第1章-微波測量儀器和系統(tǒng)下

1、第一章:微波測試設備（下）,,,,第一節(jié):信號源第二節(jié):信號檢測和顯示設備 第三節(jié):輔助元件 第四節(jié):系統(tǒng)(簡單說明),第一章:微波測試設備（下）,信號源——課程回顧,了解 信號源及其分類掌握 信號源性能指標定義了解 掃頻源的基本概念掌握 掃頻源的產(chǎn)生、控制方法重點掌握 頻率合成技術（分類、優(yōu)缺點）,課程回顧,了解 信號源及其分類1）簡易微波信號發(fā)生器2）標準微波信號發(fā)生器3）微波掃頻信號發(fā)生器,課程

2、回顧——掌握 信號源性能指標定義,課程回顧——了解 掃頻源的基本概念,1）微波掃頻信號源2）微波合成信號源3）微波合成掃頻信號源,課程回顧——掌握 掃頻源的產(chǎn)生、控制方法,1）直接頻率合成（DS）2）鎖相環(huán)式合成（PLL）3）直接數(shù)字頻率合成（DDS）,1) 直接頻率合成 由一個高穩(wěn)定度的參考源,通過分頻、混頻、倍頻和濾波等方法產(chǎn)生所需的各種輸出頻率.,直接頻率合成原理說明圖,2) 間接頻率合成應用

3、鎖相環(huán)的頻率合成方法稱為間接頻率合成,3) 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 是直接對參考正弦時鐘進行抽樣,數(shù)字化,然后用數(shù)字計算技術和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號,實現(xiàn)頻率合成.,,,3) 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 是直接對參考正弦時鐘進行抽樣,數(shù)字化,然后用數(shù)字計算技術和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號,實現(xiàn)頻率合成.,,課程回顧,重點掌握 頻率合成技術（分類、優(yōu)缺點）,在實際應用中,可以采用上述幾種方法相結(jié)合的方式,來

4、彌補單獨應用某種方式所具有的局限性。例如,可以采用PLL和DDS相結(jié)合的方式,實現(xiàn)高分辨率,低雜散輸出的信號。同樣,也可以利用PLL和DS相結(jié)合的方式,實現(xiàn)具有高輸出頻率,低雜散輸出的信號。 下面簡單介紹幾個頻率合成器的設計方案：,鎖相＋倍頻結(jié)構毫米波頻率合成源,鎖相＋混頻結(jié)構毫米波頻率合成源,多環(huán)鎖相結(jié)構毫米波頻率合成源方框圖,性能指標,1.頻率間隔:最小頻率間隔,也稱分辨力2.頻率轉(zhuǎn)換時間:從一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率,

5、并達到鎖定狀態(tài),這個過程所需要的時間3.長期和短期頻率穩(wěn)定度 長期穩(wěn)定度通常以年月日來計算典型值為:Δf/f=(10-7—10-10)/每日 短期頻率穩(wěn)定度是指秒級頻率穩(wěn)定度,通常用相位噪聲表示.,典型特征,信號源,由于工程和技術的原因，微波信號往往是在頻域表達的根據(jù)微波的正弦表達式，信號具有幅度頻率和相位特性實際的微波信號其正弦表達式的每一個因子都是時變的根據(jù)信號特征的變化，微波信號可以調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相在線

6、性系統(tǒng)中，調(diào)頻和調(diào)相是可以互相轉(zhuǎn)化的表達形式在非線性系統(tǒng)中，調(diào)幅和調(diào)頻調(diào)相可以有條件互相轉(zhuǎn)化,信號源頻率特性指標,頻率范圍（Range）：決定了信號源能夠提供的輸出頻率范圍分辨率（resolution）：分辨率決定頻率能夠變化的最小步長精度（accuracy）是精度受連個方面的影響：儀器參考振蕩頻率（reference oscillator） 及目前離最后一次校準后的使用時間長短。,1.頻率范圍2.頻率準確度和分辨力3.頻率穩(wěn)

7、定度4.頻譜純度5.射頻輸出功率6.射頻輸出功率準確度7.最大輸出功率8.調(diào)制特性,理想情況下，信號源輸出的信號是完純的正弦波信號，可用式表示如下：,這樣的信號在頻域中表現(xiàn)為一根信號譜線,Voltage,Time,Voltage,Frequency,Spectrum Analyzer,Oscilloscope,,,Voltage,Frequency,,,,,,,,Uncertainty,EXAMPLEAccuracy =

8、=CW frequency = 1 GHz=aging rate = 0.152 ppm/year=time since last calibrated = 1 year,,*,*,頻率范圍Range: Range of frequencies covered by the source分辨力Resolution: Smallest frequency increment.準確度Accuracy: How

9、accurately can the source frequency be set.,信號源指標說明...Frequency,ppm:part per million 百萬分之一,信號源指標說明...Amplitude,,,DUT,Source protected from accidental transmission from DUT,,,Voltage,Frequency,,,,,,,,,,,,,,,,,How accura

10、te is this number?,What is P out?,What is P out?,max,min,范圍Range (-136dBm to +13dBm)準確度Accuracy (+/- 0.5dB)分辨力(0.02dB)開關速度Switching Speed (25ms)反向功率保護Reverse Power Protection,,信號源的頻譜純度,信號源都只能由非理想條件下的元器件，部件

11、組成，這些非理想的元器件會引入相位噪聲和我們非常討厭的失真。,相位噪聲Phase Noise殘余調(diào)頻Residual FM雜散信號Spurious,,,,,,,,,,,non-harmonic spur~65dBc,,,,harmonic spur~30dBc,,CW output,Residual FM is the integrated phase noise over 300 Hz - 3 kHz BW,,phase no

12、ise,,0.5 f0 f0 2f0,,,,sub-harmonics,信號源的頻譜純度,信號源中放大器幅輸入看成：vo(t) =a1 vi(t) + a2 v

13、i2(t) + a3 vi3(t) + ...即vo(t) = a1 sin(wt) + a2 sin2(wt) + a3 sin3(wt) + ... =a2/2 + a1 sin(wt) + 3a3/4 sin(wt)+ a2/2 sin(2wt) + a3/4 sin(3wt) + ...由于放大器的非線性特性，產(chǎn)生了二次、三次以及更高次的諧波，典型的二次諧波功率與基波功率可以達到30 dB以上，除了諧波以外，還

14、可以產(chǎn)生其他的一些頻率成分，比如，只有偏置電壓引入，這些其他非諧波的頻率成份和基波相比大約又65dB以上的差距,相位噪聲的基本概念,相位噪聲是指信號源中，由各種隨機噪聲所引起的輸出信號瞬時頻率或相位的起伏，它表征的是信號源輸出頻率的短期穩(wěn)定性指標，是高穩(wěn)定度高、高純度頻率源的一項十分重要的指標。由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴展，其范圍可以從偏離載波小于1Hz一直延伸到幾兆赫茲。,信號源指標... 頻譜純度Spectral Pur

15、ity: 相位噪聲Phase Noise,,,,,CW output,frequency,Power Spectral Density,,measured as dBc/Hz,Ch1 PM PSD,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1k,10k,100k,TRACE A:,A Marker,10 000 Hz,75 dBc/Hz,-125 dBc/Hz,LogMag,5 dBc/div,-105 d

16、Bc/Hz,但是，在實際應用中，所有信號源的輸出都存在著不穩(wěn)定性，即存在著幅度、頻率或相位的起伏，這樣的不純信號可表示為 ：,通常情況下，信號源的輸出中都有幅度變化 ，它不直接造成頻率起伏或相位起伏，在這里可以忽略不計。這些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪聲。由于頻率是相位對時間的導數(shù)，因此研究瞬時頻率穩(wěn)定度問題歸結(jié)為研究瞬時相位起伏的問題。在頻域用頻譜分析儀觀察，相位噪聲表現(xiàn)為噪聲邊帶連續(xù)地分布在載波頻率的上下兩邊，如圖所示。頻域表示

17、的相位噪聲可以簡單地看作是無限數(shù)目的相位調(diào)制邊帶，每一個相位調(diào)制邊帶又是由一個低頻信號對載波進行相位調(diào)制而產(chǎn)生。,相位噪聲的來源,通常情況下，信號源的相位起伏同時具有隨機的或離散的特性，用頻譜分析儀觀察的結(jié)果如圖所示。其中，信號邊帶中的為離散分布的信號稱作雜散分量，另外一種為連續(xù)分布的隨機信號，稱作相位噪聲。信號源中的雜散分量一般是由由電源紋波、機械振動或系統(tǒng)內(nèi)部鑒相信號的泄漏或其它電路的信號竄擾，通過振蕩器的供電端或調(diào)諧端對振蕩器的

18、輸出信號進行調(diào)頻產(chǎn)生的，這種雜散的分布一般情況下具有一定的規(guī)律性。另外一種呈隨機分布的相位噪聲通常是由振蕩器本身內(nèi)各器件所產(chǎn)生的各種隨機噪聲(如電阻產(chǎn)生的熱噪聲、半導體器件所產(chǎn)生的散彈噪聲和閃爍噪聲等)引起的。其它電路所產(chǎn)生的隨機噪聲，也可以通過振蕩器的供電端或調(diào)諧端對輸出信號進行調(diào)頻產(chǎn)生相位噪聲。,頻譜分析儀上顯示的信號源相位噪聲,單邊帶相位噪聲的定義,信號源中，由于相位噪聲的存在，在頻域中，輸出信號的譜線是以調(diào)制邊帶的形式連續(xù)地分布

19、在載波的兩邊，是雙邊帶的，并以載波頻率f0為中心對稱。通常分析問題時，只取其中一個邊帶就可以了，把這一個邊帶稱為單邊帶(SSB)相位噪聲，用L(fm)表示，如圖所示,(a)相位噪聲邊帶,(b)單邊帶相位噪聲L(fm),單邊帶相位噪聲的定義為偏離載波頻率fm赫茲處，在1Hz帶寬內(nèi)，一個相位調(diào)制邊帶的功率PSSB與總功率PS之比,即,,L(fm)通常用相對于載波1Hz帶寬的對數(shù)來表示，單位為dBc/Hz@fm。,第二節(jié):顯示設備和信號檢測（

20、了解）,2.2.1.檢波器2.2.2.功率檢測2.2.3.功率計2.2.4.頻譜分析儀2.2.5.噪聲系數(shù)分析儀,2.2.1.檢波器,Scalar broadband (no phase information),34,微波檢波器的基本結(jié)構,主要性能指標 頻率范圍,頻率響應,靈敏度,端口阻抗,最大輸入功率,極性,VSWR,接頭形式,36,微波檢波器應用舉例:,2.2.2.功率檢測,a)

21、 熱電偶b) 電阻測輻射熱儀,a) 熱電偶,用于準確測量溫度的熱電子元件,尤指一個熱電子元件,由兩種連在一起的不同金屬組成,這樣連接點間產(chǎn)生的電壓變化就是兩點間溫度差異的量度.,b) 電阻測輻射熱儀,利用某些溫度敏感元件的電阻隨所加的功率大小而變化的效應,對功率大小進行檢測. 正溫度系數(shù) 負溫度系數(shù),2.2.3.功率計,功率探頭功率測量儀,41,一些傳感器具有代表性的檢測功率范圍：　　　　　　-7

22、0dBm ~ -20dBm　　　-30dBm ~ +20dBm　　　-17dBm ~ +35dBm　　　-10dBm ~ +35dBm,微波功率計根據(jù)所測信號的不同分為連續(xù)波功率計和脈沖功率計. 根據(jù)讀數(shù)顯示形式可以分為模擬式和數(shù)字式.,2.2.4.頻譜分析儀,,,Frequency RangeAccuracy: Frequency & AmplitudeResolutionSensitivityDis

23、tortionDynamic Range,,掃頻超外差式頻譜儀的原理方框圖,2.2.5.噪聲系數(shù)測試儀,a)噪聲源b)噪聲系數(shù)計,噪聲源有很多不同的種類,通常應用的噪聲源分為三種類型: 熱/冷噪聲源 固態(tài)噪聲源 氣體放電噪聲源,第三節(jié):輔助元件,3.1:衰減器3.2:定向耦合器3.3:槽線3.4:調(diào)制器3.5:校準件,隔離器,混頻器,49,3.1:衰減器,a) 固定衰減器

24、b) 可變衰減器 連續(xù)可變 步進,50,a) 固定衰減器(給定衰減量,計算電阻值),51,性能指標,頻率范圍衰減量衰減精確度VSWR最大輸入功率接頭形式,程控步進衰減器,52,連續(xù)可調(diào)衰減器,性能指標:衰減范圍,步進衰減器,在一定范圍內(nèi)按固定值遞增,主要采用開關和固定衰減器相結(jié)合的方式進行設計 性能指標:步進及衰減范圍,54,3.2:定向耦合器,55,定向耦合器有很多不同的結(jié)構,其中最常見的是支線耦

25、合器,蘭格耦合器和平行耦合線耦合器,56,基本的定向耦合器和雙向定向耦合器的示意圖,性能指標,頻率范圍耦合度耦合度偏差插入損耗方向性端口阻抗VSWR最大承受功率接頭形式,58,定向耦合器的應用,3.3:槽線(測量線)主要用來測量VSWR,和波長等參數(shù).按傳輸線的結(jié)構來分,主要有波導式＆同軸式,主要包含三部分:開槽線,耦合指示器＆傳動,矩形波導測量線,60,矩形波導測量線示意圖,61,62,波導開槽線:它是在矩形波導寬邊

26、的中央開一條嚴格平行于縱向軸線的長條槽縫構成的,是與待測元件連接的一段波導傳輸線.耦合指示機構 它由探針,調(diào)諧腔體,晶體檢波器和指示設備構成.探針通過波導的槽縫伸進波導內(nèi),與所在位置的電場發(fā)生耦合,在探針上產(chǎn)生與該處電場強度成比例的感應電動勢,并經(jīng)過探針的調(diào)諧腔體送至晶體檢波器,從而轉(zhuǎn)換成直流電流,用微安計等來指示.,63,1.VSWR=Vmax/Vmin2.兩個最高點或最低點間的距離是半個波長,64,3.4:調(diào)制器,許

27、多微波測試應用中經(jīng)常需要調(diào)制信號,特別是通信方面,比如幅度調(diào)制,脈沖調(diào)制等,65,3.5:校準件,為了獲得準確的測試數(shù)據(jù),測試前必須校掉系統(tǒng)誤差,這樣的測試結(jié)果才是可信的.,矢量網(wǎng)絡分析儀校準件,66,第四節(jié):系統(tǒng)（了解）,67,Agilent 8363B 矢量網(wǎng)絡分析儀,吸波材料測試系統(tǒng)應用,采用弓形框法測量不同方向電磁波照射情況下，被測材料吸波特性 ，滿足隱身材料吸波特性測試的要求。,69,70,71,T/R組件測試系統(tǒng),用于機載雷

28、達罩插入相位精密測量，用于雷達罩生產(chǎn)過程相位均勻性監(jiān)測和生產(chǎn)、出廠最終檢驗測試。,雷達罩插入相位測試系統(tǒng),天線測試系統(tǒng),RCS測試系統(tǒng),微波毫米波天線與RCS通用測試平臺應用,該系統(tǒng)能廣泛應用于電磁頻譜普查、查找干擾信號方位、無線臺站選址及維護等工程中。系統(tǒng)對環(huán)境中不同頻段的電磁頻譜分布測量進行信號方位測試，系統(tǒng)可車載和固定安裝。信號測向功能頻譜檢測功能電磁環(huán)境和熱電噪聲測試功能干擾信號判斷能力數(shù)據(jù)庫功能測量報表功能,電磁

29、環(huán)境綜合測試系統(tǒng),AV4063AX/AV4063X現(xiàn)場電磁頻譜檢測系統(tǒng),針對信息化時代的通信、武器裝備的具體特點，利用儀器設備，結(jié)合的計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、測試技術組成高度機動性的智能化電子情報收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能以地面、艦載或機載方式部署，可單獨使用，也可作為信號情報系統(tǒng)的一部分隨時部署到不同的電磁環(huán)境中執(zhí)行各種任務，可滿足陸海空三軍對陣地、艦艇、機場等目標區(qū)域以及無線電管理對城市區(qū)域?qū)嵤╇姶盘卣鳈z測的需要，也可為武器裝備電磁特征的

30、檢測提供重要手段。,具有高靈敏度、寬頻帶、大動態(tài)范圍和超寬分析帶寬的檢測功能。具有對信息設備的電磁泄漏信息檢測分析能力具有對計算機機電系信息設備電磁泄漏的視頻信息進行還原功能?？梢越庹{(diào)AM/FM信號。,寬帶電磁信息檢測系統(tǒng),用于在X波段和Ku波段，脈沖功率2000W狀態(tài)下，準確測量出雷達發(fā)射機輸出的脈沖功率、平均功率、脈沖波形和輸出效率等參數(shù),機載雷達發(fā)射機大功率測試系統(tǒng),主要用于解決衛(wèi)星有效載荷在生產(chǎn)過程、地面模擬實際空間工作環(huán)