微波测量仪器和系统演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Copyright 2000,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微波测量仪器,微波测试设备,Network Analyzer Basics,信号发生器,(,或信号源,),显示设备和信号检测,辅助元件,系统,(,简单说明,),信号源,信号源可以产生产生正连续弦波，此图中为理想正弦波,Voltage,Time,Voltage,Frequency,RF,Microwave,Millimeter,20-50 GHz,300 GHz,3-6 GHz,Spectrum Analyzer,Oscilloscope,信号源,RF,Microwave,Millimeter,20-50 GHz,300 GHz,3-6 GHz,可以产生脉冲波,信号源,产生调制信号,信号源,信号源是信号的发生装置，信号具备可感知和描述的特征,赋予和测量信号的特征参量的目的是为了获取或传递信息,正弦信号易于产生控制利用，正弦函数便于数学分析计算,时域表达清晰直观具体真实，频域描述抽象分解唯理唯相,微波信号源功能与构成,一个微波振荡器，配以必要的控制驱动电路，就构成了最基本的信号源。不同的应用，对信号源的输出有不同的特性要求。信号源的设计，就是围绕振荡器，施加不同的控制处理电路，满足不同应用需求的过程。,微波,振荡源,稳幅,功率准确度,功率稳定度,功率平坦度,功率分辨率,信号源驻波,扫描,模拟扫,步进扫,列表扫,锁滚扫,合成扫,功率扫,合成,准确 稳定 捷变 高纯 高分辨率,调制,脉冲调制 调幅 调频 调相 组合调制,I/Q,调制,普通信号发生器,有直流偏置电压及微波输出接口。,其中振荡器可能是反射速调管（,klystron,）,YIG,振荡器、压控振荡器，甚至也可是机械调节腔体振荡。,普通信号发生器,在微波信号输出前加上可变衰减器，可以通过选择合适的可变衰减器控制输出信号功率范围,当衰减器值改变时可能引起频率改变（频率牵引）,？,普通信号发生器,可以隔离衰减器值变化引起的振荡器频率变化，增加可靠性！,普通信号发生器,为保证输出信号稳定度，我们对可变衰减器进行自动增益控制，这样，就算振荡源本身幅度不稳定，也可以保证通过控制衰减器的衰减量来控制微波信号输出幅度稳定,定向耦合或分支电桥等方式,定向耦合或分支电桥等方式,信号源,带调幅、调频、方波及脉冲等信号的信号源,振荡源,A,F,振荡器模型,|AF|1,AF=2n,常用的振荡器,VCXO,压控晶振,DRO,介质振荡器,VTO,（,VCO,）,压控振荡器,YTO,YIG,振荡器,OCXO,恒温晶振,频率单一,频谱纯净,稳定度好,频率微调,频谱纯净,稳定度较好,频率单一,频谱较净,稳定度较好,调谐范围较大,频谱一般,稳定度一般,调谐范围很宽,频谱一般,稳定度一般,YTO,高频扫描,主线圈驱动,低频调制,高频调制,低频大电流发生器,频谱分离,高频电流发生器,扫速切换,扫描发生器,Y T O,频率预置,调频输入,微波输出,副线圈驱动,低频扫描,扫宽预置,H,H1,H2,H,=H,H1,H2,main,FM,ALC,ALC,是自动电平控制（,Auto Level Control,）,系统的简称,ALC,实现系统功率输出的精确稳定控制,ALC,实现精确的调幅控制和脉冲驱动控制,输出模件,输出,定向耦合器,检波器,调制模件,主振,线性调制器,脉冲调制器,差分放大器,取样保持,求和,延时,比较器,检波范围,调制脉冲,调幅信号,温度补偿,平坦度补偿,电平控制,频率合成,频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算,频率合成包括相干合成和非相干合成两大类,相干合成包括直接合成和间接合成两种形式,直接合成包括分频、倍频、混频、取样和数字直接合成,间接合成主要是指锁相环（,PLL,）频率合成,数字合成,DDS,相位累加器,相位寄存器,D/A,低通滤波,锁相合成,相位负反馈,鉴频,鉴相器,环路滤波器,VCO,直接合成,混频（加、减）,倍频（乘）,分频（除）,滤波,频率合成,非相干合成,相干合成,DDS,累加器,寄存器,cos,D/A,LPF,循环展开,低通滤波,锁相环,Fo,Fr,频率参考,鉴频鉴相器,环路滤波器,调谐振荡器,反馈网络,(,),Fv,Fr=Fv=TFo =Fo=T,-1,Fv=T,-1,Fr,f,OUT,PD,LPF,VCO,f,REF,f,OUT,=N,f,REF,N,f,OUT,=N,f,LO,+f,REF,PD,LPF,VCO,N,f,REF,f,OUT,f,LO,f,I,相噪,频偏,振荡器,自由噪声,频率参考,等效噪声,锁相输出,实际噪声,低通滤波,增益带宽,调频与小数环,Fo,Fr,频率参考,鉴频鉴相器,环路滤波器,调谐振荡器,反馈网络,(,),Fv,调相,调频,积分,微分,Fo,Fr,频率参考,鉴频鉴相器,环路滤波器,调谐振荡器,(N+,N),Fv,中心频率,N.F,N+,N,DC FM,N.F(t),扫频速度,N.F/t,微波信号源的基本形式,扫源,合成源,合成扫源,扫源,电源,扫描发生器,微波主振,调制驱动器,调制组件,ALC,系统,输出组件,主振驱动,合成源,电源,频率合成器,微波主振,调制驱动器,调制组件,ALC,系统,输出组件,主振驱动,PLL,时基,合成扫源,Fv,Fr,Fl,时基,参考发生器,中频环,鉴相器,求和,环路滤波器,本振环,取样器,带通,/,隔离,微波主振,M,FM,Fo,IF,环路滤波器,取样保持,求和,调谐振荡器,中频参考,频率预置,Fo,Fv,Fl,鉴相器,计数器,扫描发生器,取样器,本振,Fr,合成源,典型框图,参,考,环,中频环,本振环,YTO,YO,驱动,取样,调制器,开关,倍频滤波,耦合,检波器,扫频控制,鉴相,调制信号发生器,ALC,下变频,CPU,电源,调制,驱动,恒温,时基,外调制输入,内调制输出,内参考,输出,外参考,输入,射频,输出,典型特征,合成源,微波扫源,智能微波合成扫源,10M-20GHz,准确、稳定、纯净、精密,宽带、连续、准确、灵活,稳幅、调制,自检测、自诊断、自维护、自适应,双层恒温不断电时基,简洁的频率合成方案,低噪声微波信号输出,高分辨率小数分频环,快速步进与列表扫频,锁滚与锁相跟踪扫频,智能扫频准确度校准,可平移同步功率扫描,连续频率覆盖,支持同轴扩频,支持波导扩频,智能频段切换,友好菜单界面,标准程控命令,自动系统支持,智能诊断维护,前馈式自动稳幅系统,AM,、,FM,、,PM,、,峰值搜索与频响补偿,集成微波电路射频舱,信号源,由于工程和技术的原因，微波信号往往是在频域表达的,根据微波的正弦表达式，信号具有幅度频率和相位特性,实际的微波信号其正弦表达式的每一个因子都是时变的,根据信号特征的变化，微波信号可以调幅、调频和调相,在线性系统中，调频和调相是可以互相转化的表达形式,在非线性系统中，调幅和调频调相可以有条件互相转化,u,（,t,）,=A,0,+A,（,t,）,cos,（,0,+,（,t,）,）,t+,（,0,+,（,t,）,）,调幅,调频,调相,A,（,）,谐波,寄生,实际信号,理想信号,分谐波,谱密度,微波信号特征参数,信号源频率特性指标,频率范围,（,Range,）：决定了信号源能够提供的输出频率范围,分辨率,（,resolution,）：分辨率决定频率能够变化的最小步长,精度,（,accuracy,）是精度受连个方面的影响：仪器参考振荡频率（,reference oscillator,）及目前离最后一次校准后的使用时间长短。,1.,频率范围,2.,频率准确度和分辨力,3.,频率稳定度,4.,频谱纯度,5.,射频输出功率,6.,射频输出功率准确度,7.,最大输出功率,8.,调制特性,理想情况下，信号源输出的信号是完纯的正弦波信号，可用式表示如下：,这样的信号在频域中表现为一根信号谱线,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 calibrated=1 year,+,_,f,CW,t,aging,cal,t,*,*,f,CW,t,aging,cal,t,Accuracy=152 Hz,+,_,频率范围,Range:Range of frequencies covered by the source,分辨力,Resolution:Smallest frequency increment.,准确度,Accuracy:How accurately can the source frequency be set.,信号源指标说明,.Frequency,ppm:part per million 百万分之一,信号源指标说明,.Amplitude,DUT,Source protected from accidental transmission from DUT,Voltage,Frequency,How accurate is this number?,What is P out?,What is P out?,max,min,范围,Range(-136dBm to+13dBm),准确度,Accuracy(+/-0.5dB),分辨力,(0.02dB),开关速度,Switching Speed(25ms),反向功率保护,Reverse Power Protection,信号源的频谱纯度,信号源都只能由非理想条件下的元器件，部件组成，这些非理想的元器件会引入相位噪声和我们非常讨厌的失真。,相位噪声,Phase Noise,残余调频,Residual FM,杂散信号,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,f,0,f,0,2,f,0,sub-harmonics,信号源的频谱纯度,信号源中放大器幅输入看成：,v,o,(t)=a,1,v,i,(t)+a,2,v,i,2,(t)+a,3,v,i,3,(t)+.,即,v,o,(t)=a,1,sin(wt)+a,2,sin,2,(wt)+a,3,sin,3,(wt)+.,=a,2,/2+a,1,sin(wt)+3a,3,/4 sin(wt)+a,2,/2 sin(2wt)+a,3,/4 sin(3wt)+.,由于放大器的非线性特性，产生了二次、三次以及更高次的谐波，典型的二次谐波功率与基波功率可以达到,30 dB,以上，除了谐波以外，还可以产生其他的一些频率成飞，比如，只有偏置电压引入，这些其他非谐波的频率成份和基波相比大约又,65dB,以上的差距,相位噪声的基本概念,相位噪声是指信号源中，由各种随机噪声所引起的输出信号瞬时频率或相位的起伏，它表征的是信号源输出频率的短期稳定性指标，是高稳定度高、高纯度频率源的一项十分重要的指标。由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于,1Hz,一直延伸到几兆赫兹。,信号源指标,.,频谱纯度,Spectral Purity:,相位噪声,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，在实际应用中，所有信号源的输出都存在着不稳定性，即存在着幅度、频率或相位的起伏，这样的不纯信号可表示为,：,通常情况下，信号源的输出中都有幅度变化,，它不直接造成频率起伏或相位起伏，在这里可以忽略不计。这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。由于频率是相位对时间的导数，因此研究瞬时频率稳定度问题归结为研究瞬时相位起伏的问题。在频域用频谱分析仪观察，相位噪声表现为噪声边带连续地分布在载波频率的上下两边，如图所示。频域表示的相位噪声可以简单地看作是无限数目的相位调制边带，每一个相位调制边带又是由一个低频信号对载波进行相位调制而产生。,相位噪声的来源,通常情况下，信号源的相位起伏同时具有随机的或离散的特性，用频谱分析仪观察的结果如图所示。其中，信号边带中的为离散分布的信号称作杂散分量，另外一种为连续分布的随机信号，称作相位噪声。,信号源中的杂散分量一般是由由电源纹波、机械振动或系统内部鉴相信号的泄漏或其它电路的信号窜扰，通过振荡器的供电端或调谐端对振荡器的输出信号进行调频产生的，这种杂散的分布一般情况下具有一定的规律性。另外一种呈随机分布的相位噪声通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声,(,如电阻产生的热噪声、半导体器件所产生的散弹噪声和闪烁噪声等,),引起的。其它电路所产生的随机噪声，也可以通过振荡器的供电端或调谐端对输出信号进行调频产生相位噪声。,频谱分析仪上显示的信号源相位噪声,单边带相位噪声的定义,信号源中，由于相位噪声的存在，在频域中，输出信号的谱线是以调制边带的形式连续地分布在载波的两边，是双边带的，并以载波频率,f,0,为中心对称。通常分析问题时，只取其中一个边带就可以了，把这一个边带称为单边带,(SSB),相位噪声，用,L(fm),表示，如图所示,(a),相位噪声边带,(b),单边带相位噪声,L(fm),单边带相位噪声的定义为偏离载波频率,fm,赫兹处，在,1Hz,带宽内，一个相位调制边带的功率,PSSB,与总功率,PS,之比,即,L(fm),通常用相对于载波,1Hz,带宽的对数来表示，单位为,dBc/Hzf,m,。,第二节,:,显示设备和信号检测,2.2.1.,检波器,2.2.2.,功率检测,2.2.3.,功率计,2.2.4.,频谱分析仪,2.2.5.,噪声系数分析仪,2.2.1.,检波器,Scalar,broadband,(no phase information),Diode,DC,AC,RF,微波检波器的基本结构,主要性能指标,频率范围,频率响应,灵敏度,端口阻抗,最大输入功率,极性,VSWR,接头形式,微波检波器应用举例,:,2.2.2.,功率检测,a),热电偶,b),电阻测辐射热仪,a),热电偶,用于准确测量温度的热电子元件,尤指一个热电子元件,由两种连在一起的不同金属组成,这样连接点间产生的电压变化就是两点间温度差异的量度,.,b),电阻测辐射热仪,利用某些温度敏感元件的电阻随所加的功率大小而变化的效应,对功率大小进行检测,.,正温度系数,副温度系数,2.2.3.,功率计,功率探头,功率测量仪,一些传感器具有代表性的检测功率范围：,-70dBm -20dBm,-30dBm +20dBm,-17dBm +35dBm,-10dBm +35dBm,微波功率计根据所测信号的不同分为连续波功率计和脉冲功率计,.,根据读数显示形式可以分为模拟式和数字式,.,2.2.4.,频谱分析仪,8563A,SPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz,RF Input,Numeric,keypad,Control functions,(RBW,sweep time,VBW),Primary functions,(Frequency,Amplitude,Span),Softkeys,8563A,SPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz,Frequency Range,Accuracy:Frequency&Amplitude,Resolution,Sensitivity,Distortion,Dynamic Range,扫频超外差式频谱仪的原理方框图,3 dB,3 dB BW,LO,Mixer,IF,Filter,/,Resolution Bandwidth Filter(RBW),Sweep,Detector,Input,Spectrum,Display,RBW,2.2.5.,噪声系数测试仪,a),噪声源,b),噪声系数计,噪声源有很多不同的种类,通常应用的噪声源分为三种类型,:,热,/,冷噪声源,固态噪声源,气体放电噪声源,第三节,:,辅助元件,2.3.1:,衰减器,2.3.2:,定向耦合器,2.3.3:,槽线,2.3.4:,调制器,2.3.5:,校准件,隔离器,混频器,2.3.1:,衰减器,a),固定衰减器,b),可变衰减器,连续可变 步进,性能指标,频率范围,衰减量,衰减精确度,VSWR,最大输入功率,接头形式,程控步进衰减器,衰减器应用,降低信号或功率电平,改善源和负载之间的阻抗匹配,用替代法测量增益或损耗,利用衰减器改善失配,10dB,10dB,利用衰减器改善失配,VSWR,G,=1.9,VSWR,L,=1.6,失配损耗测量误差,衰减器对于减小测量中的失配误差作用显著,改善网络分析仪插入损耗测量精度,衰减器的存在，改善了测试通路的失配损耗,衰减器在大功率测试中的应用,衰减器,采用衰减器加频谱仪测量发射机功率,测量互调时，衰减器的自身无源互调至少比被测物的要求指标高,10dB,衰减器发热降温,2.3.2:,定向耦合器,定向耦合器有很多不同的结构,其中最常见的是支线耦合器,兰格耦合器和平行耦合线耦合器,性能指标,频率范围,耦合度,耦合度偏差,插入损耗,方向性,端口阻抗,VSWR,最大承受功率,接头形式,1,2,3,4,耦合度,插入损耗,隔离度,方向性,定向耦合器的应用,功率监测,稳幅回路,大功率测量,定向耦合器的应用,混频电路,VSWR,测试,2.3.3:,槽线,(,测量线,):,主要用来测量,VSWR,和波长等参数,.,按传输线的结构来分,主要有波导式同轴式,主要包含三部分,:,开槽线,耦合指示器传动,矩形波导测量线,矩形波导测量线示意图,波导开槽线,:,它是在矩形波导宽边的中央开一条严格平行于纵向轴线的长条槽缝构成的,是与待测元件连接的一段波导传输线,.,耦合指示机构,它由探针,调谐腔体,晶体检波器和指示设备构成,.,探针通过波导的槽缝伸进波导内,与所在位置的电场发生耦合,在探针上产生与该处电场强度成比例的感应电动势,并经过探针的调谐腔体送至晶体检波器,从而转换成直流电流,用微安计等来指示,.,1.VSWR=V,max,/V,min,2.,两个最高点或最低点间的距离是半个波长,2.3.4:,调制器,许多微波测试应用中经常需要调制信号,特别是通信方面,比如幅度调制,脉冲调制等,2.3.5:,连接头、转接头校准件,The SMA connector,The Type N connector,72,The 2.4 mm connector,The 3.5 mm connector,The 2.92 mm connector,The 1.0 mm connector,73,2.3.5:,连接头、转接头校准件,为了获得准确的测试数据,测试前必须校掉系统误差,这样的测试结果才是可信的,.,矢量网络分析仪校准件,74,第四节,:,系统,Agilent 8363B,矢量网络分析仪,吸波材料测试系统应用,采用弓形框法测量不同方向电磁波照射情况下，被测材料吸波特性，满足隐身材料吸波特性测试的要求。,T/R,组件测试系统,用于机载雷达罩插入相位精密测量，用于雷达罩生产过程相位均匀性监测和生产、出厂最终检验测试。,雷达罩插入相位测试系统,天线测试系统,RCS,测试系统,微波毫米波天线,与,RCS,通用测试平台应用,该系统能广泛应用于电磁频谱普查、查找干扰信号方位、无线台站选址及维护等工程中。系统对环境中不同频段的电磁频谱分布测量进行信号方位测试，系统可车载和固定安装。,信号测向功能,频谱检测功能,电磁环境和热电噪声测试功能,干扰信号判断能力,数据库功能,测量报表功能,电磁环境综合测试系统,AV4063AX/AV4063X,现场电磁频谱检测系统,针对信息化时代的通信、武器装备的具体特点，利用仪器设备，结合的计算机技术、网络通信技术、测试技术组成高度机动性的智能化电子情报收集系统。该系统能以地面、舰载或机载方式部署，可单独使用，也可作为信号情报系统的一部分随时部署到不同的电磁环境中执行各种任务，可满足陆海空三军对阵地、舰艇、机场等目标区域以及无线电管理对城市区域实施电磁特征检测的需要，也可为武器装备电磁特征的检测提供重要手段。,具有高灵敏度、宽频带、大动态范围和超宽分析带宽的检测功能。,具有对信息设备的电磁泄漏信息检测分析能力,具有对计算机机电系信息设备电磁泄漏的视频信息进行还原功能。,可以解调,AM/FM,信号。,宽带电磁信息检测系统,用于在,X,波段和,Ku,波段，脉冲功率,2000W,状态下，准确测量出雷达发射机输出的脉冲功率、平均功率、脉冲波形和输出效率等参数,机载雷达发射机大功率测试系统,主要用于解决卫星有效载荷在生产过程、地面模拟实际空间工作环境、老化试验和可靠性试验过程中的自动测试问题。,XXX,卫星环境试验自动测试系统,