现代微波测量技术一PPT课件

1,.,现代微波测量技术,汪海洋hhywa83202103逸夫楼416,.,2,课程性质与教学安排,专业选修课（电子科学与技术、物理电子学）综合性强，理论与实践结合，强调基本概念与方法、技能掌握,课堂讲学（30学时）讲授讨论先导课程：电磁场与波、微波技术基础、电子测量技术,.,3,教材：现代微波与天线测量技术戴晴黄纪军莫锦军电子工业出版社，2008/2012参考教材：微波测量汤世贤，国防工业出版社1991微波测量技术董树义电子工业出版社1995现代微波工程测量王培章朱卫刚电子工业出版社2014微波器件测量手册JoelP.Dunsmore电子工业出版社2014原Agielnt,教材与参考资料,.,4,本课程考核方式：平时考核（30%）（考勤+课堂提问）期末考试（70%）（开卷）,.,5,理论授课内容,微波信号源微波信号频率与频谱测量微波信号功率测量微波信号噪声测量网络反射参量测量网络传输参量测量网络参数的全面测定微波信号时域测量综合性微波测试实例,单重入式微波谐振腔设计与参数测试,腔体滤波器的仿真、优化及测试,.,6,表征微波信号的三个重要基本参数,测量,测量,测量,.,7,低频电子电路,电压电流,微波测量与低频电子测量比较,.,8,微波传输线中,电压、电流参数使用不方便，特别是在非TEM波传输线系统中电压、电流的定义失去了唯一性，如单导体传输线波导模式电压，模式电流。,.,9,而在TEM波传输线系统工作于主模且在行波条件下，行波电压V、电流I和传输功率P仍满足与低频电路相同关系式。,典型代表同轴线,.,10,.,11,测量、误差、计量一些基本概念,中国的标准时间和授时,课程补充知识,.,12,狭义测量的定义,测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。,在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。,.,13,广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。,.,14,测量的基本要素,被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境,.,15,测量过程基本要素之间的互动关系,*选择测试仪器，组建测试系统。,制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）,*分析测量误差并显示测量出结果。,.,16,测量环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。,.,17,环境对测量的影响,环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。,环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。,环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。,.,18,海拔温度湿度,.,19,测量误差的定义,测量误差的基本概念,测量的目的:获得被测量的真值。真值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。测量误差:所有测量结果都带有误差。,.,20,测量误差的来源,（2）影响误差由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。,（1）仪器误差由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。,.,21,测量误差的来源,（3）理论误差和方法误差由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。,（4）人身误差由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。,（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。,.,22,测量误差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。,由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差，有大小，又有符号和量纲。实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。,.,23,与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值,测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。,.,24,相对误差,一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。,相对误差：绝对误差与被测量的真值之比,实际相对误差,示值相对误差,相对真误差,计量仪器的示值与被测量（约定）真值之差,.,25,计量的定义和意义,为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。,计量的定义,.,26,测量标准的传递,.,27,计量的定义和意义,计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。,计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书。,.,28,计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。,测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值,计量和测量的联系,.,29,为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。,基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。,根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。,.,30,检定：是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。,比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。,校准：校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。,量值的传递：指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。,.,31,例：以太阳为基准，时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒。如果时间测量精度不能突破百万分之一秒，目前的GPS系统将不可能应用?。,一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平。,北京时间从何而来？,中国的标准时间和授时,.,32,中国的标准时间和授时,时间是一个基本物理量，任何一个大国都拥有自己独立的，并力图保持同时代最好水平的时间标准和服务系统。,转动体的自由旋转地球自转（世界时，ms级）天体开普勒运动地球公转（历书时，精度不高）原子谐波振荡运动铯原子钟（1967年10月，国际时间标准）,.,33,中国的标准时间和授时,一个原子时秒的长度是铯原子跃迁振荡9192631770周期所持续的时间，更长的时间单位由秒的累加而得。（谐振频率f9.192631770GHz，频率基准)国际原子时由设在法国巴黎的国际权度局（BPIM）建立并保持，其分析处理全世界约50个时间实验室的200台原子钟数据。中国科学院国家授时中心有19台铯原子钟和4台氢原子钟数据定期传送给BIPM。,.,34,中国的标准时间和授时,.,35,微波测试注意事项,.,36,微波测试仪器有两个特点：1、价格昂贵；2、种类多。对于微波测试仪器来说，经常是动辄几十万甚至上百万元。因此，在操作的过程中（1）必须要注意电网的安全性（2）保证设备接地良好（3）绝对禁止仪器的带电连接操作（必要时除外）（4）禁止调试时带电焊接,.,37,在微波测试仪器当中，有许多针对各种技术指标的专用测试仪器；另外，一台测试仪器通常也只能覆盖某一个频率范围。所以往往是对于不同频段的产品或者是不同的指标，就需要不同的微波测试仪器。,.,38,常用微波测量仪器简介,网络分析仪网络分析仪分为标量网络分析仪和矢量网络分析仪。矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、带外抑制、VSWR、S参数（包括幅值和相位）、阻抗、插入相移、群延时等指标；而标量网络分析仪则只能测试上述指标中与相位无关的参数。,.,39,常用微波测量仪器简介,频谱分析仪频谱分析仪主要用来分析和测试信号的频谱、相位噪声、杂波以及谐波等。,Agilent8560-series,AgilentPSA-series,.,40,常用微波测量仪器简介,噪声系数测试仪噪声系数测试仪是进行噪声系数测试的专用仪器。,.,41,常用微波测量仪器简介,功率计分为连续波功率计和峰值功率计。,HP8991A峰值功率计,E4418B连续波功率计,思考题：二者能否混用？,.,42,.,43,常用微波测量仪器简介,频率计（波长计）用来准确地测量信号的频率值。,Agilent53181A计数器及Agilent5361B脉冲/CW计数器,.,44,常用微波测量仪器简介,频率计（波长计）用来准确地测量信号的频率值。,.,45,常用微波测量仪器简介,信号发生器可以产生CW及各种调制的微波信号，分为模拟和矢量信号发生器。,.,46,常用微波测量仪器简介,示波器高实时带宽数字存储示波器,TD6604数字存储示波器，输入阻抗50,模拟带宽6GHz（实时带宽）Lecroy已有模拟带宽65GHz产品（实时带宽）,.,47,.,48,常用微波测量仪器简介,示波器低端数字存储示波器,如TDS3000系列模拟带宽300MHz（输入阻抗-50/1M）,波形测试,功率测试,检波器,.,49,常用微波测量仪器简介,示波器带宽的重要性-最值钱的指标,问题：对于5MHz的时钟信号需要用多少带宽的示波器,常见回答：100MHz足够了，带宽是被测信号频率的3-5倍考虑即可。,（1）被测信号是方波还是正弦波（2）如是方波，上升沿是多少？,.,50,.,51,Lecroy带宽为200MHz，1GHz，6GHz测量结果,tr=1.7nstr=873ps,.,52,实时采样技术,等效采样技术,.,53,常用微波测量仪器简介,相位噪声测试系统相噪测试系统是专门用来测试微波信号相位噪声指标的设备。,.,54,常用微波测量仪器简介,相位噪声测试系统相噪测试系统是专门用来测试微波信号相位噪声指标的设备。,AgilentE5500A-series相位噪声测试系统,.,55,常用微波测量仪器简介,矢量信号分析仪矢量信号分析仪具有频域、相位域、时域和调制域（调幅、调频、调相）分析能力；具有猝发信号和瞬变信号分析以及瞬时功率测量的能力；具有眼图、星座图和矢量（即坐标图）等显示形式，可用于采用数字调制体制的设备和系统的测试。,Agilent89441A及Agilent89640A矢量信号分析仪,.,56,国内微波测量仪器与现状沿海企业与科技2005年第4期,目前国内市场上主要的微波测量仪器厂家有：美国安捷伦（Agilent）原来惠普（HP）日本安立（Anritsu）公司德国罗德施瓦茨（RohdeYIG小球等效为无源谐振器，Q值高（无载Q值可到105）、稳定性好，寿命长，可靠性高；,.,116,第一章微波信号源,1-2微波扫频信号发生器,3、固态扫频振荡器YIG调谐振荡器,.,117,第一章微波信号源,1-3微波合成信号源频率准确度和频谱纯度要求,直接式间接式,需要大量混频器（？），倍频器（？），分频器（？）对标准频率进行必要的算术操作。稳定，响应快，成本高,利用锁相环(PLL)以标准频率源来控制一个频率可变的压控振荡器(VCO)来获得输出信号。频率转换速度（稳定锁相）环路失锁,频率合成的提出,输出具备时基的相对准确度和长期稳定度,.,118,1、直接式,.,119,第一章微波信号源,2锁相式频率合成器,扩展输出频率,基本锁相原理参考前述锁频锁相,.,120,第一章微波信号源,2锁相式频率合成器,兼顾输出频率范围与频率步长,.,121,第一章微波信号源,3直接数字频率合成（DDS）,采用全数字处理技术，用一个高稳定、高精度的参考时钟源来产生频率和相位可调的输出信号，具有很高的频率分辨率和相位分辨率。频率、相位分辨率高，快速跳频。,.,122,第一章微波信号源,现代微波信号源结构框图,.,123,第一章微波信号源,.,124,RFCWBlockDiagramReferenceSection,f,PhaseDetector,OptionalExternalReferenceInput,ReferenceOscillator(TCXOorOCXO),tosynthesizersection,.,125,RFCWBlockDiagramSynthesizer