（电子科学与技术专业论文）大功率脉冲微波功率频率计研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nh i g hp o w e r m i c r o w a v et e c h n o l o g y , h i g hp o w e rp u l s em i c r o w a v es o u r c e sa r ew i d e l yu s e d t h u s ，t h e r e q u i r e m e n tf o rm e a s u r i n gt h ep o w e ra n df r e q u e n c yo fh i g hp o w e rm i c r o w a v ei s i m p r o v e d a tc u r r e n t ，c wh i g hp o w e r m i c r o w a v ep o w e rm e t e ra r eh u g e ，v e r ye x p e n s i v e a n dc a n n o tb eu s e df o rh i g hp o w e rp u l s em i c r o w a v es i g n a lm e a s u r e m e n t ，a n da r e s e p a r a t e d s oi ti sv e r ye s s e n t i a lt oe x p l o r ei l e wi n s t r u m e n tt om e a s u r ep o w e ra n d f r e q u e n c yo f h i g hp o w e rp u l s em i c r o w a v e o nt h eb a s eo fp r o f e s s o rw e n x i a n gw a n g sp a t e n t as m a l lp o r t a b l eh i g hp o w e r m i c r o w a v em e t e r ( n o ：z l 0 0 1 1 2 6 1 3 x ) ，t h es c h e m eo fh i 曲p o w e rp u l s em i c r o w a v e p o w e ra n df r e q u e n c ym e t e ri sp r o p o s e d t h es a m p l em e t e ri sd e s i g n e dt h ea d v a n t a g e o ft h em e t e ri ss i z ec o m p a c t e d ，l i g h t w e i g h t ，l o w - p r i c e ，w i d ep o w e rr a n g e ，a n di tc a r lb e u s e df o rm e a s u r i n gp u l s em i c r o w a v ep o w e r i nt h ep a p e r , p r e s c a l et e c h n o l o g y , i n t e r p o l a t em e t h o d ，a v e r a g i n gm e t h o da n d m u l t i p l ep e r i o ds y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da r eu s e dt om e a s u r et h ef r e q u e n c ya c c u r a t e l y d i o d ed e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g y ，a n dp o w e ra t t e n u a t e dm e t h o do rp r o b ec o u p l i n g w a t e rl o a dt e c h n o l o g ya r ee m p l o y e dt om e a s u r et h ep o w e ro fh i g hp o w e rm i c r o w a v e i s o t h e r m a lt e c h n o l o g yi su s e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fd e m o d u l a t o ra n dt oe x p e n dt h e r a n g eo fs q u a r el i n e a rr e g i o n m c us e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e da n d e m ci sa n a l y z e d t h er e s u l ti st h a tt h em i n i m u mp u l s ew i d t ht h a tt h em e t e rc a nm e a s u r ei s 12 m s ， f r e q u e n c yr a n g ei s0 5 g h z 4 g h z ，t h em a x i m u mp o w e ri s2 0 k w t h ev o l u m eo f m e t e ri sd e c r e a s e dt oo n eo f t e n t ho f t h e1 0 k wc wh i g hp o w e rm i c r o w a v ep o w e rm e t e r t h ep r i c eo ft h em e t e ri s2 0 t o2 5 o ft h e10 k wc wh i g hp o w e rm i c r o w a v ep o w e r m e t e r k e y w o r d ：p u l s em i c r o w a v e ，p o w e rm e a s u r e m e n t ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，e m c ，h p m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：猫也丑日期：加f 年；月夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨逸垒煮导师签名： e t 期：妒 第一章引言 1 1 课题的研究意义 第一章引言 随着科学技术的发展，尤其是微波技术和半导体技术的高速发展，大功率微 波信号源的应用越来越广泛，这样对频率测量设备的要求也就越来越高。因此， 研究新的大功率脉冲微波功率和频率测量方法对开发低成本、小体积且使用方便 的便携式功率、频率测量设备有着十分重要的意义。经过长期的研究，在大功率 脉冲微波功率和频率测量方面，已经开发了很多的技术和方法，这些方法具有不 同的精度和复杂性。然而，根据需要，还将不断地开发新的测量方法，主要目的 是： 1 随着微波技术的发展，对1 4 g h z 频率范围内脉冲微波信号需要具有一定 的测量精度。利用传统的测量技术提高频率和功率的测量精度，使得测量系统的 成本很高，不满足低成本的要求。因此，具有较高测量精度的和脉冲微波测量的 新方法非常值得研究和开发，而低成本的仪器是备受欢迎的。 2 目前已有很多的频率控制和合成方法在实际中得到了很广泛的使用。在使 用中人们发现，在测量精度和仪器的成本，复杂程度和应用条件之间存在着矛盾， 因此具有高精度，简单结构的控制技术成为此领域重要的研究方向。 3 微波功率测量是最重要的微波测量内容。脉冲功率测量已经提出了多种测 量方法，但仍无公认理想的方案，无大功率脉冲微波功率测量仪器。因此进一步研 究大功率脉冲微波测量具有十分重要的意义。 1 2 国内、外研究进展 随着计算机技术、半导体技术和测量技术的发展，现代微波仪器直接利用高 速a d c 对微波信号进行取样【3 ，依靠计算机对采样数据进行存储、处理和结果显示 通过g p i b 接口控制调节，从而组成自动化测试系统，实现测试系统智能化。 1 2 1 国外研究进展 在国外，微波功率频率计研究主要是安捷伦在技术上处于领先地位。在脉冲 电子科技大学硕士学位论文 微波功率频率测量中主要利用了以下几种技术： 1 ) 实时数字信号处理技术 该技术在分析数据的同时获取新读数，加速测量吞吐量，使功率频率计能够 每次测量聚集更多数据。 2 、虚拟仪器技术 该技术在通用计算机环境中，利用l a b v i e w c v i 等虚拟仪器软件平台，在屏幕 上构建与真实仪器类似的可视化软面板，通过软面板上的虚拟控件控制底层硬件， 用功能强大的软件来完成信号的采集、分析、显示和存储。 3 ) a g i l e n ti n t u i l i n k 软件技术 该技术将微波测量仪器和计算机组成功能强大的自动测试系统，便于数据汇 集和分析。 4 ) g p i b 接口技术 该技术与微机技术匹配良好，易于组建测试系统。 5 ) 数字消影技术 该技术方便用户消除不需要数位。 6 ) 高稳定度恒温时基技术 通过超稳定时基，其老化率可以达到5 1 0 一o 天。 最新计数器产品有a g i l e m5 3 1 8 1 a 系列的计数器和a g i l e n t5 3 1 3 1 a 系列的微 波连续波频率计数器计。其周期和频率分辨率可以达到1 2 位，单次测量的分辨率 率可以达到1 5 0 p s 。在自动系统要求苛刻时，还可以利用外同步功能，可用一个外 部信号来控制时间间隔测量。 微波功率计有e 4 4 1 9 b 射频，微波功率计，其频率范围为1 0 0 k h z 5 0 g h z 和 7 5 g h z 1 1 0 g h z ，功率范围为一7 0 d b m + 4 4 d b m ( 1 0 0 p w - 2 5 w ) ，绝对精度为 0 0 2 d b ( 对数) 。 1 2 2 国内研究进展 国内研究该领域主要单位有中国电子科技集团公司第四十一研究所、哈尔滨 工程大学测试计量技术与仪器系、电子科技大学自动化学院、中北大学电子科学 与技术系。他们主要研究和设计符合中国国情的测试仪器和专用测试仪器。目前 采用主要技术 3 1 有： 1 ) 嵌入式系统技术 2 第一章引言 该技术利用p o w e rp c 等强大数据采集能力的嵌入式实时系统实时采集数 据。 2 ) 虚拟仪器技术 该技术利用功能强大、技术成熟的l a bv i e w c v i 等软件实现虚拟仪器，简化 系统结构，提高系统数据采集、处理能力和系统的拓展能力。 3 1p x i 总线技术 该技术直接采用当今主流计算p c i 总线，保留了p c i 总线与c o m p a c t p c i 模块 结构所有优越性能( 如优良的机械性能、系统易于集成、比台式机具有更多扩展糟 等) ，在机械、电气和软件编程等方面增加了测试仪器所特别需要的性能和特点。 钔网络化技术 该技术利用以太网技术将脉冲微波功率频率计与其他测试仪器组成测试网 络，实现了对微波信号各种参数的综合测试。 1 3 发展趋势 目前，脉冲微波功率频率计正朝着数字化、智能化、多功能、小型化、模块 化、标准化和开放型的方向发展，随着技术的进步和应用领域的扩大，这种推进 将越来越快，主要表现在以下方面：( 1 ) 脉冲微波功率频率测量与计算机、通信 及网络的融合。测量已成为计算机、通信和网络的重要组成部分。( 2 ) 向开放型 的v x i 、p x i 模块化方向发展。机箱和模块趋于标准化，每个模块有独立的测量功 能，用户可根据测试需要即插即用，十分灵活。( 3 ) 新器件在仪器中的作用越来 越重要。c p u 、r o m 、r a m 、f p g a 、e p l d 、d s p 和a s i c 是现代仪器的核心， 它们的运算速度越来越快、集成度越来越高，甚至出现了系统级的芯片。( 4 ) 软 件在仪器中的比重越来越大。软件是仪器的重要组成部分，在现代仪器设计中， 软件工作量己占到7 0 8 0 。( 5 ) 产品设计和制造技术趋于现代化。国外普遍采 用了e d a 、s m t 、c a m 、c a t 等设计、制造技术，提高了产品的设计水平和产品 的制造质量，缩短了生产周期。 1 4 主要研究内容与主要贡献 本论文在现有的微波功率和频率测量原理和王文祥教授专利一种小型便携 式微波大功率计( 专利号：z l 0 0 1 1 2 6 1 3 x ) 基础上，提出了一种大功率脉冲微 3 电子科技大学硕士学位论文 波频率和功率计设计方案，该方案利用e d a 技术、内插技术、预分频技术、二极 管检波技术，结合衰减器和探针耦合器实现了低成本，高性能、结构紧凑的脉冲 微波功率频率计样机研制。并将它们用于科研项目中，受到了很好的效果。 本论文完成主要工作有： 1 研究了目前脉冲微波功率和频率测量仪器的研究现状、功率、频率测量的 基本原理以及目前在测量功率和频率中常用的测量方法，并各种方法进行了比较， 确定了利用预分频技术测量微波频率和二极管检波技术测量微波功率的设计方 案。 2 详细分析了提高微波频率测量精度的方法和扩大微波功率测量范围的方 法，并对各种方法进行了比较，利用多周期测频法，平均法和内插法提高了微波 频率测量的精度，利用衰减器和水负载+ 探针耦合器扩大了脉冲微波功率频率计 的测量范围。 3 提出了大功率脉冲微波功率频率计设计方案，该方案降低了脉冲微波功率 频率计成本，减小了脉冲微波功率频率计的体积，减轻了脉冲微波功率频率计的 重量，扩大了微波功率频率计功率测量的范围，实现了大功率脉冲微波信号频率 的测量。 4 利用恒温技术提高了检波器的稳定度，提高了微波功率测量的精度。 5 设计了串口通信协议，该协议简化了单片机串口通信程序设计，提高了功 率、频率模块间数据通信的可靠性。 6 分析了大功率脉冲微波频率功率计的电磁兼容特性，完成了对其各模块及 整机的电磁兼容设计。 7 设计了高速a d c 采样电路。 8 完成了脉冲微波功率频率计模块设计和样机研制。 本论文的主要贡献有以下几点 1 完成了大功率脉冲微波功率频率计样机的研制。根据现有的文献和测试仪 器的资料，我们尚未发现有大功率脉冲微波功率频率计的报道。 2 该样机与现有的微波功率计相比，3 0 0 w 脉冲微波功率频率计体积减小了 2 3 ；2 0 k w 脉冲微波功率频率计体积减小了9 1 0 。 3 将大功率脉冲微波功率测量和频率相结合，组成统一的功率频率测试仪器。 4 设计了单片机串口通信协议。该协议基于帧传输方式设计，以数据流的方 式发送和接受数据，简化了串口通信程序的设计，提高了数据传输的可靠性。 4 第二章系统结构概论 第二章系统结构概论 本章在介绍了微波频率、功率测量基本原理和提高微波频率测量精度方法以 及扩大功率计测量范围方法等基础上，比较了各种方法的优缺点，提出了大功率 脉冲微波功率频率计设计方案。 2 1 基本的频率测量方法 测频法和测周法h 是高、低频信号频率测量的基本原理，即在一定测量时间内 测取被测信g - 脉冲数或在被测信号周期内记录下标准计数脉冲个数来完成信号频 率或周期测量，如公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 所示： 测频法原理表达式： 正：孥( 2 - 1 ) 测周法原理表达式： t = n 。( 2 - 2 ) 式中，工和t ，为被测信号的频率和周期。t ，是测频法允许被测信号通过的闸门时 间， k 是丁，内被测信号脉冲个数。丁一是测周法采用标准时钟脉冲周期，它由石 英晶振产生。n 是被测信号周期t ，内标准时钟脉冲个数。 对于测频法，其相对误差为： 等= 尝一等= 最一等 c z 司 。 n tt 。t ： l t s 、一 式中， 尝为量化误差。吆2 1 个计数单位，简称为“1 误差”。等为闸 门时间相对误差，由晶频而准确度确定，且等。等。则 等= 苦+ 卧最 弘a ， 六l 六1 le 正 、。 电子科技大学硕士学位论文 此式表明，被钡4 信号频率 越高，闸门时间丁，越长，测频法误差越小。 对于测周法，其相对误差为 盟：竺生+ 盟 t ；n ht q = 羔f o 一阱蔫f o 陋s ， = 一一l f i ，一、l t + | 五lt - 、。 可见被测信号的频率 越低( 丁，值越大) ，测周法误差越小。 2 2 微波频率计数器基本原理 由于受到器件最高运行速度的限制( 目前，高速计数器件e c l 计数器的最高 输入频率为2 2 g h z ，t t l 计数器的最高输入频率为1 0 0 m h z ) ，直接利用计数器件 测量频率范围有限。为了扩大微波计数器频率测量范围，很多采样技术得到了应 用5 棚】。目前，在测试仪器设计中广泛应用的采样方法有以下几种：预定标法；外 差下变频法；置换振荡法；外差谐波下变频法。 2 2 1 预定标法 预定标法是将输入频率进行简单的次分频，得到普通频率计可以测量的低 频信号。频率计测得的频率乘以整数，即为被测信号频率。该方法的主要优点是 微波计数器结构简单，成本较低；主要缺点是微波计数器分辨率低，可测量的频 率范围有限。图2 - 1 为预定标法方框图。 调理电路 2 2 2 外差下变频法 图2 - l 预定标法方框图 外差下变频法将输入微波频率与高稳定本地振荡器差拍，得到的差频落入普 通频率计测量范围。图2 2 为外差下变频法计数器方框图。电子计数器输出高精度 标准频率工，标准频率石送到谐波发生器产生间隔为工的各次谐波。谐波滤波器选 6 第二章系统结构概论 择次谐波 ，并送到混频器与被测频率五差拍，差频经放大器放大后，送入计 输 f 。 图2 - 2 外差f 变频法计数器的方框图 数器计数，输出矗为n 次谐波 弧之和正，即： ：= 喇3 七 l 啦- 6 1 检波器和扫描捕获电路共同确定n 值。在单片机控制下，n 值以n = 1 为起点，从 低到高依次扫描，一直到检波器输出信号为止，即在这一点上确定捕获过程并开 始测量。 2 2 3 置换振荡法 转换振荡器下变频法是用一个低频振荡器对输入微波信号锁相，建立压控振 荡器( v c o ) 频率五与被测微波频率之间的谐波关系和恒差关系，然后，用普通计 数器测量压控振荡器( v c o ) 的频率庀。应用转换振荡技术的微波计数器方框如图 2 3 所示。被测频率五与压控振荡器频率五的谐波蚬进行混频，其差频信号输出 频率为f ，= a - n a 。当五落在差频放大器的通频带内时，鉴相器的输出电压控制压控 振荡器，使它停止扫频，并由锁相环路保证与五锁定。 工= 幌+ 正 ( 2 7 ) 由于置换振荡法应用了锁相电路，其环路增益和整机灵敏度很高，但闸门时 间需扩展倍，因而在同样测量时间情况下其分辨率比外差下变频法低。图2 3 7 电子科技大学硕士学位论文 为置换振荡法原理图。 2 2 4 外差谐波下变频法 图2 ，3 置换振荡法原理图 外差谐波下变频法是置换振荡法和外差下变频法两者的结合，即应用置换振 荡法捕获微波输入频率，然后利用外差下变频法进行频率测量。图2 - 4 为外差谐波 下变频法原理图。输入被测频率五经谐波混频器与彻；混频，得到差频扣用第二 取样环确定谐波数，则微波信号频率： 正= 慨+ 办 ( 2 8 ) 文献 9 ，1 0 详细介绍了该方法的具体电路。 图2 4 外差谐波下变频法原理图 2 2 5 微波频率测量方法的比较和选择 ( 一) 测量速度 微波频率计数器完成测量所需的时间可分为捕获时间和闸门时间两部分，捕 8 第二章系统结构概论 获时间是频率计数器检测微波信号以及进行测量准备所需要的时间。而闸门时间， 就连续波测量而言，是按给定分辨率进行测量时所需要的闸门宽度；就脉冲微波 测量而言，闸门时间不大于脉冲微波宽度。 应用y i g 滤波器的外差变频器，捕获时间为4 0 m s 2 0 0 m s ；如用薄膜滤波器， 捕获时间小于l m s 。就连续波测量而言，外差变频计数器的闸门时间为1 r ( 式 中r 为所要求的分辨率，单位为h z ) 。 采用转换振荡技术的微波计数器，捕获时间大约为1 5 0 m s ，而闸门时间比外差 下变频法慢得多，为了把计数器计数值乘以n ，闸门时间为n r 1 1 。 外差谐波下变频法捕获时间为3 5 0 m s 5 0 0 m s ，是上述三种技术中最慢的；闸 门时间可能的范围为l f r 4 r ，比转换振荡法小得多，接近于外差下变频技术 ”。 预定标法捕获信号后，直接利用计数器对脉冲进行计数，捕获时间可以小于 上面的三种方法，适合脉冲微波频率测量。 ( 二) 测量精度 微波频率计数器的测量精度受到以下两个因素的影响： 1 ) 1 计数量化误差； 2 1 时基误差限制。 就连续波频率测量而言，由于闸门时间可以按分辨率要求来选择，则时钟温 度稳定性是频率测量精度的主要限制，如果闸门时间为1 秒，置换振荡法分辨率 被限制到大约1 0 “( 时钟为1 0 0 m h z ) ，外差下变频法和外差谐波下变频法分辨率 被限制到大约1 0 。( 时钟为1 0 0 m h z ) ，若选用高精度恒温晶振，上面三种方法的 分辨率可以达到10 1 0 ，而预定标法是将输入信号进行分频后进行测量，若采用倒 数测频法，量化误差取决于时钟最高频率。 对于脉冲微波的测量，由于闸门时间受到脉冲微波宽度的限制，1 量化误差 是影响微波频率测量精度的主要因素。减小可见l 量化误差是提高微波测量精度 的关键。 ( 三) 灵敏度和动态范围 就灵敏度指标而言，置换振荡法、外差下变频法和外差谐波下变频法三种下 变频技术没有多大差别，都应有大约2 5 d b m 灵敏度。动态范围是灵敏度与能够可 靠计数的最大输入信号电平之差，大多数计数器允许输入均达至u + 2 5 d b m w 以上， 动态范围在4 5 d b 左右。预定标法灵敏度和动态范围取决于分频器器件性能，因此 9 电子科技大学硕士学位论文 在利用预定标法时，必须注意输入端分频器器件的选择，以达到系统要求的灵敏 度和动态范围。 ( 四) 性能价格比 预定标法由于受到分频器最高运行频率的限制，频率测量范围有限，但该方 法电路简单，所需元器件较少，具有最高性能价格比，有利于便携式微波频率测 量仪器设计。 外差下变频法自动处理过程中的关键部件是微波滤波器。常用的有两种滤波 器，第一种是亿铁石榴石y i g 滤波器，这是一种单晶铁氧体材料。第二种是用二 极管开关进行选择的薄膜滤波器阵。滤波器和混频器成本较高川。 置换振荡法电路结构最复杂，制作成本最高，且不适合脉冲微波频率测量。 采用外差谐波下变频法微波频率计数器，由于设计制作中仅用一个高成本的 微波部件一谐波混频器，而检测，判断和计算则可以利用低成本的微机来完成，所 以制作成本有可能比采用置换振荡法、外差下变频法低【l j 。 另外一种较好的脉冲频率测量方法是作者在文献 1 1 中提出的基于p c i 接口 的脉冲微波频率接口卡，该卡将利用e d a 技术和p c i 接口技术来采集微波信号， 利用p c 机对微波信号频率特性进行分析，具有自动测量和在线监控功能，有很大 的市场潜力。 ( 五) 测量方法选择 本课题设计目标为研究一种低成本，高精度，便携式大功率脉冲微波功率频 率计。预定标法测量原理和电路结构简单，所需元器件较少，具有最高的性能价 格比，而且有利于微波频率测量仪器的小型化设计，因此本设计中采用预定标法。 为了提高频率测量精度，减小1 计数量化误差误差，在设计中还引入了一些提高 微波频率测量精度的方法。 3 提高微波频率测量精度方法 由微波频率计数器基本原理可知，微波频率测量最终都要通过测频法和测周 法 1 1 q 3 l 来实现。但由于标准时钟信号与被测信号不相关，在硬件上无法控制标准 时钟信号与被测信号同步，因此在实际测量中总存在数值为“l ”计数误差。为 减小误差，提高测量精度，在频率计数器设计中通常采用以下几种方法：多周期 同步测频法；模拟内插法；游标内插法；平均法。 1 0 第二章系统结构概论 2 3 1 多周期同步测频法 测频量化误差是由于闸门与被测信号不同步引起的，为减小量化误差，必须 使闸门时间等于被测信号整周期数。图2 5 为多周期同步测频法原理图。其设计原 图2 - 5 多周期同步测频法原理图 理 9 - 1 3 是采用预置闸门，用对预置闸门同步，在同步闸门时间内对计数得到 被测信号整周期数n x 。为确定同步闸门时间，用另一计数器对标准频率f o 计数得 到n o ，闸门开启时间为n o 南，测量得到的频率为e = n 。f o n o 。由于闸门的开 启与被测信号完全同步，所以n 。无“1 ”误差，n 0 有“l ”误差，但由于n o 较大，相对误差“1 n o ”较小。图2 - 6 为多周期同步测频法时序图。当被测号频 l； 南几- | 几| 几nn 门r n 门门门n 几门几r n 几几门门 b 一厂 一一广1 广 厂 一一r _ 。 r _ ； t il m 厂 广_ 厂 ： n 。门门门| _ 几| _ 门门几nr n 门n ； ： 图2 - 6 多周期同步测频法时序图 率低于标准时钟频率时，此方法有效地降低了频率测量误差，实现了频率的等精 度测量；当被测信号频率高于标准时钟频率时，此方法失效。文献 9 1 3 介绍了 实现多周期同步测频法的电路。 2 3 2 模拟内插法 在多周期同步测频法设计中，为减小量化误差，必须提高标准时钟( 以下简称 电子科技大学硕士学位论文 时标) 频率，增大计数器的计数值，但由于受到计数器最高工作频率以及计数器 最大计数容量( 最大计数值) 的限制，多周期同步测频法测量精度有限。内插法 用于测量量化单位以下的尾数( 零头时间) ，其时序图如图2 7 所示，则实际的闸门 开启时间t 为： t = 7 0 一正+ 瓦 ( 2 9 ) 由于t l 和t 2 均很小( 小于时标) ，采用普通的“时标计数法”难以实现。模 拟内插法将时间t l 和t 2 扩展( 放大) 后间接测量。若t 卜t 2 均扩展k 倍，采用 同一时标，分别测量t o 、k t l 、k t 2 ，测量数值分别为：n o 、n 1 、n 2 ，则： t = t o l + t = ( + ( n 2 - n 。) 叼 ( 2 1 0 ) 即： 仁写一百啊2 ( n o k + ( n 2 - a r ) r o l k ( 2 1 1 ) 磊 f o t o t n o 图2 7 模拟内插法时序图 由于t o = n o t0 不存在量化误差，总量化误差由( n 2 - n 1 ) 引起，降低了k 倍，相 当于用to 瓜时标的普通时间测量。图2 8 为模拟内插法时间扩展电路，以恒流源 恒i 踩 图2 - 8 模拟内插法时间扩展电路 对电容器c 充电，设充电时间为t l ，而以( k 一1 ) t l ( 可近似为k t l ) 时间缓慢放电， 当放电至原电平时，所经历的时间为： 1 2 第二章系统结构概论 t i 。= t l 七陋1 ) t l = k i l t 2 - 1 2 ) 即得到t l 的k 倍时间扩展。在k t l 时间内对时钟计数，分辨率提高k 倍。这种方 法缺点是由于电容充电时存在非线性，在测量前需进行校准：同时，t l 扩展为k t l ， 使测量的最小脉冲宽度受到限制，为减小t - 测量的时间，在实际计数器设计中常 用a d 转换器测量电容器c 的电压来计算出时间t l ，t 2 。文献 1 4 2 0 介绍了实现 模拟内插法的电路。 2 3 3 游标内插法 游标内插法模仿了游标卡尺的思路，与卡尺的主体相对应的是时标而计数， 与卡尺上游标相对应的是一个与石频率相位锁定且比石频率稍低的信号工计数。 测量正( 乃或功时，经过相对长时间的五与二的对比，可以得出乃，乃之值。由 于使用两种频率非常接近的时钟信号，所以每个周期两时钟之间的间隔都将减少 l 一乃，当主时钟信号经过m 个周期后，两个时钟信号在相位上完全同步，则被 测时间间隔为： = t o 一写+ 正= n o 弓+ 眦m ) ( 互一写) ( 2 13 ) 即： 正= 瓦一石+ 正= ( + 蒜与+ ( 2 l ”佤一t o ) 由上式可见，游标法将测时分辨率从直接法的t m 提高到l 实现游标内插法的电路。 2 ，3 4 平均法 ( 2 1 4 ) 乃。文献 1 9 介绍了 在普通计数器中，由于闸门开启时间和被测信号脉冲时间的随机性，单次测 量结果的相对误差在一1 n i n 范围内出现，服从均匀分布，因而，在多次测量情 况下其平均值必然随着测量次数的无限增多而趋于零。以有限次n 的测量来逼近 理想情况可得： 盟：一盟：一1 一1 ( 2 1 5 ) t 。 ：n n 可见随着测量次数的增加，其误差为单次误差的。1 。 以 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 3 5 几种方法的比较和选择 提高脉冲微波频率测量精度是保证测试数据有效性的唯一手段。微波高精度 频率测量，不但选择合理的频率测量原理，还要选用合适的提高频率测量精度的 方法。多周期同步测量法虽然实现电路结构简单，能实现频率的等精度测量，但 由于标准时钟信号计数器的计数误差以及标准时钟的虽高频率和精度的限制，测 量精度有限。平均法是通过增大测量时间来提高计数器的计数值，测量周期较长 频率检测的实时性较差，不能测量频率变化率较大的微波信号的频率。从原理上 说，游标内插法和模拟内插法可以将频率测量的精度提高到任意的精度，因此它 们在微波信号测量中得到了广泛应用。 本论文采用模拟内插法、多周期同步测频法和平均法来提高频率测量精度。 2 4 脉冲微波频率测量的关键技术 在连续微波频率计数器的基础上增加一个受脉冲控制的门控电路，便可实现 脉冲微波频率测量。 2 4 1 包络信号失真对闸门控制的影晌 由于检波器输出包络信号前后沿有一定的失真，影响了闸门控制的精度。为 了消除前后沿失真对门控信号的影响，必须在脉冲开始之后打开闸门，在脉冲信 号结束之前关闭闸门，延迟打开闸门比较容易实现，但提前关闭闸门是一件很棘 手的事情。本论文将脉冲微波信号分频后经器件延迟后输入到计数器计数，利用 未延时的包络信号检测脉冲信号结束，保证了闸门提前关断。 对于长脉冲信号，由于计数器技术范围有限，不能仅仅依靠包络信号来关断 闸门，还必须考虑计数器的最大计数值，因此，引入了中断技术。当1 6 位计数器 的高三位为高电平时，计数器向单片机请求中断，单片机接受到中断后关断闸门， 计数器停止计数。 2 4 2 闸门信号同步问题 由于器件具有时间延迟特性，为保证被检测信号闸门和时钟信号闸门同步， 两路闸门控制电路必须采用相同的器件和布线结构，即走线路径应大致相同，走 1 4 第二章系统结构概论 线长度应尽可能短，以减小线路对信号的时延。 2 5 微波功率测量 微波功率不能直接测量，要通过微波效应来进行间接测量，即通过微波的电 场、磁场、功率或能量对某些材料或器件作用产生的效应，将微波转换成可测的 物理量，通过检测这些可测的物理量换算出微波功率。例如热电偶和热敏电阻利 用微波信号的热效应将微波功率转换为电流，通过检测电流变化可以测量微波信 号功率。二极管检波器将微波信号直接转换为具有平方律特性的电流信号，通过 测量二极管输出电流大小来检测微波信号的功率。 2 5 1 微波功率计的基本组成 微波功率由微波功率变换器，测量装置和指示器三部分组成。 ( 一) 微波变换器 微波功率变换器将微波能量或功率、或场强变换成可测物理量。在微波功率 测量中采用的微波变换器有以下几种： 1 1 热变换器 热变换器将微波能变换为热能。由于测量热能方式不同，热变换器有多种形 式：如量热计、测热电阻、热电偶等 2 ) 电子变换器 电子变换器将微波功率变换为与微波功率有一定函数关系的电压和电流，常 见的电子变换器有检波二极管、真空二极管。 3 ) 电磁效应变换器 常见的电磁效应变换器有有质变换器、霍尔效应变换器、克尔效应变换器、 磁阻效应变换器等等。 变换器完全决定了微波功率计输入阻抗及其与传输系统阻抗匹配程度。变换 器分为两大类，即吸收式功率计变换器和通过式功率计变换器。这两种变换器的 根本区别在于前者的接收变换器耗散掉全部馈入的微波功率，而后者的变换器通 常则只消耗通向负载的微波功率的- - + 部分。 ( 二) 测量装置 测量装置将变换器输出的信号经过放大，比较或进一步变换等等变成更便于 1s 电子科技大学硕士学位论文 测量和指示的信号输出。 根据转换器输出信号的类型，微波功率计采用不同方式的测量装置。通常这 种测量装置可能会包含有平衡电桥、放大器、校准器, n - - 次变换器等等。 ( 三) 指示器 指示器的功能就是指示被检测微波信号的功率，指示器一般有模拟式和数字 式两种 2 5 2 微波功率计的连接方式 微波功率计的连接方式有吸收式，通过式和辐射式三种 ( 一) 吸收式微波功率计 图2 - 9 为吸收式微波功率计典型结构图。信号源输出功率全部输入到匹配负 载微波功率变换器，微波功率变换器将微波功率转换为便于测量的电信号输入到 测量装置测量被检测信号的输入功率。 微波功率 图2 - 9 吸收式功率计典型结构 ( 二) 通过式微波功率计 通过式微波功率计只耦合微波系统中传输的- - d , 部分功率来进行测量，为提 高微波功率测量精度，必须对耦合装置进行标定。图2 1 0 为通过式微波功率计典 微渡耢攀 图2 1 0 通过式功率计典型结构 型结构图。 根据变换器的形式以及变换器与微波功率传输系统之间的耦合方式，可以将 通过式测量方法分为以下几种： 1 6 第二章系统结构概论 1 ) 探针法 该方法是目前使用的最多的一种通过式测量方法，主要用于测量高脉冲电平 功率，且变换器的结构简单，可用来对耦合功率进行内插控制。该方法的主要问 题是探针耦合度标定，由于耦合度与探针尺寸、形状、插入波导的位置、频率、 模式、脉冲参数等等很多因数有关，因此严格标定有一定困难。 2 ) 定向耦合器法 该方法可以利用低电平吸收式功率计测量大功率微波信号，而且可以区分出 入射波和反射波的功率，从而得出由于负载不匹配引起的功率损失。 定向耦合器的结构比探针复杂，体积大，制造成本高，特别是过模圆波导定 向耦合器的设计和制造都比较复杂，远没有探针简单，因而在大功率测量中应用 较少。定向耦合器也存在一个耦合度的标定问题。 3 ) 模式测量法 这种方法是将微波系统中传输的微波功率按不同模式耦合或辐射出来，然后 进行功率测量，直接测出每个不同模式的功率含量，同时达到模式识别和功率测 量的目的。 4 ) 吸收壁法 图2 1 1 为吸收壁功率计原理图。该方法制作的通过式功率转换器结构简单， 图2 - 11 吸收壁功率计原理图 可靠性高，可以低、中、高电平的微波功率。缺点是在频带内工作时测量误差大， 示值稳定时间长。 ( 三) 辐射式微波功率计 辐射式微波功率计特别适用于大功率微波测量，但同样存在标定误差。图2 1 2 为辐射式功率计典型结构图。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 辐射式微波功率计测量方法有比较法和空间积分法两种。 ，1r 。、r r _ r 锄擗飞!巨口一一竺吵一吨螬一世圈 2 5 3 微波功率计分类 图2 1 2 辐射式功率计典型结构图 根据微波效应的不同来分，将微波功率计分为热效应功率计和非热效应功率 计两大类。 2 53 1 热效应功率计 借助微波功率在负载中消耗时所产生的热量来测量微波功率。这是最基本、 也是应用最广泛的微波功率测量方法。 ( 一) 热效应功率计 1 ) 干式量热计 干式量热计利用固体微波吸收材料作为负载，通过对负载吸收微波功率后的 温升或替代功率的测量确定微波功率。 干式量热计测量方法有两种： a ) 直接测量法 图2 1 3 为干式功率计直接测量法原理框图。为保证干式功率计测量的精确度， 工作负载与参考负载的材料、大小及周围的环境都应尽可能相同，整个量热计应 尽可能处于绝热条件下。 b 1 替代测量法 图2 1 4 为替代测量法干式功率计原理框图。将指示器事先校准到与直流功率 指示相同，就可以直接指示微波功率由于量热计是一种可以直接计量功率大小的 微波功率测量装置，因而常常被用作功率标准的计量，其原理与上述替代测量法 微波功率 图2 - 1 3 干式功率计直接测法原理框图 第二章系统结构概论 + 图2 1 4 替代测量法干式功率计原理框图 干式量热计相同，只是在结构上、电路上都采用了更为严格的措施，使其测量精 度大大提高。比如国内有学者提出所谓黑体法测量，其实质仍是防止吸收微波后 腔体温升热量的扩散，以提高测试精度。 2 ) 液体量热计 干式量热计一般只适用于中、小功率，对于中、大功率的测量，普遍使用以 流动液体作为吸收负载的液体量热计，其中所用液体一般都是水。其测量原理为： p 一4 1 8 cp v t ( 瓦)( 2 1 6 ) 对水而言，j d = 1 克，厘米3 ，c = 1 卡克度( ) 所以： p = 4 1 b ya t ( v 一厘米3 秒) = 7 0 v 4 丁( v 一升分) ( 2 1 7 ) 液体量热式变换器有吸收式和辐射式两种，图2 1 5 、图2 1 6 为吸收式变换器、 图2 1 7 为辐射式变换器。 j 图2 1 5 吸收式变换器 咨二垦 图2 1 6 吸收式变换器 1 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1 7 辐射式变换器 跟干式量热计一样，量热式液体量热计也有直接测量和间接测量两种方法。 直接测量法直接测出水的温升4r 和流量v ，计算功率尸。该法简单，但需测量r 和v ，误差相应较大。间接测量法用加热电阻丝上的直流功率替代微波功率，减少 了4 丁和v 测量误差，可测量功率范围无限 ( 二) 测热电阻功率计 测热电阻是一类电阻温度灵敏的电阻元件。微波能量由这类温度灵敏元件转 变为热能，引起电阻值的变化，然后用电桥进行测量，经定标即可得到微波功率。 测热电阻功率计有以下三种： 1 ) 测辐射热电阻功率计 2 ) 热敏电阻功率计 3 ) 电阻传感器功率计 所有测热电阻功率测量中，最基本的也是最复杂的任务就是设计变换器 将测热电阻与微波系统匹配连接起来的终端式或通过式功率探测头。电阻功率转 换器有一下三种：同轴变换器( 分为体电阻型、薄膜电阻型) 、波导变换器( 分为 体电阻型、薄膜电阻型1 、薄膜电阻型波导吸收壁变换器。 ( 三) 热电偶功率计 利用热电偶的温差电动势效应，使微波功率直接加热热电偶一端从而产生热 电势，该热电势与热偶吸收的微波功率成正比，从而测量出微波功率。该转换器 多为薄膜型热电偶，蒸涂在云母基片上，构成热电偶的铋锑薄膜热偶，图2 1 8 为 铋一锑薄膜热偶结构图。 2 n 第二章系统结构概论 焱漉l 线 菏 洛曦掰 图2 - 1 8 铋锑薄膜热偶结构图 ( 四) 铁氧体功率计 铁氧体元件具有对高频电磁能量产生谐振吸收的特性，从而使铁氧体元件吸 收微波能量而发热，铁氧体电阻值因发热而改变，因此可以通过电阻测量其吸收 的微波功率。 铁氧体测热电阻是一种频率选择性元件：抗干扰能力强，通过改变外加磁化 场，可以在很大范围内调节铁氧体电阻变化的灵敏度和改变谐振吸收频率。铁氧 体电阻电强度高，因而抗过载能量强，参量长期稳定，可用于大功率测量。铁氧 体的谐振吸收具有频率选择性，因而抗干扰能力强，而且还可以做成按频谱分布 的功率计。铁氧体元件具有方向性，因此可以分别测量入射波功率与反射波功率。 铁氧体功率计缺点是动态范围不大，控制测量仪器复杂，铁氧体转换器惯性 系数较大。 ， 2 5 3 2 非热效应功率计 ( 一) 检波功率计 检波功率计的功率转换元件为二极管。二极管将交流信号转换为直流信号， 图2 1 9 为肖特级二级管伏安曲线。其伏安特性数学表达式为： i = s ( e ”1 )q - 1 8 、 为了便于分析微波功率，将( 2 1 8 ) 改写为它的二次和偶次项用于整流，对于 小信号，二次项最大，因此，可以被认为是平方率区域，在这个区域，输入电流 2 1 电子科技大学硕士学位论文 二 图2 - 1 9 肖特级二级管伏安曲线 + 警+ 竽 ( 2 - 1 9 ) 正比于微波输入电压平方，当v 较大时，四阶和其他高次项数值变大，二极管不再 是平方率区域。图2 2 0 为典型二极管检测曲线。图2 2 1 为低功率无偏置二极管微波 h “ ， j 一 。 z i n p u t n o w hd b m 图2 2 0 二极管典型检测曲线 检测电路原理图。由于二极管输入阻抗远大于匹配阻抗5 0 n ，为了保证阻抗匹配 输入端并联一5 0 q 电阻。 图2 2 1 低功率的无偏置二极管微波检测 随着数字信号处理技术和微波半导体技术的发展，二极管性能和负载能力大 大提高，最新的二极管传感器可以检测功率测量的动态范围为一7 0 至：1 j + 2