1、,微波測(cè)量儀器,微波測(cè)試設(shè)備,Network Analyzer Basics,信號(hào)發(fā)生器(或信號(hào)源) 顯示設(shè)備和信號(hào)檢測(cè) 輔助元件 系統(tǒng)(簡單說明),信號(hào)源,信號(hào)源可以產(chǎn)生產(chǎn)生正連續(xù)弦波，此圖中為理想正弦波,Voltage,Time,Voltage,Frequency,RF,Microwave,Millimeter,20-50 GHz,300 GHz,3-6 GHz,Spectrum Analyzer,Oscilloscope,信號(hào)源,RF,Microwave,Millimeter,20-50 GHz,300 GHz,3-6 GHz,可以產(chǎn)生脈沖波,信號(hào)源,產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),信號(hào)源,信號(hào)源是信號(hào)的

2、發(fā)生裝置，信號(hào)具備可感知和描述的特征 賦予和測(cè)量信號(hào)的特征參量的目的是為了獲取或傳遞信息 正弦信號(hào)易于產(chǎn)生控制利用，正弦函數(shù)便于數(shù)學(xué)分析計(jì)算 時(shí)域表達(dá)清晰直觀具體真實(shí)，頻域描述抽象分解唯理唯相,微波信號(hào)源功能與構(gòu)成,一個(gè)微波振蕩器，配以必要的控制驅(qū)動(dòng)電路，就構(gòu)成了最基本的信號(hào)源。不同的應(yīng)用，對(duì)信號(hào)源的輸出有不同的特性要求。信號(hào)源的設(shè)計(jì)，就是圍繞振蕩器，施加不同的控制處理電路，滿足不同應(yīng)用需求的過程。,普通信號(hào)發(fā)生器,有直流偏置電壓及微波輸出接口。 其中振蕩器可能是反射速調(diào)管（klystron）YIG振蕩器、壓控振蕩器，甚至也可是機(jī)械調(diào)節(jié)腔體振蕩。,普通信號(hào)發(fā)生器,在微波信號(hào)輸出前加上可變衰減器

3、，可以通過選擇合適的可變衰減器控制輸出信號(hào)功率范圍 當(dāng)衰減器值改變時(shí)可能引起頻率改變（頻率牽引）,？,普通信號(hào)發(fā)生器,可以隔離衰減器值變化引起的振蕩器頻率變化，增加可靠性！,普通信號(hào)發(fā)生器,為保證輸出信號(hào)穩(wěn)定度，我們對(duì)可變衰減器進(jìn)行自動(dòng)增益控制，這樣，就算振蕩源本身幅度不穩(wěn)定，也可以保證通過控制衰減器的衰減量來控制微波信號(hào)輸出幅度穩(wěn)定,定向耦合或分支電橋等方式,定向耦合或分支電橋等方式,信號(hào)源,帶調(diào)幅、調(diào)頻、方波及脈沖等信號(hào)的信號(hào)源,振蕩源,YTO,ALC,ALC是自動(dòng)電平控制（Auto Level Control）系統(tǒng)的簡稱 ALC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率輸出的精確穩(wěn)定控制 ALC實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)幅控制和脈

4、沖驅(qū)動(dòng)控制,頻率合成,頻率合成是指利用物理方法實(shí)現(xiàn)頻率的數(shù)學(xué)運(yùn)算 頻率合成包括相干合成和非相干合成兩大類 相干合成包括直接合成和間接合成兩種形式 直接合成包括分頻、倍頻、混頻、取樣和數(shù)字直接合成 間接合成主要是指鎖相環(huán)（PLL）頻率合成,DDS,循環(huán)展開,低通濾波,鎖相環(huán),Fr = Fv = TFo = Fo = T-1Fv = T-1Fr,調(diào)頻與小數(shù)環(huán),調(diào)相,調(diào)頻,積分,微分,中心頻率,N.F,N+ N,DC FM,N.F(t),掃頻速度,N.F/ t,微波信號(hào)源的基本形式,掃源,合成源,合成掃源,掃源,合成源,合成掃源,合成源,典型框圖,典型特征,信號(hào)源,由于工程和技術(shù)的原因，微波信號(hào)往往

5、是在頻域表達(dá)的 根據(jù)微波的正弦表達(dá)式，信號(hào)具有幅度頻率和相位特性 實(shí)際的微波信號(hào)其正弦表達(dá)式的每一個(gè)因子都是時(shí)變的 根據(jù)信號(hào)特征的變化，微波信號(hào)可以調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相 在線性系統(tǒng)中，調(diào)頻和調(diào)相是可以互相轉(zhuǎn)化的表達(dá)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,微波信號(hào)特征參數(shù),信號(hào)源頻率特性指標(biāo),頻率范圍（Range）：決定了信號(hào)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(gè)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(zhǔn)后的使用時(shí)間長短。,1.頻率范圍 2.頻

6、率準(zhǔn)確度和分辨力 3.頻率穩(wěn)定度 4.頻譜純度 5.射頻輸出功率 6.射頻輸出功率準(zhǔn)確度 7.最大輸出功率 8.調(diào)制特性,理想情況下，信號(hào)源輸出的信號(hào)是完純的正弦波信號(hào)，可用式表示如下：,這樣的信號(hào)在頻域中表現(xiàn)為一根信號(hào)譜線,Voltage,Time,Voltage,Frequency,Spectrum Analyzer,Oscilloscope,Voltage,Frequency,Uncertainty,EXAMPLE Accuracy = =CW frequency = 1 GHz =aging rate = 0.152 ppm/year =time since last calibrat

7、ed = 1 year,*,*,頻率范圍Range: Range of frequencies covered by the source 分辨力Resolution: Smallest frequency increment. 準(zhǔn)確度Accuracy: How accurately can the source frequency be set.,信號(hào)源指標(biāo)說明 .Frequency,ppm:part per million 百萬分之一,信號(hào)源指標(biāo)說明 .Amplitude,DUT,Source protected from accidental transmission from DUT,

8、Voltage,Frequency,How accurate is this number?,What is P out?,What is P out?,max,min,范圍Range (-136dBm to +13dBm) 準(zhǔn)確度Accuracy (+/- 0.5dB) 分辨力(0.02dB) 開關(guān)速度Switching Speed (25ms) 反向功率保護(hù)Reverse Power Protection,信號(hào)源的頻譜純度,信號(hào)源都只能由非理想條件下的元器件，部件組成，這些非理想的元器件會(huì)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

9、散信號(hào)Spurious,non-harmonic spur 65dBc,harmonic spur 30dBc,CW output,Residual FM is the integrated phase noise over 300 Hz - 3 kHz BW,phase noise,0.5 f0 f0 2f0,sub-harmonics,信號(hào)源的頻譜純度,信號(hào)源中放大器幅輸入看成： vo(t) =a1 vi(t) + a2 vi2(t) + a3 vi3(t) + . 即vo(t) = a1 sin(wt) + a2 sin2(wt) + a3 sin3(wt) + . =a2/2 + a1

10、 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(dá)到30 dB以上，除了諧波以外，還可以產(chǎn)生其他的一些頻率成飛，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(hào)源中，由各種隨機(jī)噪聲所引起的輸出信號(hào)瞬時(shí)頻率或相位的起伏，它表征的是信號(hào)源輸出頻率的短期穩(wěn)定性指標(biāo)，是高穩(wěn)定度高、高純度頻率源的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴(kuò)展，其范圍可以從偏離載

11、波小于1Hz一直延伸到幾兆赫茲。,信號(hào)源指標(biāo) . 頻譜純度Spectral Purity: 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 dBc/Hz,但是，在實(shí)際應(yīng)用中，所有信號(hào)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(hào)可表示為 ：,通常情況下，信號(hào)源的輸出中都有幅度

12、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(jì)。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(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，因此研究瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度問題歸結(jié)為研究瞬時(shí)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(gè)相位調(diào)制邊帶又是由一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制而產(chǎn)生。,相位噪聲的來源,通常情況下，信號(hào)源的相位起伏同時(shí)具有隨機(jī)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(hào)邊帶中的為離散分布的信號(hào)稱作雜散分量，另外一種為連續(xù)分布的隨機(jī)信號(hào)，稱作相位噪聲。 信號(hào)源中

13、的雜散分量一般是由由電源紋波、機(jī)械振動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部鑒相信號(hào)的泄漏或其它電路的信號(hào)竄擾，通過振蕩器的供電端或調(diào)諧端對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)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(jī)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(jī)噪聲(如電阻產(chǎn)生的熱噪聲、半導(dǎo)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(jī)噪聲，也可以通過振蕩器的供電端或調(diào)諧端對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻產(chǎn)生相位噪聲。,頻譜分析儀上顯示的信號(hào)源相位噪聲,單邊帶相位噪聲的定義,信號(hào)源中，由于相位噪聲的存在，在頻域中，輸出信號(hào)的譜線是以調(diào)制邊帶的形式連續(xù)地分布在載波的兩邊，是雙邊帶的，并以載波頻率f

14、0為中心對(duì)稱。通常分析問題時(shí)，只取其中一個(gè)邊帶就可以了，把這一個(gè)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(gè)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(duì)于載波1Hz帶寬的對(duì)數(shù)來表示，單位為dBc/Hzfm。,第二節(jié):顯示設(shè)備和信號(hào)檢測(cè),2.2.1.檢波器 2.2.2.功率檢測(cè) 2.2.3.功率計(jì) 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 informat

15、ion),39,微波檢波器的基本結(jié)構(gòu),主要性能指標(biāo) 頻率范圍,頻率響應(yīng),靈敏度,端口阻抗,最大輸入功率,極性,VSWR,接頭形式,41,微波檢波器應(yīng)用舉例:,2.2.2.功率檢測(cè),a) 熱電偶 b) 電阻測(cè)輻射熱儀,a) 熱電偶,用于準(zhǔn)確測(cè)量溫度的熱電子元件,尤指一個(gè)熱電子元件,由兩種連在一起的不同金屬組成,這樣連接點(diǎn)間產(chǎn)生的電壓變化就是兩點(diǎn)間溫度差異的量度.,b) 電阻測(cè)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(yīng),對(duì)功率大小進(jìn)行檢測(cè). 正溫度系數(shù) 副溫度系數(shù),2.2.3.功率計(jì),功率探頭 功率測(cè)量儀,46,一些傳感器具有代表性的檢測(cè)功率范圍： -70dBm -20dBm

16、 -30dBm +20dBm -17dBm +35dBm -10dBm +35dBm,微波功率計(jì)根據(jù)所測(cè)信號(hào)的不同分為連續(xù)波功率計(jì)和脈沖功率計(jì). 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 Range Accuracy: Frequency & Amplitude Resolution Sensitivity Distortion Dynamic 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(cè)試儀,a)噪聲源 b)噪聲系數(shù)計(jì),噪聲源有很多不同的種類,通常應(yīng)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

17、助元件,2.3.1:衰減器 2.3.2:定向耦合器 2.3.3:槽線 2.3.4:調(diào)制器 2.3.5:校準(zhǔn)件,隔離器,混頻器,54,2.3.1:衰減器,a) 固定衰減器 b) 可變衰減器 連續(xù)可變 步進(jìn),55,a) 固定衰減器(給定衰減量,計(jì)算電阻值),56,性能指標(biāo),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(jìn)衰減器,57,連續(xù)可調(diào)衰減器,性能指標(biāo):衰減范圍,步進(jìn)衰減器,在一定范圍內(nèi)按固定值遞增,主要采用開關(guān)和固定衰減器相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì) 性能指標(biāo):步進(jìn)及衰減范圍,59,2.3.2:定向耦合器,60,定向耦合器有很多不同的結(jié)構(gòu),其中最常見的是支線耦合器,蘭格耦合

18、器和平行耦合線耦合器,61,基本的定向耦合器和雙向定向耦合器的示意圖,性能指標(biāo),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,63,定向耦合器的應(yīng)用,2.3.3:槽線(測(cè)量線):主要用來測(cè)量VSWR,和波長等參數(shù).按傳輸線的結(jié)構(gòu)來分,主要有波導(dǎo)式同軸式,主要包含三部分:開槽線,耦合指示器傳動(dòng),矩形波導(dǎo)測(cè)量線,66,矩形波導(dǎo)測(cè)量線示意圖,67,68,波導(dǎo)開槽線:它是在矩形波導(dǎo)寬邊的中央開一條嚴(yán)格平行于縱向軸線的長條槽縫構(gòu)成的,是與待測(cè)元件連接的一段波導(dǎo)傳輸線. 耦合指示機(jī)構(gòu) 它由探針,調(diào)諧腔體,晶體檢波器和指示設(shè)備構(gòu)成.探針通過波導(dǎo)的槽縫伸進(jìn)波導(dǎo)內(nèi),

19、與所在位置的電場(chǎng)發(fā)生耦合,在探針上產(chǎn)生與該處電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),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(jì)等來指示.,69,1.VSWR=Vmax/Vmin 2.兩個(gè)最高點(diǎn)或最低點(diǎn)間的距離是半個(gè)波長,70,2.3.4:調(diào)制器,許多微波測(cè)試應(yīng)用中經(jīng)常需要調(diào)制信號(hào),特別是通信方面,比如幅度調(diào)制,脈沖調(diào)制等,71,2.3.5:校準(zhǔn)件,為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試前必須校掉系統(tǒng)誤差,這樣的測(cè)試結(jié)果才是可信的.,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)件,72,第四節(jié):系統(tǒng),73,Agilent 8363B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,吸波材料測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用,采用弓形框法測(cè)量不同方向電磁波照射情況下，被測(cè)材料吸波特性 ，滿足隱身材料吸波特性測(cè)試的要求。,75,76,77,T/R組件測(cè)試系統(tǒng),用于機(jī)載雷達(dá)罩插入相位精密測(cè)量，用于雷達(dá)罩生產(chǎn)過程相位均勻性監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)、出廠最終檢驗(yàn)測(cè)試。,雷達(dá)罩插入相位測(cè)試系統(tǒng),天線測(cè)