微波工程导论：第8章 微波测量技术（1）

1、微波工程导论Introduction to Microwave Engineering第8章 微波测量技术微波测量的意义微波功率的测量微波频率的测量微波噪声系数的测量微波频谱的测量微波网络分析仪及网络参数测量天线参数的测量微波功率的测量功率测量的重要性平均功率，峰值功率以及脉冲功率功率计，功率探头原理探头技术功率太低:功率太高:.甚至烧毁器件!信号会淹没在噪声中会产生非线性失真.信号功率的大小是很严格的功率测量的重要性系统每一级的性能要求对功率测量都是很严格的许多测试是在设计和生产中进行的测试方法必须:简单准确可重复直流VIncVRefZOZSRLVRLZSI为什么不测量电压?RLV+I 低频

2、P = IV = V2/R高频电流和电压随位置不同而改变功率是一个常数ZS1 W = 1 A 1 V单位和定义功率等于每秒传输能量的大小我们经常用对数的形式来比较两个功率P1,P2相对功率 (dB)=10 log(P2/P1)绝对功率: 通过设定一个参考功率 P1得出 绝对功率(dBm) = 10 log(P/1 mW)功率的单位是瓦特(W)t在多个调制周期中取平均AM脉冲在多个重复的脉冲周期中取平均平均功率Power时间A(脉冲宽度)占空比 =AB(脉冲周期)B脉冲功率 = 平均功率/占空比 矩形脉冲 占空比为常数脉冲功率瞬时功率包络功率峰值包络功率包络功率和峰值包络功率频谱分析仪网络分析仪

3、功率计和探头矢量信号分析仪 0. 0X dB 0. X dB或者更大 70 dBm 频率选择性测量射频和微波功率的仪器直流或者低频信号射频功率功率探头 功率计显示(dBm or W)热敏电阻热电耦二极管探头功率计和探头原理热敏电阻探头功率探头的早期形式在大多数的应用中已被热电耦和二极管探头取代仍作为传输功率的度量标准Cc在两块不同的金属结之间会根据温度产生一个电压结的温度直接与射频功率有关射频功率Cb射频输入热结热结冷结冷结 产生直流电压薄膜热电耦热电耦探头CbRmatchingVo+-RsVs二极管探头平方律区0.01 mW 70 dBmVOPIN0.1 nW 20 dBm线性区(log)V

4、O=nVS2=nPIN50 dB二极管的平方率检波区功率探头断路器二极管探测器功率计同步探测器低通滤波器ADC量程带通滤波器方波发生器处理器AC220 HzDCRFDAC自动归零功率探头和功率计的传输路径功率计测量功率(归零及校准)3）将功率探头连接到被测信号输出2）对功率计进行归零和校准1）将功率探头连接到功率计频率物体每秒振动的周期数单位：每秒周，命名为赫兹（HZ）秒的定义：铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间微波频率的测量频率测量的实质就是将待测信号频率直接或间接地与标准频率进行比较比较的标准，即标准频率源，常用的标准频率源有晶体

5、频标和原子频标两种不同的测频方案反映了未知频率与标准频率比较的方法有源法：以标准频率源作为未知频率的比较标准，如计数法，外差法。无源法：用已知频率特性的无源电路作为比较标准，如谐振式波长计。频率测量方法直接计数法倒数测频法外差法微波频率计的基本构成和工作原理 直接计数式频率计因限于十进位计数器目前所能达到的最高计数速度约为500MHz-1000MHz，所以不能用以直接测量微波信号的频率。扩频技术将微波频率向下变换到电子计数器可测的频率范围的技术微波频率计扩频方案 预分频式频率计外差式变频频率计转换式数字频率计计数式频率计也可以测量射频脉冲信号和调频、调幅信号的频率。经宽带放大、整形，消除干扰和

6、波形不规则性之后，就可以计数指示。但灵敏度下降，最小信号一般需要数十毫伏。频率计的应用 噪声系数的测试Y系数法 噪声测试基本过程 噪声系数测试的基本原理噪声系数计算噪声系数测试的基本原理噪声源、雪崩二极管超噪比(ENR)：反应噪声源输出噪声功率的能力。Excess noise ratio噪声系数测试的基本原理+28V测试系统DUT噪声系数测试的基本原理噪声源DUT本振混频器中频放大器噪声系数测试仪噪声源驱动测试系统如果待测件的工作频率高于测试仪器的可测频率范围?下变频系统扩展测试频率噪声系数测试的基本原理噪声系数表噪声对被测件测试的影响噪声系数测试的基本原理DUT 增益的测试 校准（测试系统）

7、被测件测量（被测件和测试系统）典型器件的噪声系数测试 放大器 变频器件典型器件的噪声系数测试MixerAmplifierFETs, TransistorsPassiveReceiver可测的器件：无源二端口器件有源二端口器件混频器和接收机 等典型器件的噪声系数测试LOMixer External LOfOROR接收机、混频器、放大器 等典型器件的噪声系数测试放大器（非变频器件测试）首先，将噪声源直接连接到噪声系数表之后，进行一次校准。然后，将被测件连接到噪声系数表和噪声源之间，测量噪声系数、增益等。控制总线变频器件（系统）测试 噪声源噪声系数分析仪噪声源本振噪声系数分析仪RFIFLO校准测量典

8、型器件的噪声系数测试F LOF ifNPFreq单边带和双边带测量双边带：单边带：频谱的测量-频谱分析仪信号分析技术简介频谱分析仪的工作原理和性能指标频谱分析仪的应用信号分析技术简介无线系统中的信号处理信号频域测试基础典型的信号测试完整的信号测试参数信号分析技术简介发射机参数测试信号功率，信号带宽信号杂散信号调制精度传输信息基带IQ信号解调信息受到干扰影响 的接收信号调制器解调器滤波处理消除干扰信号正弦波本振信号中频调制信号通过放大处理的射频信号接收机中频信号无线系统中的信号处理时域分析频域分析频率幅度f 3f 5f 7f 9f1 1/3 1/5 1/7 1/9 etc.频率幅度f 3f 5f

9、 7f 9f1 1/3 1/5 1/7 1/9 etc.信号-1信号-2信号频域测试基础数字Q调制信号中频调制信号射频调制信号微波调制信号数字基带信号模拟Q调制信号本振CW信号本振CW信号发射机和接收机中的信号典型的信号测试信号类型典型信号信号的信息内容连续波信号系统时钟信号，频率合成器输出信号模拟调制信号调频广播信号，雷达脉冲调制信号 数字调制信号卫星通信信号，移动通信信号噪声信号 放大器热噪声信号的存在形式连续稳定信号正弦波信号周期变化信号TDMA信号，雷达信号瞬变单次信号发射机开机过程随机信号噪声信号信号的存在格式模拟信号无线发射和接收信号模拟基带IQ信号接收机中IQ解调器输出信号数字信

10、号ADC处理输出信号 频道内测试（In-channel） 频道外测试（out of channel） 信号频率 信号功率/时间，平均/峰值功率 调制精度 邻道功率比(ACPR)谐波远端杂波 带内测试项目带外测试项目完整的信号测试参数信号分析方法分析技术典型测试参数 频域测试分析信号包含的频率成分。各频率分量的频率和功率参数信号功率，信号占用频率带宽，信号带外杂散，信号邻道功率比 时域测试分析信号参数随时间变化过程信号功率控制过程，锁相环频率锁定时间 解调测试信号的调制特性，信号的调制精度模拟调频信号调制失真，数字调制信号矢量误差信号分析技术简介频谱仪工作原理扫频式和FFT式频谱仪扫频式频谱仪工

11、作原理频谱仪性能指标频率指标工作频率范围频率分辨率幅度指标内部失真灵敏度动态范围频谱分析仪的工作原理和性能指标扫频式频谱仪滤波器扫描测试Aff1f2扫频式频谱分析仪FFT式频谱分析仪FFT频谱仪并行滤波器组处理Aff1f2扫频式频谱仪工作原理输入衰减器/参考电平中频滤波器/分辨带宽（RBW）视频滤波器/视频带宽（VBW）检波方式扫频式频谱仪工作原理预选滤波器/低通滤波器参考振荡器对数放大器RF输入衰减器混频器中频滤波器检波器视频滤波器本振扫描控制器中频放大器输入显示结果扫频式频谱仪工作原理中频滤波器输出波形中频放大器输入衰减器 输入衰减器可自动和手动设置，自动状态下，衰减器设值受参考电平设值影

12、响； 通过衰减器设置来调整频谱仪内部电路的工作电平； 频谱分析仪内部输入衰减器和中频放大器保持联动关系； 中频放大器自动补偿衰减作用，输入信号测量结果不会受衰减器设置的影响； 频谱仪内部产生的失真和噪声会受输入衰减设值的影响。Amplitude根据被测信号功率大小设置参考电平，衰减器设值为自动状态输入衰减器/参考电平中频滤波器频谱分析仪显示输入信号频谱特性中频滤波器带宽(RBW)RBW根据测试的信号带宽和信号类型设置扫频范围（Span）RBW设置处于自动状态 分辨带宽可自动和手动设置，自动状态下，RBW由测量扫频宽度（Span）决定 RBW影响频谱仪的显示噪声电平，频率分辨率和测试速度 根据测

13、试信号的灵敏度和频率分辨率要求设置RBW分辨带宽（RBW）视频滤波前测试显示结果视频滤波后测试显示结果视频滤波器VBW根据测试信号的要求设置RBWVBW设置处于自动状态 视频带宽可自动和手动设置，自动状态下，VBW由RBW决定 VBW设置影响信号显示频谱的平滑和测试速度 减小VBW提高噪声背景下点频信号测试的灵敏度视频带宽（VBW） 分段检波器幅度Det/Demod根据测试信号的类型决定检波方式的设置检波方式设置处于自动状态 检波方式可自动和手动设置。 针对不同的测试对象选择不同的检波方式。 检波方式会影响噪声和类似噪声信号的功率测量结果。检波方式LCD 显示扫描控制器本 振frequency

14、参考振荡器其他部件幅度内部失真 （测量大信号能力）灵敏度 （测量小信号能力）动态范围 （同时测量大信号和小信号的能力）频率工作频率范围 （检测宽频带信号的能力）频率分辨率 （分辨频率间隔信号能力）频谱分析仪基本性能指标 1Hz - 8 MHz RBWE4443A 1Hz - 8 MHz RBW1 Hz - 8MHz RBWE4445AE4440AE4448AE4447A1 Hz - 8MHz RBW1 Hz - 8MHz RBW测量信号高次谐波成份工作频率范围.3 dB3 dB BWLO混频器中频滤波器/分辨率带宽 (RBW)扫频检波器输入频谱DisplayRBW频率分辨率RBW（分辨率带宽被

15、测信号谱线及显示谱线频谱测量显示原理频率分辨率RBW本振寄生调频本振相位噪声中频滤波器矩形系数影响频率分辨率性能的因素3 dB10 kHz10 kHz RBW10 kHz10 kHzRBW = 10 kHzRBW = 1 kHz滤波器矩形系数15:1被测信号60 dB BW = 15 kHz7.5 kHz3 dB60 dB对等幅信号的测试对不等幅信号的测试60 dB BW3 dB BW3 dB60 dB60 dBBW3 dB BW滤波器矩形系数 =分辨滤波器对频率分辨率的影响本振相位噪声在频域上表现为信号频谱噪声边带Fast Tuningf 30 kHzf 30 kHzAuto CoupleP

16、hase noise 频谱仪本振相位噪声对分辨率的影响混频信号被测信号混频器输出信号混频器产生失真成分频谱仪处理过程的非线性会引起寄生的失真成分BWmBWmBWmBWmBWm3 阶频谱再生3rd Spectral Regrowth5 阶频谱再生5rd Spectral Regrowth各次谐波测试 -50 dBc噪声系数）提高频谱仪灵敏度的技术方法 频谱仪采用数字处理技术，显示的频谱为离散测试点的组合 离散点测试取值的方式对应不同的检波方式 不同性质信号功率的测试结果与检波方式，平均方法有关输入 显示对数放大器RBW本振衰减器视频滤波器ADC检波方式LogLinlog包络检波器TimeVolt

17、s中频信号包络检波器Trace/Trace 平均频谱仪对信号功率的测量过程Peak检波方式： 取值每个区间最大幅值。适合CW 信号及信号搜索测试Sample检波方式;取值每个区间的固定时间点。适合于噪声信号测试Neg Peak检波方式：取值每个区间的最小幅值。适合于小信号测试Auto检波方式：按最大和最小交替取值，适合包含正弦和噪声成分的信号分析Avg检波方式：功率测量取值由多个包络电平值的平均得到，适合噪声和 类似噪声信号的平均功率测试。Avg 检波方式下，平均处理的方式分为：Power， Log， VoltageAvg检波方式可减少显示信号的抖动，扫描速度越高，平均效果越明显功率平均的取值

18、方式称为均方根检波方式（RMS） 抽取处理频率/时间段电压对信号包络的采样点检波方式PeakNeg PeakRose/fallAvgSampleAuto Couple频率分段范围=Span/(测量点数-1)测试时间段=扫描时间/（测量点数-1） 显示结果频谱仪检波方式检波探头ChopperDiode检波器MeterSynchronousDetectorLPFADCRangingBPFSquare WaveGeneratorProcessorRFACDC220 HzDACAUTOZEROff1f2功率计测量结果是全频段信号功率和功率计用于测量信号功率混频器工作电平 = 参考电平 - 衰减器设值最

19、佳混频器工作电平频谱仪三阶失真特性变化斜率：2频谱仪二阶失真特性变化斜率：1频谱仪底噪声特性变化斜率：-1频谱仪的测试动态范围衰减器设值小时频谱仪内部失真大；噪声电平低衰减器设值大时频谱仪内部失真小；噪声电平高频谱仪的最大测试动态范围+30 dBm-115 dBm (1 kHz RBW & 0 dB 衰减器)频谱仪最大输入电平仪表显示范围90 dB-10 dBm-35 dBm-45 dBm仪表噪声电平随衰减器设值和而变化二阶失真混频器压缩电平三阶失真信号噪声范围105 dB145 dB功率测量范围频谱仪平均噪声电平70 dB80 dB0 dBc噪声电平60 dBc/1kHz三阶失真测试动态范围

20、仪表相位噪声影响测试动态范围二阶失真测试动态范围频谱分析仪动态范围指标定义频谱分析仪的测试应用正弦波信号的测试应用相位噪声的测试应用脉冲调制信号的测试应用器件频率响应特性测试器件的交调失真参数测试频谱分析仪的测试应用正弦波信号的频谱参数 信号功率 信号频率 相位噪声 杂波抑制 谐波抑制 0.5f0 f0 2f0杂波：-65dBc二次谐波： -30dBc次谐波相位噪声Carrier:载波+5dBm-60 dBm-25 dBm频率幅度 通过减小RBW来提高测试灵敏度和频率分辨率 通过减小VBW或平均处理来提高噪声背景下点频信号的测试能力 利用Marker Noise 功能完成噪声边带功率谱密度的准确测试 利用Meas 功能测试信号谐波失真度指标100kHz信号相位噪声指标测量结果：-103dBc/Hz 100kHz offset 频谱仪正确测量信号相位噪声的方法时间脉冲宽度脉冲开关比On/Off ratio脉冲上升时间脉冲重复频率=1/T脉冲重复周期（T）功率载波频率功率脉冲宽度脉冲重复周期 T上升/下降时间开关比精度定义脉冲调制信号的参数（脉冲重复频率PRF=1/T）功率1/T1-1频率脉冲调制信号的频谱特性脉冲调制信号的时