射频微波测量技术课件

成都信息工程学院 第一章 引言 1 射频微波测量 射频微波测量技术 电子工程学院 曹俊友 成都信息工程学院 第一章 引言 2 射频微波测量 前置放大功放 滤 波 基带 信号 基带 信号 发射本振 低噪声放大 双工器 接收本振 滤 波 成都信息工程学院 第一章 引言 3 射频微波测量 思考： 语音信号如何传送到很远的地方？ 收音机选台本质上是调节什么？ 成都信息工程学院 第一章 引言 4 射频微波测量 常见的信号发生器名称 函数信号发生器 模拟信号发生器 数字信号发生器 频率捷变信号发生器 微波信号发生器 成都信息工程学院 第一章 引言 5 射频微波测量 定义：一般将输出频率范围在300MHz 30GHz、 工作波长为1m10mm的信号发生器称为微波信号发 生器。 输出频率范围在30GHz 300GHz、工作波长为 10mm1mm的信号发生器称为毫米波信号发生器。 30MHz 300MHz 3GHz30GHz 300GHz 米波分米波厘米波毫米波 成都信息工程学院 第一章 引言 6 射频微波测量 一、微波信号源的性能特性 二、微波信号源的种类 三、微波扫源 四、微波合成源 五、微波合成扫源 六、微波信号源新技术 本章主要内容 成都信息工程学院 第一章 引言 7 射频微波测量 dBm, dBw, dBv dBm: 10lg(P/1mw) dBw: 10lg(P) dBv: 20lg(U/1v) dBuV=90+dBm+10*log(R) dBuV = 107+dBm (50欧姆) dBuV = 108.75+dBm (75欧姆) 成都信息工程学院 第一章 引言 8 射频微波测量 l 为什么用dBm等对数方式表示信号的大小？ l 功率的计算公式：P=U2/R 信号的大小通常是用电压来表示的； 在RF系统中，有确定的阻抗50或75，因 此可用功率来描述信号的大小。 成都信息工程学院 第一章 引言 9 射频微波测量 l 对数表示更直观 1W = 30dBm 100mW = 20dBm 10mW = 10dBm 1mW = 0dBm 0.1mW= -10dBm 0.01mW= -20dBm 0.001mW= -30dBm 0.0001mW= -40dBm l RF仪器中，功率常用线性和对数两种方式显示 。线性显示时，单位为V、mV、uV等；对数显 示时，单位为dBm、dBuV等。 成都信息工程学院 第一章 引言 10 射频微波测量 一、微波信号源的性能特性 l理想的微波信号是CW信号 l定常波（ Costant Wave)：正弦波的各个系数 都是常数 l连续波（Continue Wave)：无始无终的正弦波 l u u（t t）=A=A 0 0 coscos（ 0 0 t + t + 0 0 ） 微 波 信 号 成都信息工程学院 第一章 引言 11 射频微波测量 信号 ( 信号是可以以某种方式感知的客观现象 ( 信号可以按照其物理和数学特征分类 ( 信号具备可以被感知和描述的特征 ( 信号可以提供或探索信息 ( 信号发生器是信号的产生装置 物理特征分类 声信号 光信号 电信号 数学特征分类 正弦信号 脉冲信号 随机信号 高低高低 强弱强弱 明暗明暗 颜色颜色 场强场强 波形波形 振幅振幅 频率频率 周期周期 脉宽脉宽 均值均值 方差方差 信息 成都信息工程学院 第一章 引言 12 射频微波测量 信息 信息是人类对信号特征及其变化赋予或抽 象出 的特定含义； 可以从信号的存在特征中提取信息； （信号 特征的测量） 可以从信号特征的变化规律中提取信息； （网络测量） 可以利用对信号特征的控制和检测传递信息。 （通信） 成都信息工程学院 第一章 引言 13 射频微波测量 信息 信息源信息源发出信号发出信号 信号特征信号特征 测量分析测量分析 获取信息获取信息 信号源信号源激励信号激励信号 被测被测 网络网络 响应信号响应信号 信号特征比对信号特征比对 网络信息反求网络信息反求 载波载波 信号信号 调制调制调制信号调制信号 信息信息 注入注入 发送 传输 接收 调制信号调制信号解调解调 信息信息 再生再生 成都信息工程学院 第一章 引言 14 射频微波测量 电信号 J对电磁场存在特征的物理表达和数学描述 K电磁场某一特征的表征量对时间的变化关系 L如电压、电流、场强、电势、磁通等等 傅立叶级数与傅立叶变换傅立叶级数与傅立叶变换 u(t) U(f)u(t) U(f) 周期信号可以表示为一系列不同幅度、频率和初始相位的正弦信号的叠加周期信号可以表示为一系列不同幅度、频率和初始相位的正弦信号的叠加 非周期信号可以表示为具有不同分布密度的正弦信号的叠加非周期信号可以表示为具有不同分布密度的正弦信号的叠加 u t f 成都信息工程学院 第一章 引言 15 射频微波测量 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。 微 波 信 号 成都信息工程学院 第一章 引言 16 射频微波测量 调幅调幅调频调频调相调相 成都信息工程学院 第一章 引言 17 射频微波测量 A（ ） 谐波 寄生 实际信号 理想信号 分谐波谱密度 成都信息工程学院 第一章 引言 18 射频微波测量 微波信号特征参数 频频 率率 特特 性性 频率：频率：信号特征每秒中重复次数；周期，波长，角频率 频率稳定度：频率稳定度：频率随时间的起伏变化；长期，短期 频率准确度：频率准确度：实际频率与标称频率的差异；绝对，相对 频率分辨率：频率分辨率：最小频率变化间隔；绝对，相对 跳频速度：跳频速度：频率突变的过渡时间 谐波寄生：谐波寄生：波形畸变造成的倍频伴随分量；分谐波 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 相位噪声：相位噪声：随机相位起伏造成的频谱展宽； 剩余调频：剩余调频：扫频信号发生器在无调制点频工作状态下，输 出信号频率的短期不稳定度或晃动。 扫频特性：扫频特性：频率连续变化特性；扫频速度、准确度 成都信息工程学院 第一章 引言 19 射频微波测量 微波信号特征参数 功率特性功率特性 功率：功率：向特定阻抗负载注入能量的能力；振幅向特定阻抗负载注入能量的能力；振幅 功率稳定度：功率稳定度：功率随时间的起伏变化；长期，短期功率随时间的起伏变化；长期，短期 功率准确度：功率准确度：实际功率与标称功率的差异；功率平坦度实际功率与标称功率的差异；功率平坦度 功率分辨率：功率分辨率：功率变化的最小间隔功率变化的最小间隔 源驻波：源驻波：信号源吸收倒灌功率的能力信号源吸收倒灌功率的能力 成都信息工程学院 第一章 引言 20 射频微波测量 微波信号特征参数 调制特性调制特性 脉冲调制脉冲调制 幅度调制幅度调制 频率调制频率调制 相位调制相位调制 成都信息工程学院 第一章 引言 21 射频微波测量 微波信号源功能与构成 微波微波 振荡源振荡源 稳幅稳幅 功率准确度功率准确度 功率稳定度功率稳定度 功率平坦度功率平坦度 功率分辨率功率分辨率 信号源驻波信号源驻波 扫描扫描 模拟扫模拟扫 步进扫步进扫 列表扫列表扫 锁滚扫锁滚扫 合成扫合成扫 功率扫功率扫 合成合成 准确准确 稳定稳定 捷变捷变 高纯高纯 高分辨率高分辨率 调制调制 脉冲调制脉冲调制 调幅调幅 调频调频 调相调相 组合调制组合调制 I/QI/Q调制调制 一个微波振荡器，配以必一个微波振荡器，配以必 要的控制驱动电路，就构成了要的控制驱动电路，就构成了 最基本的信号源。不同的应用最基本的信号源。不同的应用 ，对信号源的输出有不同的特，对信号源的输出有不同的特 性要求。信号源的设计，就是性要求。信号源的设计，就是 围绕振荡器，施加不同的控制围绕振荡器，施加不同的控制 处理电路，满足不同应用需求处理电路，满足不同应用需求 的过程。的过程。 成都信息工程学院 第一章 引言 22 射频微波测量 二、微波信号源的种类 信号源一般有以下三种： 微波扫源 微波合成源 微波合成扫源 成都信息工程学院 第一章 引言 23 射频微波测量 三、微波扫源 输出信号的频率在一定范围内，按照一定规律 重复连续变化的信号源成为扫频信号源。 在某一时刻，扫源的输出波形为正弦波，因此 ，微波扫源具有一般正弦信号源的特性。 扫源也可以设置成单一连续波频率的工作状态 。 成都信息工程学院 第一章 引言 24 射频微波测量 微波扫源基本构成框图 扫描发生器 电 源 主振驱动调制驱动器系统 微波主振调制组件输出组件 成都信息工程学院 第一章 引言 25 射频微波测量 主 振 A A F F 振荡器模型振荡器模型 |AF|1|AF|1 AF=2nAF=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 YTO YIG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 成都信息工程学院 第一章 引言 26 射频微波测量 微波扫源的优缺点 优点 电路相对简单 成本相对较低 缺点 频率稳定度和准确度都很差 由于剩余调频很大，谈不上相位噪声 成都信息工程学院 第一章 引言 27 射频微波测量 四、微波合成源 微波扫源实现比较容易，频率准确度和稳定度 比较差，不能用于精密测量场合。 利用频率合成技术，使得频率准确度和稳定度 达到要求，称该源为微波合成源。 成都信息工程学院 第一章 引言 28 射频微波测量 微波合成源的原理框图 电 源 时 基 频 率 合 成 器 主振驱动调制驱动器系统 微波主振调制组件输出组件 合成信号发生器原理框图 成都信息工程学院 第一章 引言 29 射频微波测量 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 直接合成包括分频、倍频、混频、取样 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 成都信息工程学院 第一章 引言 30 射频微波测量 请大家思考DS、PLL、DDS这3种频率 合成技术的原理和优缺点？ 熟悉这3种技术的优缺点对于指导我们的 设计有非常重要的作用，下面我们一起来 复习。 成都信息工程学院 第一章 引言 31 射频微波测量 直接式频率合成DS 直接式频率合成使用的元件多，结构复杂，体 积大，造价高，杂波抑制太差，这是它的一个 致命缺点，足以抵消它的所有优点。 如何抑制杂波以及组合频率也是直接频率合成 器首要关注的问题。因此，几乎在所有的应用 场合，均被锁相技术的间接频率合成方法所代 替。 成都信息工程学院 第一章 引言 32 射频微波测量 间接式频率合成 间接式频率合成是第二代频率合成技术，以 高指标的晶体振荡器作为参考频率，利用锁 相环技术进行锁相并达到倍频的目的，产生 所需要的频点。 间接式频率合成又称锁相环频率合成技术。 合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好 的选择所需要频率的信号，频率覆盖范围较 大，杂散抑制也很好，并且避免了使用大量 的滤波器，十分有利于集成化和小型化。 参考文献： Analog Devices, Fractional-N Frequency Synthesizer, ADF4154, Device Datasheet, 2004:67 成都信息工程学院 第一章 引言 33 射频微波测量 基本锁相环 Fo Fr 频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器 反馈网络() Fv fOUT PDLPFVCO fREF f fOUT OUT= =N Nf fREF REF N 成都信息工程学院 第一章 引言 34 射频微波测量 微波锁相环 f f OUTOUT= =N Nf fLO LO+f +fREF REF PDLPFVCO N fREF fOUT fLO fI Fo Fr 频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器 反馈网络() Fv 成都信息工程学院 第一章 引言 35 射频微波测量 输出信号的相位噪声 相噪相噪 频偏频偏 振荡器振荡器 自由噪声自由噪声 频率参考频率参考 等效噪声等效噪声 锁相输出锁相输出 实际噪声实际噪声 低通滤波低通滤波 增益带宽增益带宽 Fo Fr 频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器 反馈网络() Fv 成都信息工程学院 第一章 引言 36 射频微波测量 成都信息工程学院 第一章 引言 37 射频微波测量 锁相频率合成技术最大的缺点是频率步进和跳频时间 相互制约。 为使PLL的转换时间比较快，由经验公式或者仿真容 易知道，这需要提高PLL的参考信号频率，但这样会 使频率步进太大，也就是频率分辨率降低。 整数分频频率合成器，跳频时间和频率分辨率是不可 调和的矛盾，所以整数锁相环往往难以满足实际需要 ；如果减小步进而降低参考信号频率，又会增加频率 转换时间和相位噪声。 小数分频器在一定程度上缓和了这个矛盾，在较大的 鉴相频率下，小数分频频率合成器可以实现小数分频 ，使得频率合成器的分辨率可以很小，而鉴相频率不 变，也就是说保持了较短的跳频时间。 小数分频器的杂散抑制比较差，目前主流芯片只能做 到-70dBc。 成都信息工程学院 第一章 引言 38 射频微波测量 直接数字频率合成DDS 数字直接式频率合成是第三代频率合成技术。 它利用数字计算机和数模变换器来产生信号。 完成直接式频率合成的办法，或者是利用计算 机求解一个数字递推关系式，或者是查询表格 上所存储的正弦波值。 目前用得较多的是查表法。这种合成器体积小 、功耗低，并且可以几乎是实时的以连续相位 转换频率，给出非常高的频率分辨率。 参考文献：Analog Devices, Inc., 2.7GHz DDS-Based AgiledRF Synthesizer AD9956, Device Datasheet, 2004:115 成都信息工程学院 第一章 引言 39 射频微波测量 DDS 累加器寄存器cosD/ALPF 循环展开循环展开 低通滤波低通滤波 成都信息工程学院 第一章 引言 40 射频微波测量 直接数字频率合成DDS 直接式数字频率合成器有一个很大的缺点，其 输出的信号频率较低，目前形成产品的DDS芯 片的最高时钟频率到1.6GHz ，而且实际输出 频率更低，约600MHz。 直接式数字频率合成器还有一个弱点，其输出 杂散抑制差。目前，据资料，AD公司的DDS 产品在窄带输出的情况下，杂散抑制能够做到 80dBc。 参考文献：Analog Devices, Inc., 2.7GHz DDS-Based AgiledRF Synthesizer AD9956, Device Datasheet, 2004:115 成都信息工程学院 第一章 引言 41 射频微波测量 微波频率合成器的原理框图 时 基 参 考 信 号 发 生 器 中频环 本振环 鉴相器 取样器带通/隔离微波主振 环路滤波器 中频 fr f1 fV fO 成都信息工程学院 第一章 引言 42 射频微波测量 本振环 时 基 参 考 信 号 发 生 器 中频环 本振环 鉴相器 取样器带通/隔离微波主振 环路滤波器 中频 fr f1 fV fO 成都信息工程学院 第一章 引言 43 射频微波测量 中频环 时 基 参 考 信 号 发 生 器 中频环 本振环 鉴相器 取样器带通/隔离微波主振 环路滤波器 中频 fr f1 fV fO 成都信息工程学院 第一章 引言 44 射频微波测量 把微波频率分辨率转化为射频载波下的同等 分辨率，降低了相对分辨率要求，那么问题 解决了吗？ 小数分频技术 DDS技术 成都信息工程学院 第一章 引言 45 射频微波测量 仪器软件 各种误差补偿 电平准确度补偿 电平平坦度补偿 YTO线性补偿 扫频准确度补偿 仪器的自检测、自诊断 复杂的步进扫频、列表扫频功能 成都信息工程学院 第一章 引言 46 射频微波测量 微波合成源实例分析 成都信息工程学院 第一章 引言 47 射频微波测量 缓冲 分频 参考环 LF N.F YO 驱动 LF 810 YIG 梳状波发生器 CPU控制 5M 10M CPU控制 1010 1M 10M 2 4 500M1G VCO 7951005M 5M STEP 50100M 小数环 YO环 步进环 800M1G 4 40MHz OCXO EXT RET 10M DAC 成都信息工程学院 第一章 引言 48 射频微波测量 五、微波合成扫源 微波模拟扫源的缺点： 频率精度和频率稳定性都非常差，即便是通 过各种补偿措施也不能达到精密测量的要求 为了克服模拟扫源的缺点，结合微波合成源的的优 点，人们研制出了具有模拟扫频功能的合成源，这是 我们接下来要讨论的微波合成扫源 成都信息工程学院 第一章 引言 49 射频微波测量 合成扫源示意框图 环路滤波器 鉴相器 取样保持求 和调谐振荡器 计数器扫描发生器 取样器 中频 参考 频率预制 合成扫频信号发生器基本构成 成都信息工程学院 第一章 引言 50 射频微波测量 扫频方式一 “锁滚”式合成扫频 先锁定起始频率，使用取样保持电路保持住起始点压，然后断开环路，将 扫描电压叠加到起始点压上，实现“锁滚”式合成扫频。 t V t V t V += 前提是主振的扫频特 性是线性的，扫 描速度和扫宽准 确