微波测量第一章-绪论.ppt

微波测量 测量是什么 NetworkAnalyzerBasics 测量对象繁多 Devicetype Active Passive Integration High Low AntennasSwitchesMultiplexersMixersSamplersMultipliersDiodes DuplexersDiplexersFiltersCouplersBridgesSplitters dividersCombinersIsolatorsCirculatorsAttenuatorsAdaptersOpens shorts loadsDelaylinesCablesTransmissionlinesWaveguideResonatorsDielectricsR L C s RFICsMMICsT RmodulesTransceiversReceiversTunersConvertersVCAsAmplifiersVCOsVTFsOscillatorsModulatorsVCAtten sTransistors 不同测量方法 SourceBasics Copyright2000 NF Stimulustype Complex Simple Complex Responsetool Simple DCCWSweptSweptNoise2 toneMulti ComplexPulsed Protocol freqpowertonemodulationRF Det Scope Param An NFMtr Imped An PowerMtr SNA VNA SA VSA 84000 TG SA Ded Testers I V Absol Power Gain Flatness LCR Z Harm Dist LOstabilityImageRej Gain Flat Phase GDIsolationRtnLs VSWRImpedanceS parameters Compr nAM PM RFICtest Fullcallsequence PulsedS parm Pulseprofiling BEREVMACPRegrowthConstell Eye IntermodulationDistortion NF Measurementplane 测量定义 测量是针对电参数而言 微波测量意义 测量是科学的眼睛 没有测量的科学是盲目的科学 人们掌握微波技术这门学科 不仅要解决这个波段的理论问题 还需要解决电磁波产生 放大 发射 接收 传输 控制和测量等 而在这些过程中 测量是尤其重要的手段 仅仅是发动引擎不能算是汽车专业测试 同样 设计电路或系统只能是说设计是可能的 成功的测试才能决定真是可行性 微波测量技术发展简介 19世纪末期建立了麦克斯韦方程组和电磁场理论 1897年J W 瑞利建立金属波导管传播电磁波理论 并推断出由金属容器 空腔谐振器和有源器件相结合 激发空金属管 有可能传输电磁波能量 大约在1933年 科学家在实验室发现了空金属管能传输电磁波 1936年 索思沃思和W 巴罗发表了波导传输模式的激发 测量论文 这是微波学科的诞生时期 可见微波学科同其他学科一样 从诞生起就有在理论指导下 伴随实验研究的特点 这是法则 简单 手动测量仪器 电子管技术 笨重复杂的仪器 第一代自动测量系统 晶体管技术 计算机大量重复测量 单独编程 第二代自动测量系统 数字技术 大规模集成电路 标准仪器接口 第三代自动测量系统 虚拟仪器 模块化 VXI总线 充分利用计算机 测量仪器及测试系统的发展 30 50年代 发展基础阶段 基本奠定低频至微波波段的各种仪器的结构和功能 60 70年代 腾飞与突破 特别是GPIB总线问世 使计算机与仪器有机联系 自动测试称为现实 极大提高测试准确度和重复性 80年代 微处理器在测量仪器中广泛适用 智能化仪器出现 测量速度和控制功能提高 增加数据运算与处理能力 自带测试与外设控制以及自检测及自校准能力 80年代后期 专用集成电路和表贴技术广泛应用 仪器的集成度极大提高 出现模块化自动测试系统 90年代后仪器朝标准化 模块化和开放系统方向发展 测量速度与自动测试水平进一步提高 电子测量仪器的发展方向 小型化数字化智能化网络化虚拟化模块化 小型化 得益于大规模集成电路的运用典型的是FPGA的大量使用 门数多达上百万门 仪器中10万门各种存储器容量的增加使得电子产品体积大幅度减小 数字化 由于高速A D的出现 使得模数转化的精度和速度得到极大提高 纳秒级 10位 而大规模DSP芯片的运用又为信号的各种处理提供了快速 可靠的方法 优点 抗干扰 精度高 易生产等典型运用 手机 数字调制 ASK FSK PSK QPSK 频谱仪 数字中频将滤波器 对数放大等电路利用数字技术来实现本质是利用AD后DSP芯片处理 智能化 采用人工智能技术 专家系统 知识工程 模式识别 神经网络等在设计阶段就充分考虑到维护 自适应等因素 利用软件和设计相应的电路使电子产品具有自测试 自诊断 自恢复 自适应等功能 网络化 各种局域网 广域网的普及 使得网络无处不在 相应的电子技术的发展和网络的发展是相互关联 相互促进的 电子产品的网络化使得网络的构成有了基础 而网络的发展又推动了电子产品更快地向网络化发展 蓝牙技术 短距无线通信 家电组网仪器 网卡远程诊断 虚拟化 建立在计算机技术基础上核心是建模与仿真 多媒体仿真虚拟现实仿真 分布交互仿真虚拟战场 虚拟仪器 飞行模拟器30年代美国飞行模拟座舱60年代英国警犬导弹研制当今美国HUSTON的飞船仿真波音777采用虚拟技术实现无纸生产我国电网仿真优点 节约 提高速度趋势智能仿真 模糊技术 神经网络 模块化 由于计算机技术和数字处理技术的快速发展以及各种总线标准的开放 采用标准总线结构 共用相同资源的电子产品大量出现 电子测量仪器 GPIB接口总线 VXI PXI总线 出现了模块化仪器VXI信号源 频谱仪 示波器 PXI示波器1GHz带宽 4GS s取样率 测量概念 1 概念a 测量是为确定被测对向量值而进行的实验过程电子测量是对电参数进行的测量b 电子测量仪器是利用电子技术制造的测量电参数的仪器2 电子测量内容a 电能量的测量b 信号特性测量c 元器件和电路参数测量 电子测量技术 电子测量是对一切电参数的测量 网络的测量 信号参量的测量 电阻 电容 电感 阻抗参量 导纳参量混合参量 散射参量 信号功率参量 频率参数 调制特性的测量 信号采集 信号处理 分析 数据输出 测量被测量值的仪器 信号的产生 信号处理 信号输出 产生标准输出的仪器 电子测量仪器种类 微波测试仪器 信号测量 网络测量 频谱分析仪 频率计 功率计 网络仪 噪声仪 微波信号源 1 低频网络 双口网络 I1 V1 V2 I2 二元器件特性的网络表征方法 阻抗参量 Z 导纳参量 Y ABCD参量V1 Z11I1 Z12I2I1 Y11V1 Y12V2V1 AV2 B I1 V2 Z21I1 Z22I2I2 Y21V1 Y22V2I1 CV2 D I2 微波网络的表征方法 a1 b1 a2 b2 b1 S11a1 S12a2b2 S21a1 S22a2 a1端口1的电压入射波S11端口1的反射系数a2端口2的电压入射波S22端口2的反射系数b1端口1的电压出射波S12反向传输增益b2端口2的电压出射波S21正向传输增益 S11 S22 S21 S12 时域测量 频域测量 标量参数测量矢量参数测量 反射 传输参数测量元件参数测量 网络测量 测量线系统 自动网络分析仪 六端口测量系统 阻抗桥 信号的测量 信号类型 正弦信号 S t A t COS 2 f t t 时域测量频域测量调制域测量 宽带 能测量相位差 幅度差 脉冲性能无法测量小失真 相对窄带 能根据需要压缩带宽 测量小失真 动态范围大 测量时间和频率关系 信号分析 时域和频域关系示意图 f t t V f f f t t t f t V f V f f f 时域波形 频域波形 时域和频域关系 时域 频域 傅里叶变换 d 信号特性 频率特性 电能量特性 频率准确度 稳定度频谱分布 频谱纯度 电压 电流功率 稳定度分 长稳 短稳 调制特性 调频 调幅 调相 脉冲调制 频率短期稳定度 时域阿伦方差 频域单边相位噪声 傅里叶变换 2 1 2mf02 f1 f1 f2 f2 f3 f3 单边相位噪声 SSB 偏离载波f0为f处 每赫兹带宽的单边带功率和载波功率之比 调制域测量 S t A t COS 2 f t t 调幅 调频 调相 调幅 v t Ac 1 MaCOS t COS t调频 v t VcCOS t Mfsin t 调相 v t VcCOS t MfCOS t t t f f 数据域测量 研究以离散的时间和事件为自变量的数据流 用数据流 数据格式 设备结构 状态空间概念表征数字系统特征 微波测量内容 微波信号源微波频率及频谱微波功率微波网络参量Q值测量介质参数测量噪声测量交调微波测量仪器的使用 信号源 矢量网络分析仪 标量网络分析仪 功率计 频谱仪 噪声系数测试仪 微波信号特性分析 微波 波长很短的电磁波频率f 300MHz 300GHz 波长 1m 1mm毫米波高端 亚毫米波段1 0 1mm远红外 0 3mm 0 01mm 什么是微波 微波 工作频段的波长在1m 1cm 300MHz 30GHz 之间的电路 广义上还包括毫米波 30GHz 300GHz 和亚毫米波 300GHz 3THz 电路 常用的微波波段代号 微波测量的任务 利用已有的测量装置和仪器 组成合乎要求的测试系统 测量仪器和测量方法的研究 利用当前已有的微波理论和技术 研究符合实际的测量方法 包括研究新的测量仪器和先进的测量方法 而这些将推动微波理论和技术的发展 保证测量结果的可信度 消除误差 提高精度 从而保证在科研和生产中测量结果的可信赖度 近代微波测量的主要特点 大跨度的宽频带测试功能和高频率稳定度 为提高测量精确度和速度 要求测量仪器智能化 测量系统自动化 研究信号源 特别是相位噪声的测量方法和理论 微波电子设备小型化的要求激励了微波集成电路的发展 促使微波测量技术向微型测试 电光测量技术方向发展 新型微波电子设备的研究 促进了微波材料的发展 需要研究对微波材料介质参量的测量 可靠的晶体管S参数的测量方法 主要运用与微波电路的CAD方法 利用软件提高测量的精确度 例如采用精密测量技术的各种拟合模型可提高测量精度 误差网络法能在很大程度上消除系统误差 提高测量准确度等 四个非常重要的基本点 需要测试的参数是什么适当的测试准备如何履行正确测试如何分析结果 需要测试的参数是什么 在测试前整理一个需要测量的参数列表仔细研究被测器件 筛选出最能描述器件特性的参数 事先准备好 既可以节约时间 金钱 也可以养成良好的测试习惯 适当的测试准备 选择合适的激励源选择合适的接收机选择合适的附件核查仪器及附件功率容量 举例 对特定的频率范围2 5 3 7GHz感兴趣 电平始终在通带内有细微波动 看起来失锁 在频率高端显示中断 仔细检查所有的接头 连接电缆连接都很可靠 网络分析仪 信号源等都经过仔细检查 看起来测试系统完全没有问题 波长计是一个高Q值的元件 其幅频特性曲线在带内带外的变化很快 或则说其幅度随频率的变化是变化的在频率高端 波长计的衰减太大 扫源的补偿就无法完成 因此频率高端信号源到被测件的信号已经衰减很大以至于后面示波器检测不到有用信号造成波形不对 解决方案 把波长计放到电平控制环路外即可 如何履行正确测试 对于如何履行测试环节 并非是我们要进行一步一步的测试 而是我们后面章节将详细说明的具体测试方法 我们将涉及到一些通常会被忽略甚至忽视的具体细节 比如失配 误差校准 测量误差 电缆损耗等一些经常被忽略的因素 一些基本参量 如加在有原电路上的直流电压 如果事先没有进行功率电平测量 可能就会对测量带来无法挽回的损失 大多数时间 上面提到的因素都不被认为是什么真正的大问题 衰减器和热敏电阻计都有自己的校准曲线 仪表手册也给有精确图表 电缆损耗也可以在进行测试时从被测器件中扣除 在校准中把其进行归一化处理 直流偏置也容易可以用伏特表测出 功率电平也可以用功率计读出 这些准备工作当然会占用测量时间 但这样我们将避免因得到错误数据而浪费更对时间 所以对上面提到的一些因素还是要引起重视 正确测试对实验过程也是非常重要的 测试不仅仅为得到一幅图表 测试过程中一定要注意中间有哪些具体步骤 也要知道那些将引入误差 那里又损耗 什么样的电压及功率电平是需要的 总之 事先想清楚 有一个清晰的思路比测试结果本身更为重要 如何分析结果 做好测试计划 尽可能从结果中获取更多的有用信息有时候有些测试数据是无法直接获取的 只能通过间接方式取得 我们能做的是一定要仔细分析需要间接获取什么样的参数 然后再来搭建正确的测试系统 比如 若要从测试仪器上读出被测器件的VSWR这个参数 就没有必要为测量反射损耗 returnloss 或反射系数 reflectioncoefficient 等数据而为测试系统进行详尽设置 虽然 我们可以从这两个数据中计算出VSWR值 但如果可以的话 我们的目标应该是直接从测试仪表中读出这个值 显然 最直接的方法是直接读取而不是读取后再计算 也许计算还可能引入计算的人为误差 所以测试追求的不是结论而是正确的结论 总结 不要强拧接头 接头要接触可靠且成直线对接 使用接头尽可