微波测量仪器和系统（下）

第一章 微波测试设备 下 第一节 信号源第二节 信号检测和显示设备第三节 辅助元件第四节 系统 简单说明 第一章 微波测试设备 下 信号源 课程回顾 了解信号源及其分类掌握信号源性能指标定义了解扫频源的基本概念掌握扫频源的产生 控制方法重点掌握频率合成技术 分类 优缺点 课程回顾 了解信号源及其分类1 简易微波信号发生器2 标准微波信号发生器3 微波扫频信号发生器 课程回顾 掌握信号源性能指标定义 课程回顾 掌握扫频源的产生 控制方法 1 直接频率合成 DS 2 锁相环式合成 PLL 3 直接数字频率合成 DDS 1 直接频率合成由一个高稳定度的参考源 通过分频 混频 倍频和滤波等方法产生所需的各种输出频率 直接频率合成原理说明图 2 间接频率合成应用锁相环的频率合成方法称为间接频率合成 3 直接数字频率合成 DDS 是直接对参考正弦时钟进行抽样 数字化 然后用数字计算技术和数模变换器来产生信号 实现频率合成 3 直接数字频率合成 DDS 是直接对参考正弦时钟进行抽样 数字化 然后用数字计算技术和数模变换器来产生信号 实现频率合成 课程回顾 重点掌握频率合成技术 分类 优缺点 在实际应用中 可以采用上述几种方法相结合的方式 来弥补单独应用某种方式所具有的局限性 例如 可以采用PLL和DDS相结合的方式 实现高分辨率 低杂散输出的信号 同样 也可以利用PLL和DS相结合的方式 实现具有高输出频率 低杂散输出的信号 下面简单介绍几个频率合成器的设计方案 锁相 倍频结构毫米波频率合成源 锁相 混频结构毫米波频率合成源 多环锁相结构毫米波频率合成源方框图 性能指标 1 频率间隔 最小频率间隔 也称分辨力2 频率转换时间 从一个频率转换到另一个频率 并达到锁定状态 这个过程所需要的时间3 长期和短期频率稳定度长期稳定度通常以年月日来计算典型值为 f f 10 7 10 10 每日短期频率稳定度是指秒级频率稳定度 通常用相位噪声表示 典型特征 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 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 Voltage Time Voltage Frequency SpectrumAnalyzer Oscilloscope Voltage Frequency Uncertainty EXAMPLEAccuracy CWfrequency 1GHz agingrate 0 152ppm year timesincelastcalibrated 1year 频率范围Range Rangeoffrequenciescoveredbythesource分辨力Resolution Smallestfrequencyincrement 准确度Accuracy Howaccuratelycanthesourcefrequencybeset 信号源指标说明 Frequency ppm partpermillion百万分之一 信号源指标说明 Amplitude DUT SourceprotectedfromaccidentaltransmissionfromDUT Voltage Frequency Howaccurateisthisnumber WhatisPout WhatisPout max min 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Spurious non harmonicspur 65dBc harmonicspur 30dBc CWoutput ResidualFMistheintegratedphasenoiseover300Hz 3kHzBW phasenoise 0 5f0f02f0 sub 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分 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PhaseNoise CWoutput frequency PowerSpectralDensity measuredasdBc Hz Ch1PMPSD 1k 10k 100k TRACEA AMarker 10000Hz 75dBc Hz 125dBc Hz LogMag 5dBc 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 了解 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 34 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 36 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 正温度系数负温度系数 2 2 3 功率计 功率探头功率测量仪 41 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 FrequencyRangeAccuracy Frequency AmplitudeResolutionSensitivityDistortionDynamicRange 扫频超外差式频谱仪的原理方框图 2 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 3 1 衰减器3 2 定向耦合器3 3 槽线3 4 调制器3 5 校准件 隔离器 混频器 49 3 1 衰减器 a 固定衰减器b 可变衰减器连续可变步进 50 a 固定衰减器 给定衰减量 计算电阻值 51 性能指标 频率范围衰减量衰减精确度VSWR最大输入功率接头形式 程控步进衰减器 52 连续可调衰减器 性能指标 衰减范围 步进衰减器 在一定范围内按固定值递增 主要采用开关和固定衰减器相结合的方式进行设计性能指标 步进及衰减范围 54 3 2 定向耦合器 55 定向耦合器有很多不同的结构 其中最常见的是支线耦合器 兰格耦合器和平行耦合线耦合器 56 基本的定向耦合器和双向定向耦合器的示意图 性能指标 频率范围耦合度耦合度偏差插入损耗方向性端口阻抗VSWR最大承受功率接头形式 58 定向耦合器的应用 3 3 槽线 测量线 主要用来测量VSWR 和波长等参数 按传输线的结构来分 主要有波导式 同轴式 主要包含三部分 开槽线 耦合指示器 传动 矩形波导测量线 60 矩形波导测量线示意图 61 62 波导开槽线 它是在矩形波导宽边的中央开一条严格平行于纵向轴线的长条槽缝构成的 是与待测元件连接的一段波导传输线 耦合指示机构它由探针 调谐腔体 晶体检波器和指示设备构成 探针通过波导的槽缝伸进波导内 与所在位置的电场发生耦合 在探针上产生与该处电场强度成比例的感应电动势 并经过探针的调谐腔体送至晶体检波器 从而转换成直流电流 用微安计等来指示 63 1 VSWR Vmax Vmin2 两个最高点或最低点间的距离是半个波长 64 3 4 调制器 许多微波测试应用中经常需要调制信号 特别是通信方面 比如幅度调制 脉冲调制等 65 3 5 校准件 为了获得准确的测试数据 测试前必须校掉系统误差 这样的测试结果才是可信的 矢量网络分析仪校准件 66 第四节 系统 了解 67 Agilent8363B矢量网络分析仪 吸波材料测试系统应用 采用弓形框法测量不同方向电磁波照射情况下 被测材料吸波特性 满足隐身材料吸波特性测试的要求 69 70 71 T R组件测试系统 用于机载雷达罩插入相位精密测量 用于雷达罩生产过程相位均匀性监测和生产 出厂最终检验测试 雷达罩插入相位测试系统 天线测试系统 RCS测试系统 微波毫米波天线与RCS通用测试平台应用 该系统能广泛应用于电磁频谱普查 查找干扰信号方位 无线台站选址及维护等工程中 系统对环境中不同频段的电磁频谱分布测量进行信号方位测试 系统可车载和固定安装 信号测向功能频谱检测功能电磁环境和热电噪声测试功能干扰信号判断能力数据库功能测量报表功能 电磁环境综合测试系统 AV4063AX AV4063X现场电磁频谱检测系统 针对信息化时代的通信 武器装备的具体特点 利用仪器设备 结合的计算机技术 网络通信技术 测试技术组成高度机动性的智能化电子情报收集系统 该系统能以地面 舰载或机载方式部署 可单独使用 也可作为信号情报系统的一部分随时部署到不同的电磁环境中执行各种任务 可满足陆海空三军对阵地 舰艇 机场等目标区域以及无线电管理对城市区域实施电磁特征