微波测试设备概述(共83页).ppt

1、第一章 微波测试设备微波测试设备第一节: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)第一节:信号源最根本的波形:正弦波周期性矩形脉冲周期性矩形脉冲88一些调制波形振荡信号源扫频信号源综合信号发生器(或合成信号源)振荡信号源微波振荡信号源主要性能指标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l频率准确度图示l功率输出及精确度图示l频谱纯度图示实际应用中一些性能指标引起的一些问题扫频信号源常见的微波扫频信号源(或振荡器):1.变容二极管电调振荡器 varactor tuned osc

2、illators (VTO)2.YIG电调谐振荡器 YIG tuned oscillators (YTO)3. 反射速调管振荡器4. 返波管电调谐振荡器 扫频线性度:实际扫频轨迹与理想轨迹的偏差输出功率平坦度综合信号发生器 (或合成信号源)频率合成的方法主要有三种:a) 直接频率合成b) 间接频率合成c) 直接数字频率合成a) 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b) 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锁相频率合成的根本框图 c) 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

3、,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. 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,并到达锁定状态,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

4、常以年月日来计算典型值为:f/f=(10-710-10)/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.相位噪声的根本概念相位噪声的根本概念 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。 理想情况下，信号源输出的信号是纯的正弦波信号，可用式表示如下：00()sin(2)vtVft这样的信号在频域中表现为一根信号谱线 纯粹弦信号的谱线 但是，在实际应用中，所有信号源的输出都存在

5、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A(t) ，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，如下图。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。 00( )1( ) sin 2( )v tVA tf tt不纯粹弦信号的噪声边带频谱 37相位噪声的来源相

6、位噪声的来源 l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下图。其中，信号边带中的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。l信号源中的杂散分量一般是由电源纹波、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

7、行调频产生相位噪声。 38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，如下图 (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()SSBmSPfP功率密度（一个相位调制边带，1Hz）总的载波功率LL(fm)通常用对

8、数来表示，单位为dBc/Hzfm。 第二节:信号检测和指示(显示)设备1.2.1.检波器1.2.2.功率检测1.2.3.功率计1.2.4.频谱分析仪1.2.5.噪声系数分析仪1.2.1.检波器微波检波器的根本结构l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 检波器主要作用微波检波器应用举例:1.2.2.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, 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

9、功率大小进行检测. 正温度系数 负温度系数 1.2.3.功率计l功率探头l功率测量仪一些传感器具有代表性的检测功率范围：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.1.2.4.频谱分析仪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1.3.1:衰减器1.

10、3.2:定向耦合器1.3.3:槽线1.3.4:调制器1.3.5:校准件1.3.1:衰减器a) 固定衰减器b) 可变衰减器 连续可变 步进a) 固定衰减器(给定衰减量,计算电阻值)性能指标l频率范围l衰减量l衰减精确度lVSWRl最大输入功率l接头形式连续可调衰减器l性能指标:衰减范围,损耗步进衰减器 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,还有损耗1.3.2:定向耦合器 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根本的定向耦合器和双向定向耦合器的示意图性能指标l频率范围l耦合度l耦合度偏差l插入损

11、耗l方向性l端口阻抗lVSWRl最大承受功率l接头形式定向耦合器的应用1.3.3: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局部:开槽线,耦合指示器传动矩形波导测量线矩形波导测量线l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.l耦合指示机构l 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.矩形波导测量线示意图矩形波导测量线示意图1.3.4: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,比方幅度调制,脉冲调制等1.3.5:校准件 为了获得准确的测试数据,测