第1章-微波測(cè)量?jī)x器和系統(tǒng)下

1、第一章:微波測(cè)試設(shè)備（下）,,,,第一節(jié):信號(hào)源第二節(jié):信號(hào)檢測(cè)和顯示設(shè)備 第三節(jié):輔助元件 第四節(jié):系統(tǒng)(簡(jiǎn)單說(shuō)明),第一章:微波測(cè)試設(shè)備（下）,信號(hào)源——課程回顧,了解 信號(hào)源及其分類(lèi)掌握 信號(hào)源性能指標(biāo)定義了解 掃頻源的基本概念掌握 掃頻源的產(chǎn)生、控制方法重點(diǎn)掌握 頻率合成技術(shù)（分類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)）,課程回顧,了解 信號(hào)源及其分類(lèi)1）簡(jiǎn)易微波信號(hào)發(fā)生器2）標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)發(fā)生器3）微波掃頻信號(hào)發(fā)生器,課程

2、回顧——掌握 信號(hào)源性能指標(biāo)定義,課程回顧——了解 掃頻源的基本概念,1）微波掃頻信號(hào)源2）微波合成信號(hào)源3）微波合成掃頻信號(hào)源,課程回顧——掌握 掃頻源的產(chǎn)生、控制方法,1）直接頻率合成（DS）2）鎖相環(huán)式合成（PLL）3）直接數(shù)字頻率合成（DDS）,1) 直接頻率合成 由一個(gè)高穩(wěn)定度的參考源,通過(guò)分頻、混頻、倍頻和濾波等方法產(chǎn)生所需的各種輸出頻率.,直接頻率合成原理說(shuō)明圖,2) 間接頻率合成應(yīng)用

3、鎖相環(huán)的頻率合成方法稱(chēng)為間接頻率合成,3) 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 是直接對(duì)參考正弦時(shí)鐘進(jìn)行抽樣,數(shù)字化,然后用數(shù)字計(jì)算技術(shù)和數(shù)模變換器來(lái)產(chǎn)生信號(hào),實(shí)現(xiàn)頻率合成.,,,3) 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 是直接對(duì)參考正弦時(shí)鐘進(jìn)行抽樣,數(shù)字化,然后用數(shù)字計(jì)算技術(shù)和數(shù)模變換器來(lái)產(chǎn)生信號(hào),實(shí)現(xiàn)頻率合成.,,課程回顧,重點(diǎn)掌握 頻率合成技術(shù)（分類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)）,在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用上述幾種方法相結(jié)合的方式,來(lái)

4、彌補(bǔ)單獨(dú)應(yīng)用某種方式所具有的局限性。例如,可以采用PLL和DDS相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)高分辨率,低雜散輸出的信號(hào)。同樣,也可以利用PLL和DS相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)具有高輸出頻率,低雜散輸出的信號(hào)。 下面簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)頻率合成器的設(shè)計(jì)方案：,鎖相＋倍頻結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源,鎖相＋混頻結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源,多環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源方框圖,性能指標(biāo),1.頻率間隔:最小頻率間隔,也稱(chēng)分辨力2.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間:從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率,

5、并達(dá)到鎖定狀態(tài),這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間3.長(zhǎng)期和短期頻率穩(wěn)定度 長(zhǎng)期穩(wěn)定度通常以年月日來(lái)計(jì)算典型值為:Δf/f=(10-7—10-10)/每日 短期頻率穩(wěn)定度是指秒級(jí)頻率穩(wěn)定度,通常用相位噪聲表示.,典型特征,信號(hào)源,由于工程和技術(shù)的原因，微波信號(hào)往往是在頻域表達(dá)的根據(jù)微波的正弦表達(dá)式，信號(hào)具有幅度頻率和相位特性實(shí)際的微波信號(hào)其正弦表達(dá)式的每一個(gè)因子都是時(shí)變的根據(jù)信號(hào)特征的變化，微波信號(hào)可以調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相在線

6、性系統(tǒng)中，調(diào)頻和調(diào)相是可以互相轉(zhuǎn)化的表達(dá)形式在非線性系統(tǒng)中，調(diào)幅和調(diào)頻調(diào)相可以有條件互相轉(zhuǎn)化,信號(hào)源頻率特性指標(biāo),頻率范圍（Range）：決定了信號(hào)源能夠提供的輸出頻率范圍分辨率（resolution）：分辨率決定頻率能夠變化的最小步長(zhǎng)精度（accuracy）是精度受連個(gè)方面的影響：儀器參考振蕩頻率（reference oscillator） 及目前離最后一次校準(zhǔn)后的使用時(shí)間長(zhǎng)短。,1.頻率范圍2.頻率準(zhǔn)確度和分辨力3.頻率穩(wěn)

7、定度4.頻譜純度5.射頻輸出功率6.射頻輸出功率準(zhǔn)確度7.最大輸出功率8.調(diào)制特性,理想情況下，信號(hào)源輸出的信號(hào)是完純的正弦波信號(hào)，可用式表示如下：,這樣的信號(hào)在頻域中表現(xiàn)為一根信號(hào)譜線,Voltage,Time,Voltage,Frequency,Spectrum Analyzer,Oscilloscope,,,Voltage,Frequency,,,,,,,,Uncertainty,EXAMPLEAccuracy =

8、=CW frequency = 1 GHz=aging rate = 0.152 ppm/year=time since last calibrated = 1 year,,*,*,頻率范圍Range: Range of frequencies covered by the source分辨力Resolution: Smallest frequency increment.準(zhǔn)確度Accuracy: How

9、accurately can the source frequency be set.,信號(hào)源指標(biāo)說(shuō)明...Frequency,ppm:part per million 百萬(wàn)分之一,信號(hào)源指標(biāo)說(shuō)明...Amplitude,,,DUT,Source protected from accidental transmission from DUT,,,Voltage,Frequency,,,,,,,,,,,,,,,,,How accura

10、te is this number?,What is P out?,What is P out?,max,min,范圍Range (-136dBm to +13dBm)準(zhǔn)確度Accuracy (+/- 0.5dB)分辨力(0.02dB)開(kāi)關(guān)速度Switching Speed (25ms)反向功率保護(hù)Reverse Power Protection,,信號(hào)源的頻譜純度,信號(hào)源都只能由非理想條件下的元器件，部件

11、組成，這些非理想的元器件會(huì)引入相位噪聲和我們非常討厭的失真。,相位噪聲Phase Noise殘余調(diào)頻Residual FM雜散信號(hào)Spurious,,,,,,,,,,,non-harmonic spur~65dBc,,,,harmonic spur~30dBc,,CW output,Residual FM is the integrated phase noise over 300 Hz - 3 kHz BW,,phase no

12、ise,,0.5 f0 f0 2f0,,,,sub-harmonics,信號(hào)源的頻譜純度,信號(hào)源中放大器幅輸入看成：vo(t) =a1 vi(t) + a2 v

13、i2(t) + a3 vi3(t) + ...即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) + ...由于放大器的非線性特性，產(chǎn)生了二次、三次以及更高次的諧波，典型的二次諧波功率與基波功率可以達(dá)到30 dB以上，除了諧波以外，還

14、可以產(chǎn)生其他的一些頻率成分，比如，只有偏置電壓引入，這些其他非諧波的頻率成份和基波相比大約又65dB以上的差距,相位噪聲的基本概念,相位噪聲是指信號(hào)源中，由各種隨機(jī)噪聲所引起的輸出信號(hào)瞬時(shí)頻率或相位的起伏，它表征的是信號(hào)源輸出頻率的短期穩(wěn)定性指標(biāo)，是高穩(wěn)定度高、高純度頻率源的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴(kuò)展，其范圍可以從偏離載波小于1Hz一直延伸到幾兆赫茲。,信號(hào)源指標(biāo)... 頻譜純度Spectral Pur

15、ity: 相位噪聲Phase Noise,,,,,CW output,frequency,Power Spectral Density,,measured as dBc/Hz,Ch1 PM PSD,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1k,10k,100k,TRACE A:,A Marker,10 000 Hz,75 dBc/Hz,-125 dBc/Hz,LogMag,5 dBc/div,-105 d

16、Bc/Hz,但是，在實(shí)際應(yīng)用中，所有信號(hào)源的輸出都存在著不穩(wěn)定性，即存在著幅度、頻率或相位的起伏，這樣的不純信號(hào)可表示為 ：,通常情況下，信號(hào)源的輸出中都有幅度變化 ，它不直接造成頻率起伏或相位起伏，在這里可以忽略不計(jì)。這些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪聲。由于頻率是相位對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，因此研究瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度問(wèn)題歸結(jié)為研究瞬時(shí)相位起伏的問(wèn)題。在頻域用頻譜分析儀觀察，相位噪聲表現(xiàn)為噪聲邊帶連續(xù)地分布在載波頻率的上下兩邊，如圖所示。頻域表示

17、的相位噪聲可以簡(jiǎn)單地看作是無(wú)限數(shù)目的相位調(diào)制邊帶，每一個(gè)相位調(diào)制邊帶又是由一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制而產(chǎn)生。,相位噪聲的來(lái)源,通常情況下，信號(hào)源的相位起伏同時(shí)具有隨機(jī)的或離散的特性，用頻譜分析儀觀察的結(jié)果如圖所示。其中，信號(hào)邊帶中的為離散分布的信號(hào)稱(chēng)作雜散分量，另外一種為連續(xù)分布的隨機(jī)信號(hào)，稱(chēng)作相位噪聲。信號(hào)源中的雜散分量一般是由由電源紋波、機(jī)械振動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部鑒相信號(hào)的泄漏或其它電路的信號(hào)竄擾，通過(guò)振蕩器的供電端或調(diào)諧端對(duì)振蕩器的

18、輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻產(chǎn)生的，這種雜散的分布一般情況下具有一定的規(guī)律性。另外一種呈隨機(jī)分布的相位噪聲通常是由振蕩器本身內(nèi)各器件所產(chǎn)生的各種隨機(jī)噪聲(如電阻產(chǎn)生的熱噪聲、半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的散彈噪聲和閃爍噪聲等)引起的。其它電路所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，也可以通過(guò)振蕩器的供電端或調(diào)諧端對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻產(chǎn)生相位噪聲。,頻譜分析儀上顯示的信號(hào)源相位噪聲,單邊帶相位噪聲的定義,信號(hào)源中，由于相位噪聲的存在，在頻域中，輸出信號(hào)的譜線是以調(diào)制邊帶的形式連續(xù)地分布

19、在載波的兩邊，是雙邊帶的，并以載波頻率f0為中心對(duì)稱(chēng)。通常分析問(wèn)題時(shí)，只取其中一個(gè)邊帶就可以了，把這一個(gè)邊帶稱(chēng)為單邊帶(SSB)相位噪聲，用L(fm)表示，如圖所示,(a)相位噪聲邊帶,(b)單邊帶相位噪聲L(fm),單邊帶相位噪聲的定義為偏離載波頻率fm赫茲處，在1Hz帶寬內(nèi)，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率PSSB與總功率PS之比,即,,L(fm)通常用相對(duì)于載波1Hz帶寬的對(duì)數(shù)來(lái)表示，單位為dBc/Hz@fm。,第二節(jié):顯示設(shè)備和信號(hào)檢測(cè)（

20、了解）,2.2.1.檢波器2.2.2.功率檢測(cè)2.2.3.功率計(jì)2.2.4.頻譜分析儀2.2.5.噪聲系數(shù)分析儀,2.2.1.檢波器,Scalar broadband (no phase information),34,微波檢波器的基本結(jié)構(gòu),主要性能指標(biāo) 頻率范圍,頻率響應(yīng),靈敏度,端口阻抗,最大輸入功率,極性,VSWR,接頭形式,36,微波檢波器應(yīng)用舉例:,2.2.2.功率檢測(cè),a)

21、 熱電偶b) 電阻測(cè)輻射熱儀,a) 熱電偶,用于準(zhǔn)確測(cè)量溫度的熱電子元件,尤指一個(gè)熱電子元件,由兩種連在一起的不同金屬組成,這樣連接點(diǎn)間產(chǎn)生的電壓變化就是兩點(diǎn)間溫度差異的量度.,b) 電阻測(cè)輻射熱儀,利用某些溫度敏感元件的電阻隨所加的功率大小而變化的效應(yīng),對(duì)功率大小進(jìn)行檢測(cè). 正溫度系數(shù) 負(fù)溫度系數(shù),2.2.3.功率計(jì),功率探頭功率測(cè)量?jī)x,41,一些傳感器具有代表性的檢測(cè)功率范圍：　　　　　　-7

22、0dBm ~ -20dBm　　　-30dBm ~ +20dBm　　　-17dBm ~ +35dBm　　　-10dBm ~ +35dBm,微波功率計(jì)根據(jù)所測(cè)信號(hào)的不同分為連續(xù)波功率計(jì)和脈沖功率計(jì). 根據(jù)讀數(shù)顯示形式可以分為模擬式和數(shù)字式.,2.2.4.頻譜分析儀,,,Frequency RangeAccuracy: Frequency & AmplitudeResolutionSensitivityDis

23、tortionDynamic Range,,掃頻超外差式頻譜儀的原理方框圖,2.2.5.噪聲系數(shù)測(cè)試儀,a)噪聲源b)噪聲系數(shù)計(jì),噪聲源有很多不同的種類(lèi),通常應(yīng)用的噪聲源分為三種類(lèi)型: 熱/冷噪聲源 固態(tài)噪聲源 氣體放電噪聲源,第三節(jié):輔助元件,3.1:衰減器3.2:定向耦合器3.3:槽線3.4:調(diào)制器3.5:校準(zhǔn)件,隔離器,混頻器,49,3.1:衰減器,a) 固定衰減器

24、b) 可變衰減器 連續(xù)可變 步進(jìn),50,a) 固定衰減器(給定衰減量,計(jì)算電阻值),51,性能指標(biāo),頻率范圍衰減量衰減精確度VSWR最大輸入功率接頭形式,程控步進(jìn)衰減器,52,連續(xù)可調(diào)衰減器,性能指標(biāo):衰減范圍,步進(jìn)衰減器,在一定范圍內(nèi)按固定值遞增,主要采用開(kāi)關(guān)和固定衰減器相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì) 性能指標(biāo):步進(jìn)及衰減范圍,54,3.2:定向耦合器,55,定向耦合器有很多不同的結(jié)構(gòu),其中最常見(jiàn)的是支線耦

25、合器,蘭格耦合器和平行耦合線耦合器,56,基本的定向耦合器和雙向定向耦合器的示意圖,性能指標(biāo),頻率范圍耦合度耦合度偏差插入損耗方向性端口阻抗VSWR最大承受功率接頭形式,58,定向耦合器的應(yīng)用,3.3:槽線(測(cè)量線)主要用來(lái)測(cè)量VSWR,和波長(zhǎng)等參數(shù).按傳輸線的結(jié)構(gòu)來(lái)分,主要有波導(dǎo)式＆同軸式,主要包含三部分:開(kāi)槽線,耦合指示器＆傳動(dòng),矩形波導(dǎo)測(cè)量線,60,矩形波導(dǎo)測(cè)量線示意圖,61,62,波導(dǎo)開(kāi)槽線:它是在矩形波導(dǎo)寬邊

26、的中央開(kāi)一條嚴(yán)格平行于縱向軸線的長(zhǎng)條槽縫構(gòu)成的,是與待測(cè)元件連接的一段波導(dǎo)傳輸線.耦合指示機(jī)構(gòu) 它由探針,調(diào)諧腔體,晶體檢波器和指示設(shè)備構(gòu)成.探針通過(guò)波導(dǎo)的槽縫伸進(jìn)波導(dǎo)內(nèi),與所在位置的電場(chǎng)發(fā)生耦合,在探針上產(chǎn)生與該處電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并經(jīng)過(guò)探針的調(diào)諧腔體送至晶體檢波器,從而轉(zhuǎn)換成直流電流,用微安計(jì)等來(lái)指示.,63,1.VSWR=Vmax/Vmin2.兩個(gè)最高點(diǎn)或最低點(diǎn)間的距離是半個(gè)波長(zhǎng),64,3.4:調(diào)制器,許

27、多微波測(cè)試應(yīng)用中經(jīng)常需要調(diào)制信號(hào),特別是通信方面,比如幅度調(diào)制,脈沖調(diào)制等,65,3.5:校準(zhǔn)件,為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試前必須校掉系統(tǒng)誤差,這樣的測(cè)試結(jié)果才是可信的.,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)件,66,第四節(jié):系統(tǒng)（了解）,67,Agilent 8363B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,吸波材料測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用,采用弓形框法測(cè)量不同方向電磁波照射情況下，被測(cè)材料吸波特性 ，滿足隱身材料吸波特性測(cè)試的要求。,69,70,71,T/R組件測(cè)試系統(tǒng),用于機(jī)載雷

28、達(dá)罩插入相位精密測(cè)量，用于雷達(dá)罩生產(chǎn)過(guò)程相位均勻性監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)、出廠最終檢驗(yàn)測(cè)試。,雷達(dá)罩插入相位測(cè)試系統(tǒng),天線測(cè)試系統(tǒng),RCS測(cè)試系統(tǒng),微波毫米波天線與RCS通用測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用,該系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于電磁頻譜普查、查找干擾信號(hào)方位、無(wú)線臺(tái)站選址及維護(hù)等工程中。系統(tǒng)對(duì)環(huán)境中不同頻段的電磁頻譜分布測(cè)量進(jìn)行信號(hào)方位測(cè)試，系統(tǒng)可車(chē)載和固定安裝。信號(hào)測(cè)向功能頻譜檢測(cè)功能電磁環(huán)境和熱電噪聲測(cè)試功能干擾信號(hào)判斷能力數(shù)據(jù)庫(kù)功能測(cè)量報(bào)表功能,電磁

29、環(huán)境綜合測(cè)試系統(tǒng),AV4063AX/AV4063X現(xiàn)場(chǎng)電磁頻譜檢測(cè)系統(tǒng),針對(duì)信息化時(shí)代的通信、武器裝備的具體特點(diǎn)，利用儀器設(shè)備，結(jié)合的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、測(cè)試技術(shù)組成高度機(jī)動(dòng)性的智能化電子情報(bào)收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能以地面、艦載或機(jī)載方式部署，可單獨(dú)使用，也可作為信號(hào)情報(bào)系統(tǒng)的一部分隨時(shí)部署到不同的電磁環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，可滿足陸海空三軍對(duì)陣地、艦艇、機(jī)場(chǎng)等目標(biāo)區(qū)域以及無(wú)線電管理對(duì)城市區(qū)域?qū)嵤╇姶盘卣鳈z測(cè)的需要，也可為武器裝備電磁特征的

30、檢測(cè)提供重要手段。,具有高靈敏度、寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍和超寬分析帶寬的檢測(cè)功能。具有對(duì)信息設(shè)備的電磁泄漏信息檢測(cè)分析能力具有對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)電系信息設(shè)備電磁泄漏的視頻信息進(jìn)行還原功能?？梢越庹{(diào)AM/FM信號(hào)。,寬帶電磁信息檢測(cè)系統(tǒng),用于在X波段和Ku波段，脈沖功率2000W狀態(tài)下，準(zhǔn)確測(cè)量出雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出的脈沖功率、平均功率、脈沖波形和輸出效率等參數(shù),機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)大功率測(cè)試系統(tǒng),主要用于解決衛(wèi)星有效載荷在生產(chǎn)過(guò)程、地面模擬實(shí)際空間工作環(huán)