企业培训_无源理论培训教材

无源理论培训 培训内容 微波理论基础知识网络分析仪使用指南调试入门 提高及维修技巧 第一部分微波理论基础知识 什么叫微波什么微波传输系统什么叫微波电路什么叫谐振什么叫谐振器什么叫滤波器 带着问题去学习 微波理论知识1 1 1 微波定义 从现象看电磁波中频谱介于超短波于红外线的波段 其频率范围从300MHz 波长1m 至3000GHz 波长0 1m 纵观 左邻右舍 它处于超短波和红外光波之间 实际上 对于工作频率较高的电路 人们也经常称为 高频电路 或 射频 RF 电路 等等 微波理论知识1 1 2 电磁波定义 电磁波是电磁场的一种运动形态 电可以生成磁 磁也能带来电 变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场 这就是电磁场 而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波 所以电磁波也常称为电波 1864年 英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上 建立了完整的电磁波理论 他断定电磁波的存在 推导出电磁波与光具有同样的传播速度 微波波长与频率的关系f入 v v c 3 10m s 波长入 v f 8 微波理论知识1 1 3 电磁波按波段的划分 微波理论知识1 1 4 微波按波长分类范围 分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波 注 公司现在主要生产的产品的工作频率 大致有三个波长端 1 450MHz2 900MHz3 1800 2100MHz 微波理论知识1 1 5 微波常用频段 微波理论知识1 1 5 微波特点 由于微波具有频率高 频带宽 信息量大 抗低频干扰的特点 随着人们对无线电频谱空间需要的不断增长 使微波获得了极为广泛的应用 遍及国防建设 科学研究 工农业生产及日常生活等各个领域 微波的传统应用领域是雷达和通信 微波理论知识 微波通讯微波通讯主要有微波中继通信和对流层散射通信 同轴电缆和波导通信 卫星通信和宇宙通信 微波中继通信是比较成熟的一种 在远距离的两地之间 每隔距离 40km至60km 各安装微波收发设备和定向天线 沿途各站连续接收和发射 使微波信号获得接力 陆续传递到目的地 优点 通信容量大 安装时间短 不受地理条件限制 微波中继通信多采用厘米波 微波理论知识1 4 1 微波中继站原理图 微波理论知识1 1 6 传输线分析一个正弦波通过长1 5cm的导线 假设导线方向与z轴方向一致 假如振荡器设置的频率是1MHz 按上面计算 波长94 86m 那么1 5cm长的导线 在如此小的尺度内感受到的电压空间变化是不明显的 频率提高的10G的情况就明显不同了 此时波长降低0 94cm 近似为导线长度的2 3 如果沿着1 5cm长的导线测量电压值是不同的 微波理论知识1 2 1 微波传输系统 导行波的定义 用来传输微波能量的线路称为微波传输系统 由传输系统导引向一定方向传输的电磁波称为导行波 微波传输系统种类很多 按其上传输的导行波的特征可以分为三种类型 1 TEM波传输线 如平行双线 同轴线 带状线 微波等等 2 TE TM波传输线 如矩形波导 圆波导 脊行波导 椭圆形波导等 3 表面波传输线 如介质波导 镜像波导 单根线等等 微波波段使用最多的是同轴线 矩形波导 圆波导和微带 微波理论知识1 2 3 传输线的主要形式 微波理论知识1 2 2 传输线的特点平行线是最简单的TEM波传输线 但由于在工作频率升高而使波长减小到与两根导线距离可相比拟 其辐射损耗急剧增加 故双线仅用于米波的高端和分米波的低频段 同轴线因为有了屏蔽电磁能量的外导体 消除了辐射损耗 但随着频率的提高 为了正常的工作 其横截面积必须相应的减少 使其导体的损耗 特别是内导体 增大 同时也限制了功率容量 所以同轴线常用于分米波高频段至10cm波段 带状线的工作原理和同轴线的相似 其功率容量较大 微带线则是微波集成电路的主要组成部分在厘米波段 常以空心金属管 波导 作为传输线 其优点是损耗小 功率容量大 微波理论知识1 2 3 传输线的主要形式 微波理论知识1 3 1 谐振定义 无线电接收机中调谐回路的振荡频率与无线电发射台的振荡频率相同时 接收机就可以收到发射台的无线电波 这种现象叫做谐振 谐振电路定义 含有电感 电容和电阻元件的单口网络 在某些工作频率上 出现端口电压和电流波形相位相同的情况时 称电路发生谐振 能发生谐振的电路 称为谐振电路 谐振电路在电子和通信工程中得到广泛应用按电路连接形式分可以分为 串联谐振电路 并联谐振电路 微波理论知识1 3 2 微波理论知识1 3 3 1 串联 并联谐振电路谐振条件 当 即时 0 2 串联 并联谐振电路谐振频率 式中称为电路的固有谐振角频率 上式表明L和C值越低 小 谐振频率越高 微波理论知识 谐振器模型 左图为单个谐振腔的电场模型及其等效电路原理图 图为不带圆盘的谐振杆的圆腔谐振器 谐振杆顶部与盖板形成的电容 可以理解成等效电路中的端接电容 等效电路中的谐振频率计算公式为 为谐振杆加入圆盘 相当于加大了端接电容 圆盘越大 电容越大 谐振频率越低 同样加入调谐螺杆 也相当于加大端接电容 螺杆进得越深 端接电容值越大 谐振频率越低 所以 将所有的调谐螺杆往里进 则滤波器通带低偏 常用有哪些微波器件1 微波器件分类 A 按端口数量分 单端口 双端口 三端口 多端口B 按电路类型分 有源 无源C 按功能 作用分 连接元件 终端元件 匹配元件 衰减与移相元件 分路元件 滤波元件等等我们这里重点讲滤波器 微波理论知识1 5 1 滤波器定义 广义上 凡是有具有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器 用来分开及组合不同频率 选取需要的信号频率 抑制不需要的信号频率的微波器件主要功能是作为各种电信号的提取 分隔 抑止干扰 微波理论知识1 5 2 滤波器分类 滤波器分为有源和无源二大类 由于无源滤波器不需电源 不易产生干扰 稳定 可靠 适应范围广等特点 因而被广泛应用 按构成元件不同最常见的有 RC滤波器 LC滤波器 陶瓷滤波器 晶体滤波器 机械滤波器 声表面波滤波器 还有螺旋滤波器 介质滤波器 微波滤波器等 滤波器按其主要特性可分为 带通 带阻 高通 低通 可变通带等滤波器 滤波器按其功能可以分为 中频滤波器 边带滤波器 话路滤波器 线性相移滤波器 相位恒定滤波器 相位配对滤波器 电源滤波器等 微波理论知识1 5 5 微波理论知识1 5 2 带通滤波器的工作原理 原始信号 滤波器响应 滤波后的信号 微波理论知识1 5 5 双工器定义 有接收滤波器和发射滤波器两部分组成 并且在天线端口将两路合并为一路 这样可以使信号的接收和发射共用一根天线和馈线 这样可以使信号的接收和发射共用一个天线和馈线 节约成本 微波理论知识1 5 3 定向耦合器一般属于四端口网络 它有输入端 直通端 耦合端和隔离端 分别对应左图所示的1 2 3和4端口 定向耦合器的主要技术指标有耦合度 隔离度 或方向性 输入驻波比和工作带宽 微波理论知识1 5 4 滤波器分类 滤波器分为有源和无源二大类 由于无源滤波器不需电源 不易产生干扰 稳定 可靠 适应范围广等特点 因而被广泛应用 按构成元件不同最常见的有 RC滤波器 LC滤波器 陶瓷滤波器 晶体滤波器 机械滤波器 声表面波滤波器 还有螺旋滤波器 介质滤波器 微波滤波器等 滤波器按其主要特性可分为 带通 带阻 高通 低通 可变通带等滤波器 滤波器按其功能可以分为 中频滤波器 边带滤波器 话路滤波器 线性相移滤波器 相位恒定滤波器 相位配对滤波器 电源滤波器等 微波理论知识1 5 5 滤波器常用名词 中心频率带通或带阻滤波器两个截止频率的几何平均值 通常情况可用算术平均值计算 截止频率相对衰耗达到某规定值的通带边缘频率 频率温度系数指在给定温度范围例内 单位温度变化引起的滤波器频率的相对变化量通带宽度通带两截止频率间的频率间隔 其值等于两截止频率之差 通带波动通带内某一规定频段衰耗的最大变化值插入损耗通频带内滤波器的输入电压和输出电压之比 微波理论知识1 5 6 滤波器常用名词 TX 发射端RX 接收端ANT 天线端 微波理论知识1 5 6 第二部分网络分析仪使用 网络分析仪基本概念网络分析仪界面网络分析仪按键说明网络分析仪使用常识网络分析仪使用技巧网络分析仪使用过程中注意事项 带着问题去学习 网络分析仪基本概念 网络 对实际物理电路和元件进行的数学抽象 主要研究外部特性网络分析 在感兴趣的频率范围内 通过线性激励 响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程网络分析仪 通过正弦扫频测量获得线性网络的传递函数以及阻抗函数的仪器网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数 从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器 用于实现对线性网络的频率特性测量 网络分析仪能够完成反射 传输两种基本测量 从而确定几乎所有的网络特性 S参数是其中最基本的特性 标量网络分析仪 只测量线性系统的幅度信息 矢量网络分析仪 可同时进行幅度传输特性和相位特性测量 网络分析仪基本概念 系统组成及器件功能 LOLC滤波器 功分器 耦合器 隔离器 平衡 非平衡转换 混频器 放大器 天线 射频前端模块 平衡 非平衡转换 网络分析仪基本概念 射频信号在器件中的传播 Lightwave 入射 反射 透射 RF MW 网络分析仪基本概念 完整的器件指标描述 Transmitted Incident 传输特性 增益 S参数 S21 S12 群延时 Delay 传输系数 相位 Phase 反射特性 SWR S参数 S11 S22 反射系数 阻抗 R jX G jB 反射损耗 G r T t 输入 反射 输出 R B A B R 网络分析仪基本概念 网络分析仪测量误差 系统误差由于测试仪表原理或测试设备引起变化有规律能够被定量描述可通过校准消除随机误差随时间随机变化不能通过校准消除引起随机误差的原因 设备噪声开关重复性连接器重复性飘移误差校准后仪表性能变化主要由温度变化造成通过定期计量消除 被测件性能 测试数据 系统误差 随机误差 飘移误差 网络分析仪界面 前面板1 1 通道 测量轨迹线切换2 测量参数设置3 测量状态设置4 内部磁盘5 USB接口 网络分析仪界面 前面板2 1 参数设置2 标示 分析功能3 VBA应用4 LCD显示5 测量结果显示 网络分析仪界面 后面板 1 HandlerI O接口2 并行接口3 串行接口4 键盘 鼠标接口5 LNA USB接口6 GPIB接口7 VGA输出8 内部参考输出9 内部参考输入 第三部分调试入门 异常通带怎么纠正耦合度异常怎么判断解决 带着问题去学习 调试入门 带通滤波器的波形 整个滤波器的响应 可以理解为由n n为滤波器腔数 个相关联的单腔谐振 通过一定的组合构成 如左上图虚线表示 除两个抽头腔外的每个谐振腔 形成一个在通带内的谐振峰 谐振峰之间通过不同大小的窗口耦合 排列在通带内的不同位置 形成通带 左下图为滤波器的回波草图 对于带通滤波器 有几个谐振腔 包括两个抽头腔 就会在通带内形成几个传输极点 即对应的图中红色圆圈内的波谷 回波与驻波相对应 回波曲线中的波谷 对应在驻波曲线中 也是一个波谷 调试入门 异常通带及纠正方法 此通带明显低偏 可以将调谐螺杆统一向外旋 调试入门 异常通带及纠正方法 此通带明显高偏 可以将调谐螺杆统一向内旋 调试入门 异常通带及纠正方法 将抽头调谐螺杆统一向内旋 此时在通带上可以看见一个尖峰 将其调如通带内则可 调试入门 异常通带及纠正方法 此通带明显偏窄 插入损耗较大 可以将调谐螺杆向外旋后将耦合螺杆向内旋 调试入门 耦合器调试方法 耦合度及其回波 按要求将电缆连接到各个端口 1 用无感起子调节与之相连的端口 使耦合度达到生产技术指标的规定范围 如端口回波为达到生产文件的要求可通过增加或减窄微带的方法进行调节 2 用无感起子调节与之相连的端口 使回波损耗达到生产技术指标的规定范围 如耦合度未达到文件的要求可以通过调节耦合主杆 副杆间距的尺寸加以调节 如产品有问题另别论 调试入门 异常通带及纠正方法 隔离 按要求将电缆连接到各个端口 用手术刀或其它物品感应微带线 若指标变好则在规定的微带线上加镀银薄片 反之则将微带线去掉一部分 注 无论耦合度回波和隔离在微带线上加减时须注意以下几点 1 焊接镀银薄片时不能由拉尖 虚焊 堆锡 2 在需去处或增加镀银薄片时要多感应找准部位 3 在去除微带时 留下的微带线的宽度大于线宽的一半 4 在微带线上去处以后须将微带线须有0 5mm的宽度 调试提高及产品维修 一 滤波器1 飞杆强弱的判断2 抽头强弱的判断3 通带异常 端口短路判断 印制板短路判断 飞杆短路的判断 谐振杆短路的判断 螺杆短路的判断 主杆短路二 耦合器1 耦合器强弱的判断2 耦合度异常判断 端口短路判断 印制板短路判断 电阻设计问题 预制电阻焊接问题 螺杆短路的判断 主杆短路 带通滤波器的波形 S参数反映产品的通过信号和反射信号的大小S12 Port2的输出功率与Port1的输入功率的比值 例如 假设输出功率为输入功率的90 则S12的对数表示为 LOG S12 10Log 0 9 0 45即此时该频点的衰减为 0 45dBS11 反射回Port1的功率与Port1的输出功率的比值 例如 假设输出功率为输入功率的1 则S11的对数表示为 LOG S11 10Log 0 01 20即此时该频点的回波为 20dB 带通滤波器的波形 整个滤波器的响应 可以理解为由n n为滤波器腔数 个相关联的单腔谐振 通过一定的组合构成 如左上图虚线表示 除两个抽头腔外的每个谐振腔 形成一个在通带内的谐振峰 谐振峰之间通过不同大小的窗口耦合 排列在通带内的不同位置 形成通带 左下图为滤波器的回波草图 对于带通滤波器 有几个谐振腔 包括两个抽头腔 就会在通带内形成几个传输极点 即对应的图中红色圆圈内的波谷 回波与驻波相对应 回波曲线中的波谷 对应在驻波曲线中 也是一个波谷 带通滤波器的工作原理 原始信号 滤波器响应 滤波后的信号 带通滤波器的主要电气参数 1 带外抑制 带外抑制指 滤波器在工作频段以外的频点处对信号的衰减 滤波器抑制主要由腔数决定 腔数越多带外抑制越好 同时插损也越大 上图为不加飞杆的滤波器响应 左 右图分别为5腔和7腔的响应 对比二图可以明显看出 7腔响应的带外抑制优于5腔响应 7腔响应的中心频点的插损为 1 17dB 5腔响应的中心频点插损为 0 7dB 带通滤波器的主要电气参数 2 通带带宽 滤波器的带宽指满足插损要求的最大通带频率宽度 带宽根据客户的要求而定 在设计和生产上要将带宽适当拓宽 以保证滤波器在不同工作环境下都能满足客户指标 带宽拓宽越多 在标准频点的插损越小 同时带外抑制也会变小 3 传输零点 理论上抑制无限大的频点 滤波器中加入不同结构的飞杆 就能在通带外加入传输零点 下图为不加飞杆和加入两个感飞后的滤波器响应 加入零点后 通带有零点的一边抑制增强 另一边抑制有所减弱 同时通带靠近零点的边频插损增大 带通滤波器的主要电气参数 5 插入损耗 插入损耗简称插损 指模块置入系统后 对工作频段信号引入的衰减 影响插损的因素除了上面提到的腔数和带宽外 还受单腔尺寸的影响 滤波器的单腔尺寸越大 工作中每个腔能够储存的能量越多 损耗越小 6 相位和群时延 电磁波信号通过滤波器 在相位上和时间上都会出现延迟 在功率放大器中 为了实现功率 信号上的合成或相消 就需要调整某一路信号的相位 群时延 如果仅用传输线来实现 则50纳秒的时延就需要用16 3米传输线 而使用带通滤波器 只需要5腔就可以实现 带通滤波器的结构 通常的带通滤波器具有左图所示的结构 抽头 将外部输入信号馈入滤波器或者将经过滤波器的信号导出 谐振腔 形成通带内的谐振点 耦合窗口 在谐振腔之间传输电磁信号 同时调整成不同的耦合度 以满足滤波器设计的需要 感飞 容飞 对称飞 形成通带外的传输零点 即抑制点 滤波器抽头模型 抽头为带通滤波器的馈电装置 其结构关系到馈电强度 以及与外部接口的匹配对于同轴谐振器带通滤波器 必须将输入 输出端的抽头都设计到位 才能保证通带驻波较小 不合理的抽头设计 会导致输入能量较多被反射 S11较大 驻波调不下来 通带插损增大 谐振器模型 左图为单个谐振腔的电场模型及其等效电路原理图 图为不带圆盘的谐振杆的圆腔谐振器 谐振杆顶部与盖板形成的电容 可以理解成等效电路中的端接电容 等效电路中的谐振频率计算公式为 为谐振杆加入圆盘 相当于加大了端接电容 圆盘越大 电容越大 谐振频率越低 同样加入调谐螺杆 也相当于加大端接电容 螺杆进得越深 端接电容值越大 谐振频率越低 所以 将所有的调谐螺杆往里进 则滤波器通带低偏 两个谐振器的耦合模型 左上图为两个圆形谐振腔相互耦合的电场分布模型 电磁场通过谐振腔之间的窗口耦合 耦合螺杆的加入 吸引 电力线向螺杆集中 从而加强两相邻腔的耦合效果 每个谐振腔有各自的谐振频率 当相邻的两个腔发生耦合时 其谐振频率相互 排斥 耦合越强 排斥 效果越明显 如左下图所示 所以 若将所有的耦合螺杆都往里进 则通带带宽变宽 带通滤波器的飞杆 容飞结构 感飞结构 右上图的感飞 容飞位置上 若加入容飞结构则实现容飞 加入感飞结构则实现感飞 右下图的对称飞位置上加入容飞结构 可实现对称飞 加入感飞结构不能形成零点 调试中 感飞太强 弱 可以通过勾 压飞杆来改变飞杆强度 容飞或对称飞太强 弱则需要打开盖板 减短 加长飞杆 几种传输零点 图为三种传输零点的响应 传输零点可以增加相应频点的S12衰减 飞杆越强 则零点越靠近通带 飞杆越弱 则零点越远离通带 带通双工器 带通双工器为一个低频端带通滤波器和一个高频端带通滤波器合成 低频端滤波器和高频端滤波器会产生相互影响 产生影响的主要为天线端 ANT 的第一 第二个谐振腔 其影响可以通过合理设计抽头来减弱 低通滤波器 低通滤波器常作为带通带通滤波器的补充元件使用 所有用微波结构实现的带通滤波器 都会在通带的高频端形成谐波 如左图所示 在谐波位置 滤波器对带外信号的抑制不能满足系统要求 因此 为了改善滤波器的远端抑制 就需要为带通滤波器串接一个低通滤波器 响应如右图 低通滤波器 左图为串接低通后的带通滤波器响应 可见 串接后滤波器的远端谐波被抑制 而通带响应并未收到大的影响 右图为现在常用的同轴高低阻抗线低通滤波器的内导体组件 耦合器 定向耦合器一般属于四端口网络 它有输入端 直通端 耦合端和隔离端 分别对应左图所示的1 2 3和4端口 定向耦合器的主要技术指标有耦合度 隔离度 或方向性 输入驻波比和工作带宽 耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数 即 dB 耦合度的分贝数愈大耦合愈弱 隔离度D定义为输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数 即 dB 理想情况下 隔离端应无输出功率 隔离度为无限大 实际上常有极小部分功率从隔离端输出 方向性是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比 即 微带线耦合器 左图为几种微带耦合器结构 耦合度大小与两条传输线之间的距离有关 距离越近则耦合越强 隔离度主要取决于所采用的耦合器结构 左图的前四种结构为改良后的平行耦合线结构 能比一般的耦合线实现更大的隔离度 后两种结构为分支定向耦合器 可以更容易实现较宽的带宽 在调试中 常常通过刀刻或者贴箔片来改变两传输线的距离 从而调节耦合度 带状线耦合器 图为带状线耦合器的测试响应及其模型 带状线耦合器在产品中也常用到 它的特点是承受功率较大 损耗较小 类似与微带耦合器 带状线耦合器的调试方法 也是用刀刻或者贴箔片 加焊锡 另外 产品中常用到的主副杆耦合器 也属于带状线耦合器 不同点在于它将带状线耦合器中的薄片换成了金属圆杆 功分 合路器 左图是微带三端口功分器原理图 信号由1端口输入 分别经过两段微带线从2和3端口输出 负载电阻分别为R2及R3 两段传输线之间没有耦合 在传输线的末端加入平衡电阻 保证它们之间有足够的隔离 功分器应满足下列条件 2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值 理论上1端口无反射 2端口与3端口的输出电压等幅 同相 常见的几种功分器外形 图中为几种常见的功分器的外形 通常产品中用到的功分器为一分二的等分功分器 由数个一分二等分功分器 可以构成一分四 一分八 等等分功分器 功分器主要的指标 输出端口与输入端口的功率比值 dB表示 二等分功分器输出功率 两个输出端口之间的输出功率比值 dB表示 滤波器的大功率击穿问题 空气击穿 空气中的电压达到某一数值 则空气分子中的电子被击出 形成电弧 空气变得导电 当滤波器工作时 谐振杆与腔体 盖板 螺杆等接地金属面之间会产生电压 若此电压达到空气的击穿电压 则空气击穿 滤波器内放电 信号失真 同时滤波器受到损坏 也可能损坏其它系统部件 CDMA系统的发射信号功率很大 击穿问题严重 为了满足CDMA系统的大功率需求 滤波器 双工器必须做大功率处理 大功率下电场强度分布图 一 结构设计原因 1 盖板 谐振杆间距离过近2 调谐螺杆与谐振杆内壁距离过近3 调谐螺杆有螺纹4 零件有尖角 大功率下