第二章 微波测量仪器和系统

1、微波测量仪器微波测量仪器微波测试设备Network Analyzer Basics信号源信号源可以产生产生正连续弦波，此图中为理想正弦波VoltageTimeVoltageFrequencyRFMicrowaveMillimeter20-50 GHz300 GHz3-6 GHzSpectrum AnalyzerOscilloscope信号源RFMicrowaveMillimeter20-50 GHz300 GHz3-6 GHz可以产生脉冲波信号源产生调制信号信号源 信号源是信号的发生装置，信号具备可感知和描述的特征 赋予和测量信号的特征参量的目的是为了获取或传递信息 正弦信号易于产生控制利用，

2、正弦函数便于数学分析计算 时域表达清晰直观具体真实，频域描述抽象分解唯理唯相微波信号源功能与构成普通信号发生器普通信号发生器在微波信号输出前加上可变衰减器，可以通过选择合适的可变衰减器控制输出信号功率范围当衰减器值改变时可能引起频率改变（频率牵引）普通信号发生器普通信号发生器定向耦合或分支电桥等方式定向耦合或分支电桥等方式信号源带调幅、调频、方波及脉冲等信号的信号源振荡源常用的振荡器VCXO压控晶振DRO介质振荡器VTO（VCO）压控振荡器YTOYIG振荡器OCXO恒温晶振频率单一频谱纯净稳定度好频率微调频谱纯净稳定度较好频率单一频谱较净稳定度较好调谐范围较大频谱一般稳定度一般调谐范围很宽频谱

3、一般稳定度一般YTO高频扫描主线圈驱动 低频调制高频调制低频大电流发生器频谱分离高频电流发生器扫速切换扫描发生器Y T O 频率预置调频输入 微波输出副线圈驱动低频扫描扫宽预置ALCALC是自动电平控制（Auto Level Control）系统的简称ALC实现系统功率输出的精确稳定控制 ALC实现精确的调幅控制和脉冲驱动控制 定向耦合器检波器线性调制器脉冲调制器差分放大器取样保持求和延时比较器频率合成频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算频率合成包括相干合成和非相干合成两大类相干合成包括直接合成和间接合成两种形式直接合成包括分频、倍频、混频、取样和数字直接合成间接合成主要是指锁相环（PL

4、L）频率合成数字合成DDS相位累加器相位寄存器D/A低通滤波锁相合成相位负反馈鉴频鉴相器环路滤波器VCO直接合成混频（加、减）倍频（乘）分频（除）滤波频率合成非相干合成相干合成DDS累加器寄存器cosD/ALPF锁相环FoFr频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络() FvfOUTPDLPFVCOfREF NPDLPFVCONfREFfOUTfLOfI调频与小数环FoFr频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络() FvFoFr频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器(N+N) Fv微波信号源的基本形式典型框图典型特征合成源微波扫源10M-20GHz准确、稳定、纯净、精密宽带、连续

5、、准确、灵活稳幅、调制自检测、自诊断、自维护、自适应信号源由于工程和技术的原因，微波信号往往是在频域表达的根据微波的正弦表达式，信号具有幅度频率和相位特性实际的微波信号其正弦表达式的每一个因子都是时变的根据信号特征的变化，微波信号可以调幅、调频和调相在线性系统中，调频和调相是可以互相转化的表达形式在非线性系统中，调幅和调频调相可以有条件互相转化A（）谐波寄生实际信号理想信号分谐波谱密度信号源频率特性指标（Range）：决定了信号源能够提供的输出频率范围（resolution）：分辨率决定频率能够变化的最小步长（accuracy）是精度受连个方面的影响：仪器参考振荡频率（reference os

6、cillator） 及目前离最后一次校准后的使用时间长短。1.频率范围2.频率准确度和分辨力3.频率稳定度4.频谱纯度5.射频输出功率6.射频输出功率准确度7.最大输出功率8.调制特性理想情况下，信号源输出的信号是完纯的正弦波信号，可用式表示如下：00( )sin(2)v tVf t这样的信号在频域中表现为一根信号谱线 VoltageTimeVoltageFrequencySpectrum AnalyzerOscilloscopeVoltageFrequencyUncertaintyEXAMPLEAccuracy = =CW frequency = 1 GHz=aging rate = 0.1

7、52 ppm/year=time since last calibrated = 1 year +_fCWtagingcalt*fCWtagingcaltAccuracy = 152 Hz+_l频率范围Range: Range of frequencies covered by the sourcel分辨力Resolution: Smallest frequency increment.l准确度Accuracy: How accurately can the source frequency be set.信号源指标说明.Frequencyppm:part per million 百万分之一信

8、号源指标说明.AmplitudeDUTSource protected from accidental transmission from DUTVoltageFrequencyHow accurate is this number?What is P out?What is P out?maxminl范围Range (-136dBm to +13dBm)l准确度Accuracy (+/- 0.5dB)l分辨力(0.02dB)l开关速度Switching Speed (25ms)l反向功率保护Reverse Power Protection信号源的频谱纯度信号源都只能由非理想条件下的元器件，部

9、件组成，这些非理想的元器件会引入相位噪声和我们非常讨厌的失真。l相位噪声Phase Noisel残余调频Residual FMl杂散信号Spuriousnon-harmonic spur65dBcharmonic spur30dBcCW outputResidual FM is the integrated phase noise over 300 Hz - 3 kHz BWphase noise 0.5 f0 f0 2f0sub-harmonics信号源的频谱纯度信号源中放大器幅输入看成：vo(t) =a1 vi(t) + a2 vi2(t) + a3 vi3(t) + .即 vo(t) =

10、 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) + .由于放大器的非线性特性，产生了二次、三次以及更高次的谐波，典型的二次谐波功率与基波功率可以达到30 dB以上，除了谐波以外，还可以产生其他的一些频率成飞，比如，只有偏置电压引入，这些其他非谐波的频率成份和基波相比大约又65dB以上的差距相位噪声的基本概念相位噪声的基本概念 相位噪声是指信号源中，由各种随机噪声所引起的输出信号瞬时频率或相位的起伏，它表征的是信号源输出频率的

11、短期稳定性指标，是高稳定度高、高纯度频率源的一项十分重要的指标。由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于1Hz一直延伸到几兆赫兹。 信号源指标. 频谱纯度Spectral Purity: 相位噪声Phase NoiseCW outputfrequencyPower Spectral Densitymeasured as dBc/HzCh1 PM PSD1k10k100kTRACE A:A Marker 10 000 Hz75 dBc/Hz-125 dBc/HzLogMag 5 dBc/div-105 dBc/Hz 但是，在实际应用中，所有信号源的输出都存在着不稳定性，即

12、存在着幅度、频率或相位的起伏，这样的不纯信号可表示为 ：00( )1( ) sin 2( )v tVA tf tt 通常情况下，信号源的输出中都有幅度变化 ，它不直接造成频率起伏或相位起伏，在这里可以忽略不计。这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。由于频率是相位对时间的导数，因此研究瞬时频率稳定度问题归结为研究瞬时相位起伏的问题。在频域用频谱分析仪观察，相位噪声表现为噪声边带连续地分布在载波频率的上下两边，如图所示。频域表示的相位噪声可以简单地看作是无限数目的相位调制边带，每一个相位调制边带又是由一个低频信号对载波进行相位调制而产生。 相位噪声的来源相位噪声的来源 通常情况下，信号源的相位起

13、伏同时具有随机的或离散的特性，用频谱分析仪观察的结果如图所示。其中，信号边带中的为离散分布的信号称作杂散分量，另外一种为连续分布的随机信号，称作相位噪声。 信号源中的杂散分量一般是由由电源纹波、机械振动或系统内部鉴相信号的泄漏或其它电路的信号窜扰，通过振荡器的供电端或调谐端对振荡器的输出信号进行调频产生的，这种杂散的分布一般情况下具有一定的规律性。另外一种呈随机分布的相位噪声通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声(如电阻产生的热噪声、半导体器件所产生的散弹噪声和闪烁噪声等)引起的。其它电路所产生的随机噪声，也可以通过振荡器的供电端或调谐端对输出信号进行调频产生相位噪声。 频谱分析仪上显

14、示的信号源相位噪声 单边带相位噪声的定义单边带相位噪声的定义 信号源中，由于相位噪声的存在，在频域中，输出信号的谱线是以调制边带的形式连续地分布在载波的两边，是双边带的，并以载波频率f0为中心对称。通常分析问题时，只取其中一个边带就可以了，把这一个边带称为单边带(SSB)相位噪声，用L(fm)表示，如图所示 (a)相位噪声边带 (b)单边带相位噪声L(fm) 单边带相位噪声的定义为偏离载波频率fm赫兹处，在1Hz带宽内，一个相位调制边带的功率PSSB与总功率PS之比,即()SSBmSPfP功率密度（一个相位调制边带，1Hz）总的载波功率LL(fm)通常用相对于载波1Hz带宽的对数来表示，单位为

15、dBc/Hzfm。 第二节:显示设备和信号检测2.2.1.检波器2.2.2.功率检测2.2.3.功率计2.2.4.频谱分析仪2.2.5.噪声系数分析仪2.2.1.检波器Scalar broadband (no phase information)DiodeDCACRF39微波检波器的基本结构 主要性能指标 频率范围,频率响应,灵敏度,端口阻抗,最大输入功率,极性,VSWR,接头形式41微波检波器应用举例:2.2.2.功率检测a) 热电偶b) 电阻测辐射热仪a) 热电偶 用于准确测量温度的热电子元件,尤指一个热电子元件,由两种连在一起的不同金属组成,这样连接点间产生的电压变化就是两点间温度差异的

16、量度.b) 电阻测辐射热仪 利用某些温度敏感元件的电阻随所加的功率大小而变化的效应,对功率大小进行检测. 正温度系数 副温度系数 2.2.3.功率计 功率探头 功率测量仪46一些传感器具有代表性的检测功率范围：一些传感器具有代表性的检测功率范围：-70dBm -20dBm-30dBm +20dBm-17dBm +35dBm-10dBm +35dBm 微波功率计根据所测信号的不同分为连续波功率计和脉冲功率计. 根据读数显示形式可以分为模拟式和数字式.2.2.4.频谱分析仪8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHzRF InputNumerickeypadCon

17、trol functions(RBW, sweep time, VBW)Primary functions(Frequency, Amplitude, Span)Softkeys8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHzFrequency RangeAccuracy: Frequency & AmplitudeResolutionSensitivityDistortionDynamic Range扫频超外差式频谱仪的原理方框图3 dB3 dB BWLOMixerIF Filter/Resolution Bandwidth Filter (RBW)SweepD

18、etectorInputSpectrumDisplayRBW2.2.5.噪声系数测试仪a)噪声源b)噪声系数计 噪声源有很多不同的种类,通常应用的噪声源分为三种类型: 热/冷噪声源 固态噪声源 气体放电噪声源第三节:辅助元件2.3.1:衰减器2.3.2:定向耦合器2.3.3:槽线2.3.4:调制器2.3.5:校准件隔离器混频器542.3.1:衰减器a) 固定衰减器b) 可变衰减器 连续可变 步进55性能指标 频率范围 衰减量 衰减精确度 VSWR 最大输入功率 接头形式程控步进衰减器衰减器应用降低信号或功率电平改善源和负载之间的阻抗匹配用替代法测量增益或损耗利用衰减器改善失配10dB10dB利

19、用衰减器改善失配VSWRG=1.9VSWRL=1.6失配损耗失配损耗测量误差测量误差改善网络分析仪插入损耗测量精度衰减器的存在，改善了测试通路的失配损耗衰减器在大功率测试中的应用衰减器 采用衰减器加频谱仪测量发射机功率 测量互调时，衰减器的自身无源互调至少比被测物的要求指标高10dB 衰减器发热降温612.3.2:定向耦合器62 定向耦合器有很多不同的结构,其中最常见的是支线耦合器,兰格耦合器和平行耦合线耦合器性能指标 频率范围 耦合度 耦合度偏差 插入损耗 方向性 端口阻抗 VSWR 最大承受功率 接头形式1234耦合度插入损耗隔离度方向性64定向耦合器的应用定向耦合器的应用2.3.3:槽线

20、(测量线):主要用来测量VSWR,和波长等参数.按传输线的结构来分,主要有波导式同轴式主要包含三部分:开槽线,耦合指示器传动矩形波导测量线矩形波导测量线67矩形波导测量线示意图矩形波导测量线示意图6869a. 波导开槽线:它是在矩形波导宽边的中央开一条严格平行于纵向轴线的长条槽缝构成的,是与待测元件连接的一段波导传输线.b. 耦合指示机构 它由探针,调谐腔体,晶体检波器和指示设备构成.探针通过波导的槽缝伸进波导内,与所在位置的电场发生耦合,在探针上产生与该处电场强度成比例的感应电动势,并经过探针的调谐腔体送至晶体检波器,从而转换成直流电流,用微安计等来指示.701.VSWR=Vmax/Vmin2.两个最高点或最低点间的距离是半个波长712.3.4:调制器许多微波测试应用中经常需要调制信号,特别是通信方面,比如幅度调制,脉冲调制等2.3.5: 连接头、转接头校准件742.3.5: 连接头、转接头校准件 为了获得准确的测试数据,测试前必须校掉系统误差,这样的测试结果才是可信的.矢量网络分析仪校准件75第四节:系统76Agilent 8363B 矢量网络分析仪矢量网络分析仪吸波材料测试系统应用采用弓形框法测量不同方向电磁波照射情况下，被测材料吸波特性 ，满足隐身材料吸波特性测试的要求。787980T/R组件测试组