第二章 微波测量仪器和系统

微波测量仪器微波测试设备NetworkAnalyzerBasics信号发生器(或信号源)显示设备和信号检测

辅助元件

系统(简单说明)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VoltageTimeVoltageFrequencyRFMicrowaveMillimeter20-50GHz300GHz3-6GHzSpectrumAnalyzerOscilloscope信号源RFMicrowaveMillimeter20-50GHz300GHz3-6GHz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，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一个微波振荡器，配以必要的控制驱动电路，就构成了最基本的信号源。不同的应用，对信号源的输出有不同的特性要求。信号源的设计，就是围绕振荡器，施加不同的控制处理电路，满足不同应用需求的过程。微波振荡源稳幅功率准确度功率稳定度功率平坦度功率分辨率信号源驻波扫描模拟扫步进扫列表扫锁滚扫合成扫功率扫合成准确稳定捷变高纯高分辨率调制脉冲调制调幅调频调相组合调制I/Q调制普通信号发生器有直流偏置电压及微波输出接口。其中振荡器可能是反射速调管（klystron）YIG振荡器、压控振荡器，甚至也可是机械调节腔体振荡。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）？普通信号发生器可以隔离衰减器值变化引起的振荡器频率变化，增加可靠性！普通信号发生器为保证输出信号稳定度，我们对可变衰减器进行自动增益控制，这样，就算振荡源本身幅度不稳定，也可以保证通过控制衰减器的衰减量来控制微波信号输出幅度稳定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AF振荡器模型|AF|>1AF=2n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YTO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HH1H2

H=HH1H2mainFMALCALC是自动电平控制（AutoLevelControl）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输出模件输出定向耦合器检波器调制模件主振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

检波范围调制脉冲调幅信号温度补偿平坦度补偿电平控制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（PLL）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cosθD/ALPF循环展开

低通滤波

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(Ｔ)FvFr=Fv=T{Fo}=>Fo=T-1{Fv}=T-1{Fr}fOUTPDLPFVCOfREF

fOUT=N×fREF÷N

fOUT=N×fLO+fREFPDLPFVCO×NfREFfOUTfLOfI相噪频偏振荡器自由噪声频率参考等效噪声锁相输出实际噪声低通滤波增益带宽调频与小数环FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)Fv调相调频积分微分FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器÷(N+

N)Fv中心频率N.FN+

NDCFM

N.F(t)

扫频速度N.F/t

微波信号源的基本形式扫源合成源合成扫源扫源ＣＰＵ电源扫描发生器微波主振调制驱动器调制组件ALC系统输出组件主振驱动合成源ＣＰＵ电源频率合成器微波主振调制驱动器调制组件ALC系统输出组件主振驱动PLL时基合成扫源FvFrFl时基参考发生器中频环鉴相器求和环路滤波器本振环取样器带通/隔离微波主振ΦMFMFoIF环路滤波器取样保持求和调谐振荡器中频参考频率预置FoFvFl鉴相器计数器扫描发生器取样器本振Fr合成源典型框图参考环中频环本振环YTOYO驱动取样调制器开关倍频滤波耦合检波器扫频控制鉴相调制信号发生器ALC下变频CPU电源调制驱动恒温时基外调制输入内调制输出内参考输出外参考输入射频输出典型特征合成源微波扫源智能微波合成扫源10M-20GHz准确、稳定、纯净、精密宽带、连续、准确、灵活稳幅、调制自检测、自诊断、自维护、自适应双层恒温不断电时基简洁的频率合成方案低噪声微波信号输出高分辨率小数分频环快速步进与列表扫频锁滚与锁相跟踪扫频智能扫频准确度校准可平移同步功率扫描连续频率覆盖支持同轴扩频支持波导扩频智能频段切换友好菜单界面标准程控命令自动系统支持智能诊断维护前馈式自动稳幅系统AM、FM、PM、峰值搜索与频响补偿集成微波电路射频舱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u（t）=[A0+A（t）]cos[（ω0+ω（t））t+（ψ0+ψ（t））]调幅调频调相A（ω）谐波寄生实际信号理想信号分谐波谱密度ω微波信号特征参数信号源频率特性指标频率范围（Range）：决定了信号源能够提供的输出频率范围分辨率（resolution）：分辨率决定频率能够变化的最小步长精度（accuracy）是精度受连个方面的影响：仪器参考振荡频率（referenceoscillator）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：这样的信号在频域中表现为一根信号谱线VoltageTimeVoltageFrequencySpectrumAnalyzerOscilloscopeVoltageFrequencyUncertaintyEXAMPLEAccuracy=

= CWfrequency=1GHz

= agingrate=0.152ppm/year = timesincelastcalibrated=1year

+_fCWtagingcalt**fCWtagingcaltAccuracy=152Hz+_频率范围Range:Rangeoffrequenciescoveredbythesource分辨力Resolution:Smallestfrequencyincrement.准确度Accuracy:Howaccuratelycanthesourcefrequencybeset.信号源指标说明...Frequencyppm:partpermillion百万分之一信号源指标说明...AmplitudeDUTSourceprotectedfromaccidentaltransmissionfromDUTVoltageFrequencyHowaccurateisthisnumber?WhatisPout?WhatisPout?maxmin范围Range(-136dBmto+13dBm)准确度Accuracy(+/-0.5dB)分辨力(0.02dB)开关速度SwitchingSpeed(25ms)反向功率保护ReversePowerProtection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。相位噪声PhaseNoise残余调频ResidualFM杂散信号Spuriousnon-harmonicspur~65dBcharmonicspur~30dBcCWoutputResidualFMistheintegratedphasenoiseover300Hz-3kHzBWphasenoise

0.5f0f0

2f0sub-harmonics信号源的频谱纯度信号源中放大器幅输入看成： vo(t)=a1vi(t)+a2vi2(t)+a3vi3(t)+...即 vo(t)=a1sin(wt)+a2sin2(wt)+a3sin3(wt)+... =a2/2+a1sin(wt)+3a3/4sin(wt)+a2/2sin(2wt)+a3/4sin(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30dB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SpectralPurity:相位噪声PhaseNoiseCWoutputfrequencyPowerSpectralDensitymeasuredasdBc/HzCh1PMPSD1k10k100kTRACEA:AMarker10000Hz75dBc/Hz-125dBc/HzLogMag5dBc/div-105dBc/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，即存在着幅度、频率或相位的起伏，这样的不纯信号可表示为：

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

通常情况下，信号源的相位起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。频谱分析仪上显示的信号源相位噪声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L(fm)通常用相对于载波1Hz带宽的对数来表示，单位为dBc/Hz@fm。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Scalarbroadband(nophaseinformation)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：

-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8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHzRFInputNumerickeypadControlfunctions(RBW,sweeptime,VBW)Primaryfunctions(Frequency,Amplitude,Span)Softkeys8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHzFrequencyRangeAccuracy:Frequency&AmplitudeResolutionSensitivityDistortionDynamicRange扫频超外差式频谱仪的原理方框图3dB3dBBWLOMixerIFFilter/ResolutionBandwidthFilter(RBW)SweepDetectorInputSpectrumDisplayRBW2.2.5.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: