設(shè)備管理_微波測試設(shè)備概述

第一章微波測試設(shè)備 微波測試設(shè)備 第一節(jié) 信號源第二節(jié) 信號檢測和顯示設(shè)備第三節(jié) 輔助元件第四節(jié) 系統(tǒng) 簡單說明 第一節(jié) 信號源 最基本的波形 正弦波 周期性矩形脈沖 88 一些調(diào)制波形 1 1 1振蕩信號源1 1 2掃頻信號源1 1 3綜合信號發(fā)生器 或合成信號源 1 1 1振蕩信號源 微波振蕩信號源 主要性能指標(biāo) 1 頻率范圍2 頻率準(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 頻率準(zhǔn)確度圖示 功率輸出及精確度圖示 頻譜純度圖示 實(shí)際應(yīng)用中一些性能指標(biāo)引起的一些問題 1 1 2掃頻信號源 常見的微波掃頻信號源 或振蕩器 1 變?nèi)荻O管電調(diào)振蕩器varactortunedoscillators VTO 2 YIG電調(diào)諧振蕩器YIGtunedoscillators YTO 3 反射速調(diào)管振蕩器4 返波管電調(diào)諧振蕩器 掃頻線性度 實(shí)際掃頻軌跡與理想軌跡的偏差 輸出功率平坦度 1 1 3綜合信號發(fā)生器 或合成信號源 頻率合成的方法主要有三種 a 直接頻率合成b 間接頻率合成c 直接數(shù)字頻率合成 a 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 b 間接頻率合成應(yīng)用鎖相環(huán)的頻率合成方法稱為間接頻率合成 鎖相頻率合成的基本框圖 c 直接數(shù)字頻率合成 DDS 是直接對參考正弦時鐘進(jìn)行抽樣 數(shù)字化 然后用數(shù)字計(jì)算技術(shù)和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號 實(shí)現(xiàn)頻率合成 在實(shí)際應(yīng)用中 可以采用上述幾種方法相結(jié)合的方式 來彌補(bǔ)單獨(dú)應(yīng)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì)方案 鎖相 倍頻結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源 鎖相 混頻結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源 多環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源方框圖 性能指標(biāo) 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 并達(dá)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(jì)算典型值為 f 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 相位噪聲的基本概念 相位噪聲是指信號源中 由各種隨機(jī)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(biāo) 是高穩(wěn)定度 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波小于1Hz一直延伸到幾兆赫茲 理想情況下 信號源輸出的信號是純的正弦波信號 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 純正弦信號的譜線 但是 在實(shí)際應(yīng)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A t 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 由于頻率是相位對時間的導(dǎo)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(jìn)行相位調(diào)制而產(chǎn)生 不純正弦信號的噪聲邊帶頻譜 37 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(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 信號邊帶中的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(jī)信號 稱作相位噪聲 信號源中的雜散分量一般是由電源紋波 機(jī)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)諧端對振蕩器的輸出信號進(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)諧端對輸出信號進(jìn)行調(diào)頻產(chǎn)生相位噪聲 38 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 通常用對數(shù)來表示 單位為dBc Hz fm 第二節(jié) 信號檢測和指示 顯示 設(shè)備 1 2 1 檢波器1 2 2 功率檢測1 2 3 功率計(jì)1 2 4 頻譜分析儀1 2 5 噪聲系數(shù)分析儀 1 2 1 檢波器 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 接頭形式檢波器主要作用 微波檢波器應(yīng)用舉例 1 2 2 功率檢測 a 熱電偶b 電阻測輻射熱儀 a 熱電偶 用于準(zhǔn)確測量溫度的熱電子元件 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) 對功率大小進(jìn)行檢測 正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù) 1 2 3 功率計(jì) 功率探頭功率測量儀 一些傳感器具有代表性的檢測功率范圍 70dBm 20dBm 30dBm 20dBm 17dBm 35dBm 10dBm 35dBm 微波功率計(jì)根據(jù)所測信號的不同分為連續(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 1 2 4 頻譜分析儀 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(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) 輔助元件 1 3 1 衰減器1 3 2 定向耦合器1 3 3 槽線1 3 4 調(diào)制器1 3 5 校準(zhǔn)件 1 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) a 固定衰減器 給定衰減量 計(jì)算電阻值 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 連續(xù)可調(diào)衰減器 性能指標(biāo) 衰減范圍 損耗 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 還有損耗 1 3 2 定向耦合器 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 蘭格耦合器和平行耦合線耦合器 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 定向耦合器的應(yīng)用 1 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(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 矩形波導(dǎo)測量線 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) 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(qiáng)度成比例的感應(yīng)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(jì)等來指示 矩形波導(dǎo)測量線示意圖 1 3 4 調(diào)制器 許多微波測試應(yīng)用中經(jīng)常需要調(diào)制信號 特別是通信