電子科大微波測量第二部分測量用信號源課件

第二部分測量用信號源微波信號源微波測量用信號源主要指產生微波正弦振蕩的各種微波信號發(fā)生器信號源的種類和用途簡易信號發(fā)生器

頻率可調，最大輸出功率至少達mW級，并能連續(xù)衰減，輸出的微波振蕩至少能用一種低頻方波進行開關式調幅功率信號發(fā)生器

輸出功率達1W以上的簡易微波信號源標準信號發(fā)生器

頻率和功率可細調，屏蔽良好，可采用不同的調制方式，調制度可變并能讀數(shù)微波電子器件，微波半導體器件，機械調諧，電子調諧，電控或磁控調諧（變容管和YIG）,點頻工作方式，掃頻工作方式，步進式或數(shù)字式掃頻，頻率合成式信號發(fā)生器（兼有頻率合成和寬帶掃頻特色的高穩(wěn)定度掃頻源）微波振蕩器分為以下幾類:晶體三極管振蕩器

雙極晶體管(BJT)用于1GHz---3GHz范圍內,成本低,性能穩(wěn)定.

場效應晶體管(MESFET)用于2GHz---40GHz范圍內.

異質結雙極晶體管(HBT)用于2GHz---40GHz范圍內,相位噪聲比較低.

為改善頻率穩(wěn)定性,晶體三管的諧振電路常采用介質諧振器做穩(wěn)頻電路.基本微波信號發(fā)生器的框圖電子流與電場的能量交換

任何微波振蕩器的基本任務是要借助運動著的電子，將直流電源的能量轉換為微波能量，以達到產生振蕩的目的。要將電子進行密度調制，將均勻分布的電子變成群聚電子塊，才能實現(xiàn)利用電子將直流電源的能量轉換為微波能量。電子流與場相互作用

電子流與場相互作用當時,電子在間加速,電源將能量交給電子當時,電子在間減速,電源將能量交給電子使電子成為電子群,并在電源的負半周最大值時通過的間隙,電子流與電源能量交換得最有效.燈塔管振蕩器P：板極G:柵極K:陰極（三個電極為平行的平面狀，減小渡越時間，減小引線電感）頻率可達4G，功率可達瓦級（5瓦）反射速調管結構示意圖

群聚原理電子往返渡越時間:N=（n+3/4）個振蕩周期（n為任意正整數(shù)）固態(tài)微波振蕩器

耿氏管

1963年耿氏在實驗中發(fā)現(xiàn)：在一塊N型砷化鎵晶體的兩端安置歐姆接觸電極，在電極上加直流電壓，當外加電壓使砷化鎵材料內的電場大于3KV/CM時，產生了微波振蕩，振蕩頻率與電極間的距離成反比。沒有P—N，因此稱為體效應管，可用電子轉移理論來解釋，亦稱為轉移電子器件。當外加電壓達到一定的值時，出現(xiàn)電壓增大，電流減小的負阻區(qū)域，是一種負阻器件，工作時所加偏壓應處于負阻區(qū)中央。I-V曲線上出現(xiàn)負阻區(qū)域

雪崩二極管振蕩器（IMPATT管）在時，雪崩開始時，雪崩過程逐漸增強時，繼續(xù)維持雪崩過程，并逐漸減弱：雪崩電流，呈指數(shù)增長和衰落的脈沖電流，落后于v(t)的相位雪崩電流注入到I層，載流子以飽和漂移速度移動，漂移區(qū)可以看成是一個平板電容，雪崩電流在兩平板間運動，從而在外電路形成感應電流感應電流落后于微波電壓的相位為這就是雪崩二極管負阻效應的來源。引起振蕩的外加微波電壓是管子內部微小電壓波動產生的。雪崩二極管的漂移區(qū)特征頻率為這個頻率的微小電壓波動將不斷增強構成自激振蕩，一般為20G,高頻可到100G.

雪崩二極管振蕩器有同軸型、波導型和微帶型。管子可工作于連續(xù)波和脈沖狀態(tài)。最但特點是能工作到很高的毫米波段而有相當大的功率輸出，缺點是比耿氏管的噪聲高，調諧范圍較窄。PIN調制器PIN是一種特殊的二極管，在P區(qū)和N區(qū)中間有一層極薄的幾乎為純半導體的I區(qū)（本征區(qū)）。管子加反向偏壓時：I區(qū)的空穴和電子被吸走而成為空乏層，管子具有很大的電阻，同時具有低低哪容、低損耗和耐高壓。管子加正向偏壓時：P區(qū)和N區(qū)將空穴和電子注入I層，管子具有很低的電阻，最低能小于1歐姆，接近短路。使PIN管在正反兩個偏置狀態(tài)之間轉換，可作為有效的開關。PIN管漸變多管陣列通過式PIN管調制器微波信號發(fā)生器的性能特性一、頻率特性1.頻率范圍2.頻率準確度和分辨率3.頻率穩(wěn)定度4.頻率純度二、輸出特性1.輸出電平2.屏蔽的嚴密性3.幅度穩(wěn)定性和均勻性三、調制特性：包括調制種類、調制信號特性、調制指數(shù)、調制失真等。為保證改變頻率時輸出的幅度不變，必須要求穩(wěn)幅環(huán)路中信號取樣器的耦合度和檢波器的靈敏度在工作頻帶內的頻率響應平坦。采用定向耦合器的另一個優(yōu)點是能顯著改善穩(wěn)幅源輸出端內的有效反射系數(shù)。因為它對負載的入射波取樣，負載的反射波對穩(wěn)幅幾乎沒產生影響，但當負載反射波被原來時失配的信號源再反射回來，變會被耦合出來產生穩(wěn)幅作用，使輸出幅度不會因為源的反射而變壞。定向耦合器輸入端輸出端輔助端耦合系數(shù)：輸入功率對輔助端口的功率以分貝表示的比值。方向性：表明一個定向器件能夠分離反向行波的良好程度?；ㄦi相環(huán)穩(wěn)定度：10-6~10-9鎖相穩(wěn)頻采樣式諧波鎖相環(huán)工作原理說明組成電子槍——微波信號的能量來源聚焦裝置——約束電子束的發(fā)散慢波系統(tǒng)——減慢電磁波速度收集極——用以形成回路，回收電子螺旋形傳輸線是最常用的慢波結構電磁波以光速沿著螺旋線傳輸時，每走一圈在軸向才前進一個螺距，故在軸向形成慢波。電磁慢波系統(tǒng)的最大特點是電磁波在其中傳播時的相速小于自由空間的光速，而在普通波導或同軸線中電磁波的相速則大于光速。微波電子管中高速運動的電子，根據(jù)相對論原理，其速度小于光速，為了使管內的電子與傳輸系統(tǒng)中的電磁波的相速同步，這就要求滿足的條件，只有這樣，才能使電子注于電磁波有效相互作用并交換能量。返波管的主要優(yōu)點是在很寬的頻率范圍內能夠實現(xiàn)連續(xù)的快速電調諧，當改變慢波線電壓時，電子注的速度將隨之改變，振蕩頻率也隨之改變。當返波管的慢波線尺寸確定后，振蕩頻率就決定于電子注的電壓。特點：掃頻范圍寬，可達幾個倍頻程；掃頻線性度好，不需要采用任何線性度措施，可優(yōu)于0.5%;YIG小球等效為無源諧振器，Q值高（無載Q值可到105）、穩(wěn)定性好，壽命長，可靠性高；一、基本單頻段結構及頻段變換1.掃頻發(fā)生器（對振蕩器進行電調諧）產生幅度可變的周期性鋸齒波電壓或電流進行所需寬度的頻率掃描。2.多用途PIN調制器可以接受內部或外部的自動穩(wěn)幅信號，經差分放大器對輸出掃頻信號進行穩(wěn)幅，同時在放大器另一端上作穩(wěn)幅電平調節(jié)。不同頻段的掃頻發(fā)生器的差別主要在于電調諧振蕩器及其連帶的PIN調制器等高頻部件的工作頻率范圍不同，其他部件可共用或簡單調整后共用。微波掃頻發(fā)生器的組成基本單頻段結構掃頻信號源二、差頻式寬帶結構通常采用外差式方案構成寬帶掃頻發(fā)生器?；祛l器工作原理振蕩器頻率為2.2GHz，則本振為2.3—4.2GHz，，于是輸出可在0.1—2.0GHz，連續(xù)掃變（利用差頻輸出）根據(jù)混頻原理，只要令固定頻率振蕩器的電平遠低于掃頻本振的電平，則差頻信號的幅度便由定頻振蕩的幅度決定。掃頻過程中差