第二章 信号频率及测量

1、1第二章 信号频率及测量2信号频率及测量第一节 概述第二节 频率标准第三节 频率测量方法3第一节 概述 频率是周期性信号的最主要参数之一,是微波测量中最常需要测量的而且是能够测量得最准确的一种参量.4第二节 频率标准 频率是表征周期现象的一种参数,定义为物体每秒振动的周期数,单位是赫兹(Hz) 即 f=1/T (Hz) T是周期,单位是(S)所以:频率的单位直接依赖于基本时间单位秒.56l铯原子的上述跃迁，即成为时间标准，亦成为频率标准。由于其稳定度高，规定为一级频率标准一级频率标准，成为国家或大地区、大单位的计量基准。l二级频率标准二级频率标准：稳定度稍低，如采用高水平的石英晶体振荡器、稳定

2、度更高的铷原子频率标准。l石英晶体振荡器主要用来作为频率合成器及计数式频率计等精密仪器内含的频率标准。 72.2.1 石英晶体振荡器l高性能的晶体，大多数工作于5MHz，采用分频或倍频电路可以得到各种频率输出，然而这样相位噪声将会有所增加。l一般晶体振荡器的频率稳定度： 长期频率稳定度 10-1010-8/日 短期频率稳定度10-11/S 经过特殊处理（如精选精片，预先老化处理，双重恒温槽），可使其稳定度再上一个数量级。 8使用石英晶体振荡器注意事项：l经常通电l与上级频标校准l只能作为二级频标 92.2.2 铷原子频率标准 现在所熟知的原子频标可分为无源式和有源式两类: 有源式是用以产生确定

3、频率的震荡,主要有氢脉泽和铷脉泽两种;: 无源式产生标准频率的做法,主要是利用Q值高的谐振腔,将无源原子谐振器作为超稳定高Q鉴频器使用.如下图所示:10用原子谐振器控制用原子谐振器控制5MHz晶振产生标准频率晶振产生标准频率11铷原子频标特点：l稳定度比晶振高12个数量级，体积小，重量轻，价格仅有铯频标的一半；l铷泡R中，混有惰性气体，以减少铷原子碰撞，会引起频率f变动，不容易测准；l铷原子的跃迁还稍受外磁场的影响；l仅能作二级频率标准 122.2.3 铯原子频率标准 铯原子频标与铷频标在组成原理上基本相似,主要不同是构成微波鉴频器的原子谐振器是用铯133在超精细能级之间的跃迁.特点：l频率稳

4、定度高，基本不受环境因素影响（外电场、磁场等）；l一级原子频标；l10-12数量级左右稳定度。 13 对于一级频标，频率或时间以此为基准，理论上说没有误差，但对于单部铯原子频标的复制性不能绝对无差别，温度、外场的影响不能完全避免，因此，一级频标的确定应采用统计方法，即用许多部铯原子频标取平均值，因此，其稳定度的得来基于此。142.2.4 氢原子频率标准 氢脉泽即氢原子受激发射器的简称。它用作频标通常是作为一个有源谐振器，即由它提供频率为1.420405751GHz的微波振荡器，功率为1012W，Q值极高,为2 109。有极高的频率稳定度和谱线纯度。 15特点：l频率可以通过精确计算得到；l准确

5、度数量级为10-12；l长稳：10-13/年，短稳5 10-13 /S；l谱线纯度高，噪声特性优于铯频标；l可成为一级频率标准的候选者。 16第三节 频率测量l方法：一般是将被测频率直接或间接地与标准频率进行比较，可分为有源法和无源有源法和无源法法两种。l有源法：有源法：测量装置中包含有标准频率的振荡源。l无源法：无源法：将被测的信号频率与一个可调谐的无源回路的自然频率进行比较，并以谐振的出现作为频率相等的指示。172.3.1 有源法l外差法l计数法181）外差法19l零差法： l测差法： l谐波零拍法： sxdfffdsxdffff , 0sxsxfmnfnfmf,0202）计数法l原理：

6、将未知频率fx与标准频率fs相比较，此时是利用未知频率fx的脉冲计数法而测得fx。如利用标准频率fs去控制一计数闸门的开放时间，假如开放时间等于fs的m个周期，即在开放期间通过闸门的未知频率脉冲个数为n，则 因此 或ssmTfm1xsnTmT sxTnmTsxfmnf21计数式频率计已容易达到计数式频率计已容易达到40GHz40GHz。随着取样器技术的发展，。随着取样器技术的发展，正向毫米波更高的频段发展。我们还可以采用一种变通的正向毫米波更高的频段发展。我们还可以采用一种变通的测量方法，即利用毫米波基波或谐波混频技术（外差变测量方法，即利用毫米波基波或谐波混频技术（外差变频），将毫米波频率变换到通用微波数字频率计的测频范频），将毫米波频率变换到通用微波数字频率计的测频范围进行测试。围进行测试。 22232.3.2 无源法（谐振式频率计） 利用微波谐振腔进行测量，根据谐振腔的谐振选频原理可知，单模谐振腔的谐振频率决定于腔体尺寸，利用调谐机构对谐振腔进行调谐，使之与待测微波信号发生谐振，就可以根据谐振时调谐机构的位置，判断腔内谐振的电磁波的频率。这就是谐振式频率计的基本原理。24按结构分为同轴谐振腔和圆柱形谐振腔：同轴腔(同轴式):Q值不高