用来测试微波信号相位噪声相位噪声指指标的设备。标的设备。Agilent E5500A-series 相位噪声测相位噪声测试系统试系统 常用微波测量仪器简介常用微波测量仪器简介 矢量信号分析仪矢量信号分析仪矢量信号分析仪具有频域、相位域、时域和调制域矢量信号分析仪具有频域、相位域、时域和调制

23、域（调幅、调频、调相）分析能力；具有猝发信号和瞬（调幅、调频、调相）分析能力；具有猝发信号和瞬变信号分析以及瞬时功率测量的能力；具有眼图、星变信号分析以及瞬时功率测量的能力；具有眼图、星座图和矢量（即坐标图）等显示形式，可用于采用数座图和矢量（即坐标图）等显示形式，可用于采用数字调制体制的设备和系统的测试。字调制体制的设备和系统的测试。Agilent 89441A及及Agilent 89640A矢量信号分析仪矢量信号分析仪 国内微波测量仪器与现状国内微波测量仪器与现状 沿海企业与科技沿海企业与科技 20052005年第年第4 4期期目前国内市场上主要的微波测量仪器厂家有：目前国内市场上主要的微

24、波测量仪器厂家有： 美国美国 安捷伦（安捷伦（AgilentAgilent）原来惠普（原来惠普（HPHP） 日本日本 安立（安立（AnritsuAnritsu）公司）公司 德国德国 罗德施瓦茨（罗德施瓦茨（Rohde & Schwarz)Rohde & Schwarz)公司公司 国内国内- -中电中电4141所所2002中国销售额中国销售额 2014？公司公司AgilentAnritsuRohde&Schwarz41所所美国嘉兆美国嘉兆IFR亿元亿元25.010.010.015.0 差距：差距：技术指标与性能，品牌，技术服务，价格技术指标与性能，品牌，技术服务，价格 频

25、谱拓宽频谱拓宽-THz-THz 微波测量仪器的数字化、智能化、自动化微波测量仪器的数字化、智能化、自动化 微波测量仪器的宽频带、多信息、标准化、模块化微波测量仪器的宽频带、多信息、标准化、模块化 时域测量与时频分析时域测量与时频分析 时域、频域、调制域、时频域时域、频域、调制域、时频域 网络仪器联网与共享应用软件（网络仪器联网与共享应用软件（LANLAN接口）接口）Agilent VEE proLabView 虚拟仪器设计与开发虚拟仪器设计与开发 现代微波测量技术发展趋势现代微波测量技术发展趋势 虚拟仪器虚拟仪器 虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instrument简称简称VI）是计算机技

26、术同仪器技术深层次结合产是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式模拟式仪表仪表、第二代仪器、第二代仪器分立元件式仪表分立元件式仪表、第三代仪器第三代仪器数字式仪表数字式仪表、第四代仪、第四代仪器器智能化仪器智能化仪器之后的新一代仪器。之后的新一代仪器。 虚拟仪器虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，是具有是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强调物理上的实仪器功能的软硬件组合，它并不强调物理上的

27、实现形式。现形式。 虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来，充分利用计算机系统强大能模块硬件结合起来，充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本仪器设备配件的支持下，的数据处理能力，在基本仪器设备配件的支持下，利用软件完成资料的采集，控制，资料分析和处利用软件完成资料的采集，控制，资料分析和处理以及测试结果显示的测试测量系统。理以及测试结果显示的测试测量系统。 虚拟仪器虚拟仪器传统仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用低开发和维护费用高开发和维护费用高技术更新周期短（技术更新周期短（0.5-10.5-1年）年）技术更新周期长（技术更

28、新周期长（3-53-5年年）软件是关键软件是关键硬件是关键硬件是关键价格低价格低价格昂贵价格昂贵开放灵活与计算机同步，可开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置重复用和重配置固定固定可用网络联络周边各仪器可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备只可连有限的设备自动、智能化、远距离传输自动、智能化、远距离传输功能单一，操作不便功能单一，操作不便虚似仪器和传统仪器的比较虚似仪器和传统仪器的比较 第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波测量用信号源主要指产生微波测量用信号源主要指产生微波正弦振荡微波正弦振荡的各的各种微波信号发生器。种微波信号发生器。 频率可调（频段，频率精度，稳定度，频谱纯度）频率可调

29、（频段，频率精度，稳定度，频谱纯度） 一定输出功率（稳定度，阻抗，驻波）一定输出功率（稳定度，阻抗，驻波） 调制特性（脉冲、调幅、调频）调制特性（脉冲、调幅、调频） 第一章第一章 微波信号源微波信号源 真空真空固态固态频率合成源频率合成源扫频源扫频源 第一章第一章 微波信号源微波信号源 毫米波倍频源毫米波倍频源50-75GHz60-90GHz75-110GHz90-140GHz110-170GHz325-500GHzCW Source Specifications.AmplitudeDUTSource protected from accidental transmission from DU

30、TWhat is P out?VoltageFrequencyHow accurate is this number?What is P out?maxminlRange (-136dBm to +13dBm)lAccuracy (+/- 0.5dB)lResolution (0.02dB)lSwitching Speed (25ms)lReverse Power Protection第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波三极管灯塔管振荡器微波三极管灯塔管振荡器12fLC阴极阴极阳极阳极栅极栅极第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波三极管的主要特征是利用微波三极管的主要特征是利用静电控制原

31、理静电控制原理控控制交变电子流的大小，来实现信号产生和放大的功制交变电子流的大小，来实现信号产生和放大的功能。能。这种控制是借助改变控制栅极电压，影响阴极这种控制是借助改变控制栅极电压，影响阴极附近的电场来实现的。附近的电场来实现的。 电极上所加的交变电压的周期比电子由一个电电极上所加的交变电压的周期比电子由一个电极进行到另一个电极所需的时间极进行到另一个电极所需的时间大的多的情形下大的多的情形下进行的。进行的。 真空三极管的振荡频率：极间电容及引线电感的存在最高真空三极管的振荡频率：极间电容及引线电感的存在最高 不能无限提高不能无限提高 振荡频率振荡频率 电子渡越时间效应电子渡越时间效应 第

32、一章第一章 微波信号源微波信号源 反射速调管反射速调管 利用电子渡越利用电子渡越时间效应与交变电时间效应与交变电磁场相互作用并交磁场相互作用并交换能量。换能量。同轴式或重入式谐振腔同轴式或重入式谐振腔机械调谐，改变腔体尺寸，电压调谐困难机械调谐，改变腔体尺寸，电压调谐困难速度调制速度调制群聚群聚谐波谐波谐振腔（决定需要频率分量）谐振腔（决定需要频率分量）第一章第一章 微波信号源微波信号源 返波振荡器信号源返波振荡器信号源返波管返波管第一章第一章 微波信号源微波信号源 电子枪电子枪 微波信号的能量来源微波信号的能量来源聚焦装置聚焦装置 约束电子束的发散约束电子束的发散慢波系统慢波系统 减慢电磁波

33、速度减慢电磁波速度收集极收集极 用以形成回路，回收电子用以形成回路，回收电子epVV 返波管工作于返波模式返波管工作于返波模式相速与群速方向相反。相速与群速方向相反。 返波管的主要特点是在返波管的主要特点是在很宽的频率范围内实现很宽的频率范围内实现连续的连续的快速电调快速电调，可达，可达几个倍频程几个倍频程eVpVgV空间谐波概念空间谐波概念第一章第一章 微波信号源微波信号源 固态微波三极管振荡器固态微波三极管振荡器集电极接地电容集电极接地电容抽头式三点振荡抽头式三点振荡线路线路第一章第一章 微波信号源微波信号源 固态微波二极管振荡器固态微波二极管振荡器体效应管不同于一般体效应管不同于一般pn

34、结型二结型二极管，它是在一整块极管，它是在一整块类类半导体化合物（如半导体化合物（如GaAsGaAs）的两）的两边各安上一个欧姆式接触电极边各安上一个欧姆式接触电极构成。两级间所加电压超过某构成。两级间所加电压超过某一阈值，电压增加反而引起电一阈值，电压增加反而引起电流下降。流下降。工作时所加偏压应处于负阻区工作时所加偏压应处于负阻区中央。中央。耿式管（耿式管（Gunn）雪崩管（雪崩管（IMPATT）I-V曲线上出现负阻区域曲线上出现负阻区域第一章第一章 微波信号源微波信号源 3mm雪崩管振荡器（雪崩管振荡器（CW 100mW） （PW W级）级） 雪崩二极管的工作原理是基雪崩二极管的工作原理

35、是基于反向偏置的于反向偏置的pn结出现雪崩式结出现雪崩式击穿产生大量游离电荷及这些击穿产生大量游离电荷及这些电荷有结区向两极漂移的渡越电荷有结区向两极漂移的渡越时间的联合作用产生负阻效应。时间的联合作用产生负阻效应。 雪崩振荡器能工作于连续波雪崩振荡器能工作于连续波和和脉冲状态，最大特点是能和和脉冲状态，最大特点是能工作到很高的毫米波段且有相工作到很高的毫米波段且有相当大的功率输出，当大的功率输出，但噪声较高，但噪声较高，调谐范围较窄。调谐范围较窄。第一章第一章 微波信号源微波信号源 振荡条件分析振荡条件分析耿氏管及雪崩管等负阻器件，只要装配适当的耿氏管及雪崩管等负阻器件，只要装配适当的调调谐

36、回路谐回路并加上适当的直流偏压，便能产生振荡。并加上适当的直流偏压，便能产生振荡。振幅稳定或增长的条件振幅稳定或增长的条件振荡频率振荡频率dddYGjB1()LLLLYGjBGjCL维持自激振荡必须同时满足维持自激振荡必须同时满足(负阻）负阻）0dLGG0dLBB第一章第一章 微波信号源微波信号源 振荡器调制问题振荡器调制问题调频、调幅、脉冲调频、调幅、脉冲VoltageTimeCarrierModulationAM, PulseFMPMqV= A(t) sin (t)V= A(t) sin2 f(t) + (t)fVoltageTime第一章第一章 微波信号源微波信号源 振荡器调制问题振荡器

37、调制问题调频、调幅、脉冲调频、调幅、脉冲VoltageTimeAM, PulseFMPMqV= A(t) sin (t)V= A(t) sin2 f(t) + (t)flFrequency DeviationlModulation FrequencyldcFMlAccuracylResolution第一章第一章 微波信号源微波信号源 振荡器调制问题振荡器调制问题调频、调幅、脉冲调频、调幅、脉冲TimePulseOn/Off ratioRisetimeRate=1/TTWidthPowert1/t1/TPowerImportant Signal Generator Specs for Pulse

38、 ModulationlPulse widthlPulse periodlOn/Off ratiolRise timeAmplitudeFrequency PhaseBoth Amplitudeand Phase第一章第一章 微波信号源微波信号源 第一章第一章 微波信号源微波信号源 适当改变管子的偏压可以实现固态二极管的调频适当改变管子的偏压可以实现固态二极管的调频影响输出功率影响输出功率直接采用直流偏压上附加低频信号来产生调幅直接采用直流偏压上附加低频信号来产生调幅不适用。不适用。输出输出PIN调制振荡器可保持良好工作状态。调制振荡器可保持良好工作状态。振荡器调制问题振荡器调制问题调频、调幅

39、、脉冲调频、调幅、脉冲第一章第一章 微波信号源微波信号源 PIN调制器调制器P+IN+PIN Diode 它是由高掺杂的它是由高掺杂的P+区和区和N+区区加有一本征加有一本征I层所构成，层所构成，I层的厚层的厚度因用途而异，从用于微波控制度因用途而异，从用于微波控制电路的电路的10m以下到用于电力电以下到用于电力电子功率电路的几百子功率电路的几百m不等。由于不等。由于I层的电荷存储导致的层的电荷存储导致的I层电导调层电导调制效应使得制效应使得PIN二极管广泛应用二极管广泛应用于微波控制电路如开关电路、移于微波控制电路如开关电路、移相器、限幅电路等。相器、限幅电路等。（与普与普通二极管比？通二极

40、管比？ ） 第一章第一章 微波信号源微波信号源 PIN调制器（有直流偏置）调制器（有直流偏置）无直流偏置？无直流偏置？第一章第一章 微波信号源微波信号源 PIN微波开关微波开关20ns/70ns，脉宽，脉宽/周期周期第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波管脉冲调制的实现？微波管脉冲调制的实现？第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-1 微波信号发生器主要性能指标微波信号发生器主要性能指标1、频率特性、频率特性频率范围频率范围频率准确度和分辨力频率准确度和分辨力实际频率与标称频率的差异；最实际频率与标称频率的差异；最 小频率变化间隔小频率变化间隔频率稳定度频率稳定度频率随时间的起伏变化；长期，

41、频率随时间的起伏变化；长期，短期短期频谱纯度频谱纯度非谐波：非谐波： 无规则寄生伴随频率分量无规则寄生伴随频率分量谐波寄生：谐波寄生： 波形畸变造成的倍频伴随分量波形畸变造成的倍频伴随分量相位噪声：相位噪声： 随机相位起伏造成的频谱展宽随机相位起伏造成的频谱展宽。第一章第一章 微波信号源微波信号源 VoltageFrequencyUncertaintyEXAMPLEAccuracy = =CW frequency = 1 GHz=aging rate = 0.152 ppm/year=time since last calibrated = 1 year fCWtagingcalt*fCWta

42、gingcaltAccuracy = 152 Hz+ _1、频率特性、频率特性+ _Agilent E8257D Analog Signal GeneratorlPhase NoiselResidual FMlSpuriousCW Source Specifications.Spectral Puritynon-harmonic spur65dBcharmonic spur30dBcCW outputResidual FM is the integrated phase noise over 300 Hz - 3 kHz BWphase noise 0.5 f0 f0 2f0sub-harmo

43、nics第一章第一章 微波信号源微波信号源 vo(t)= a1 sin(wt) + a2 sin2(wt) + a3 sin3(wt) + . = a2/2 + a1 sin(wt) + 3a3/4 sin(wt)+ a2/2 sin(2wt) + a3/4 sin(3wt) + .frequencyPower Spectral DensityCW outputmeasured as dBc/HzCh1 PM PSD1k10k100kTRACE A:A Marker 10 000 Hz75 dBc/Hz-125 dBc/HzLogMag 5 dBc/div-105 dBc/Hz第一章第一章 微

44、波信号源微波信号源 第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-1 微波信号发生器主要性能指标微波信号发生器主要性能指标2、输出特性、输出特性输出功率输出功率输出阻抗输出阻抗驻波比驻波比输出功率的读数是指接额定匹配负载时的输出功率，实际输出功率还与源、输出功率的读数是指接额定匹配负载时的输出功率，实际输出功率还与源、负载阻抗匹配有关负载阻抗匹配有关VoltageFrequencyHow accurate is this number?What is P out?maxmin第一章第一章 微波信号源微波信号源 2、输出特性输出特性Sweeper Specifications.Frequency 频率

45、扫描频率扫描lramp sweepaccuracysweep timeresolutionlstep sweepaccuracynumber of pointsswitching timetimefrequencyf2t2t1f1t4t3t1t2f4f3f1f2frequencySweeper Specifications.AmplitudeFrequency SweeplLevel AccuracylFlatnesslSource Match (SWR)Power SweeplPower Sweep RangelPower Slope RangelSource Match (SWR)flat

46、ness speclevel accuracy specf1f2frequencypowerpowerP2P1power sweep ranget1t2第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-1 微波信号发生器主要性能指标微波信号发生器主要性能指标补充：屏蔽的严密性补充：屏蔽的严密性135dBm0.032pW（步进衰减器（步进衰减器-专门选件）专门选件） 信号发生器的所有高频部分都必须有严格的屏蔽措施，保证信号发生器的所有高频部分都必须有严格的屏蔽措施，保证达到输出端口的的信号为确实为经过衰减器输出，达到输出端口的的信号为确实为经过衰减器输出，而无其他耦而无其他耦合通道泄漏进入。合通道泄漏进入

47、。（包括信号源本身内部各种途径耦合）（包括信号源本身内部各种途径耦合） 外来电磁干扰也可耦合直接进入到输出端口或测试接收机电外来电磁干扰也可耦合直接进入到输出端口或测试接收机电路。路。测试须在屏蔽室进行。测试须在屏蔽室进行。第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-1 微波信号发生器主要性能指标微波信号发生器主要性能指标3、调制特性、调制特性调制种类调制种类调制信号特性调制信号特性调制指数调制指数调制失真调制失真第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：补充： 微波信号发生器的稳幅与稳频微波信号发生器的稳幅与稳频1、自动稳幅、自动稳幅输出端口匹配和方向性很高定向耦合器输出端口匹配和方向性很高定向

48、耦合器补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 定向耦合器是微波测量和其它微波系统中的常用元定向耦合器是微波测量和其它微波系统中的常用元件，件，是近代扫频反射计的核心部件是近代扫频反射计的核心部件。它是一种有方向。它是一种有方向性的微波功率分配器件。性的微波功率分配器件。第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 第一章第一章 微波信号源微波信号源 常见类型有：波导、同轴线、带状线及微带线等。定常见类型有：波导、同轴线、带状线及微带线等。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的微向耦合器包含主线和副线两部分，在主线

49、中传输的微波功率经过小孔或间隙耦合元件，将一部分功率耦合波功率经过小孔或间隙耦合元件，将一部分功率耦合至副线中，由于波的干涉及叠加，使功率仅沿副线的至副线中，由于波的干涉及叠加，使功率仅沿副线的一个方向传输（称为一个方向传输（称为“正方向正方向”），而在另一方向几），而在另一方向几乎没有（或极少）功率传输（称为乎没有（或极少）功率传输（称为“反方向反方向”）。）。 常见的波导定向耦合器有波导十字孔定向耦合器、常见的波导定向耦合器有波导十字孔定向耦合器、波导双定向耦合器波导双定向耦合器 第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 定向耦合器的

50、特性参量定向耦合器的特性参量（1）耦合度耦合度（2）方向性方向性（3）输入驻波比输入驻波比（4）带宽范围带宽范围 1110lg(dB)20lg(dB)33PUCPU 输入至主线的功率输入至主线的功率P1与副与副线中正向传输的功率线中正向传输的功率P3之比称之比称为定向耦合器的耦合度为定向耦合器的耦合度C 第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 定向耦合器的特性参量定向耦合器的特性参量（1）耦合度耦合度（2）方向性方向性（3）输入驻波比输入驻波比（4）带宽范围带宽范围 副线中正方向传输的功率副线中正方向传输的功率P3与反与反方向传输的功率

51、方向传输的功率P4之比称为定向之比称为定向耦合器的方向性耦合器的方向性D 3310lg(dB)20lg(dB)44PUDPU第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 隔离度隔离度隔离度表示输入至主线的功率隔离度表示输入至主线的功率P1与副线反方向传输的功率与副线反方向传输的功率P4之比之比 1110lg(dB)20lg(dB)44PUDPU31110lg10lg10lg443PPPDDCPPP方向性隔离度耦合度方向性隔离度耦合度第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 322bCbD

52、a设设 幅度保持为常数，幅度保持为常数，22()KDbaCC 由端口由端口向左看，可等效为一信号源，向左看，可等效为一信号源，其输出其输出为为 ，反射系数为，反射系数为 3b3bKgebge22gegebbageKbCgeDC 等效源反射系数由等效源反射系数由方向性方向性（隔离度，（隔离度，耦合度）而定耦合度）而定第一章第一章 微波信号源微波信号源 补充：深入讨论定向耦合器方向性补充：深入讨论定向耦合器方向性 22Lab 21gegeLbb ge很小很小 采用输出采用输出端口匹配良好端口匹配良好和和方向性很高方向性很高的定向耦合器作为取的定向耦合器作为取样，可以大大改善信号源的匹配。样，可以大

53、大改善信号源的匹配。第一章第一章 微波信号源微波信号源 定向耦合器使用注意要点定向耦合器使用注意要点 定向耦合器的隔离端口一般都接有定向耦合器的隔离端口一般都接有匹配负载匹配负载，以吸收传来，以吸收传来的功率，避免产生反射波，否则由于不匹配而产生的反射波，的功率，避免产生反射波，否则由于不匹配而产生的反射波，会影响其它端口的功率分配，使定向耦合器的性能下降。会影响其它端口的功率分配，使定向耦合器的性能下降。思考：方向性系数（思考：方向性系数（10dB）对于功率、电压驻波比、）对于功率、电压驻波比、回波损耗测试结果误差的定量分析？回波损耗测试结果误差的定量分析？计算实例：计算实例：一个放大器输出

54、功率一个放大器输出功率100W，输出阻抗，输出阻抗50，送至一送至一大功率负载，负载驻波为大功率负载，负载驻波为1.5，现通过方向性系数分别为，现通过方向性系数分别为25dB和和40dB的双定向耦合器测试反射、入射功率，以及驻波大小，则的双定向耦合器测试反射、入射功率，以及驻波大小，则由由方向性方向性产生的误差？产生的误差？（不考虑功率计和路径传输影响（不考虑功率计和路径传输影响,入射及入射及反射耦合度均为反射耦合度均为C）第一章第一章 微波信号源微波信号源 功率计功率计信号源信号源P1P2P3P4AB负载负载1.50.2 若理想定向耦合器，反射功率为若理想定向耦合器，反射功率为 4W-C设耦

55、合度为设耦合度为C真实反射功率主反射功率真实反射功率主反射功率方向性反射功率方向性反射功率 主反射功率入射功率（主反射功率入射功率（DC）第一章第一章 微波信号源微波信号源 真实反射功率主反射功率真实反射功率主反射功率方向性反射功率方向性反射功率 主反射功率入射功率（主反射功率入射功率（DC） （4WC）（100WDC） （4WC）（）（0.316WC）50传输线系统中（端接匹配阻抗），电压传输线系统中（端接匹配阻抗），电压（幅值）（幅值）与功率关系式与功率关系式22 50VP 反射反射电压最大同相叠加，最小反相叠加，电压最大同相叠加，最小反相叠加，max205.62reflectedVmin

56、205.62reflectedVmax0.256max1.7min0.144min1.341.50.2 第一章第一章 微波信号源微波信号源 总结：总结：方向性越好，测试精度越高方向性越好，测试精度越高方向性大小对正向与反向功率的测试不同影响方向性大小对正向与反向功率的测试不同影响负载驻波大小也对正向与反向功率的测试有不同影响负载驻波大小也对正向与反向功率的测试有不同影响问题提出：问题提出：入射功率取样对定耦方向性的要求？入射功率取样对定耦方向性的要求？定耦耦合度取值是否越小越好？定耦耦合度取值是否越小越好？第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波信号发生器的稳幅与稳频微波信号发生器的稳幅与稳频

57、2、锁相稳频、锁相稳频基波锁相环非连续基波锁相环非连续稳定度：稳定度：10-610-9，频率固，频率固定，低频定，低频( )( )cos( )f tA ttt第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波信号发生器的稳幅与稳频微波信号发生器的稳幅与稳频2、锁相稳频、锁相稳频采样式谐波锁相环采样式谐波锁相环分立谐波点分立谐波点次数不能太高次数不能太高第一章第一章 微波信号源微波信号源 微波信号发生器的稳幅与稳频微波信号发生器的稳幅与稳频2、锁相稳频、锁相稳频变频锁相环变频锁相环基本实现宽带连续稳频基本实现宽带连续稳频( )( )cos( )f tA ttt第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-2 微

58、波扫频信号发生器微波扫频信号发生器1、返波管扫频振荡器、返波管扫频振荡器电调谐电调谐，频段较宽，短毫米，频段较宽，短毫米波段仍在使用（波段仍在使用（75-110GHz甚至甚至400GHz）体积大，重量高，体积大，重量高，工作电压高工作电压高第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-2 微波扫频信号发生器微波扫频信号发生器2、固态扫频振荡器变容二极管、固态扫频振荡器变容二极管第一章第一章 微波信号源微波信号源 1-2 微波扫频信号发生器微波扫频信号发生器3、固态扫频振荡器、固态扫频振荡器YIG调谐振荡器调谐振荡器0(MHz)0.012(/)fHA m具有电磁谐振特性具有电磁谐振特性与小球尺寸无关，线性依赖与小球尺寸无关，线性依赖于直流磁场于直流磁场H0，与高频电路，与高频电路耦合后取决于管子的带宽。耦合后取决于管子的带宽。扫频范围宽，可达几个倍频程；扫频范围宽，可达几个倍频程；扫频线性度好，不需要采用任何线性度措施，可优于扫频线性度好