微波测量仪器和系统.pptx

微波测试设备Network Analyzer Basics信号发生器信号发生器信号发生器(或信号源或信号源或信号源)显示设备和信号检测显示设备和信号检测显示设备和信号检测 辅助元件辅助元件辅助元件 系统系统系统(简单说明简单说明简单说明)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VoltageTimeVoltageFrequencyRFMicrowaveMillimeter20-50GHz300GHz3-6GHzSpectrumAnalyzerOscilloscope信号源RFMicrowaveMillimeter20-50GHz300GHz3-6GHz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。用需求的过程。微波微波振振荡荡源源稳稳幅幅功率准确度功率准确度功率稳定度功率稳定度功率平坦度功率平坦度功率分辨率功率分辨率信号源驻波信号源驻波扫扫描描模拟扫模拟扫步进扫步进扫列表扫列表扫锁滚扫锁滚扫合成扫合成扫功率扫功率扫合成合成准确准确稳定稳定捷变捷变高纯高纯高分辨率高分辨率调调制制脉冲调制脉冲调制调幅调幅调频调频调相调相组合调制组合调制I/QI/Q调制调制普通信号发生器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）？普通信号发生器普通信号发生器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振荡源A AF F振荡器模型振荡器模型|AF|1|AF|1AF=2nAF=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YTOYIG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YTOYTO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 HH1H1H2H2 H H =H HH1H1H2H2mainmainFMFMALCALCALC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 输出模件输出模件输出输出定向耦合器检波器调制模件调制模件主振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 检波范围检波范围调制脉冲调制脉冲调幅信号调幅信号温度补偿温度补偿平坦度补偿平坦度补偿电平控制电平控制频率频率合成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DDSDDS累加器寄存器cosD/ALPF循环展开循环展开低通滤波低通滤波锁锁相相环环FoFr频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络()FvFr=Fv=TFo =Fo=TFr=Fv=TFo =Fo=T-1-1Fv=TFv=T-1-1FrFrfOUTPDLPFVCOfREF f fOUTOUT=N=NffREFREF N f fOUTOUT=N=NffLOLO+f+fREFREFPDLPFVCONfREFfOUTfLOfI相噪相噪频偏频偏振荡器振荡器自由噪声自由噪声频率参考频率参考等效噪声等效噪声锁相输出锁相输出实际噪声实际噪声低通滤波低通滤波增益带宽增益带宽调频与小数环调频与小数环FoFr频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络()Fv调调相相调频调频积分积分微分微分FoFr频率参考鉴频鉴相器环路滤波器调谐振荡器(N+N)Fv中心中心频频率率N.FN.FN+N+N NDC FMDC FM N.F(t)N.F(t)扫频扫频速度速度 N.F/N.F/t t 微波信号源的基本形式微波信号源的基本形式扫源合成源合成扫源扫源电源电源扫描发生器扫描发生器微波主振微波主振调制驱动器调制驱动器调制组件调制组件ALCALC系统系统输出组件输出组件主振驱动主振驱动合成源电源电源频频率率合合成成器器微波主振微波主振调制驱动器调制驱动器调制组件调制组件ALCALC系统系统输出组件输出组件主振驱动主振驱动PLLPLL时基时基合成扫源FvFvFrFrFlFl时时基基参参考考发发生生器器中频环中频环鉴相器鉴相器求和求和环路滤波器环路滤波器本振环本振环取样器取样器带通带通/隔离隔离微波主振微波主振M M FM FM FoFoIFIF环路滤波器环路滤波器取样保持取样保持求和求和调谐振荡器调谐振荡器中频参考中频参考频率预置频率预置FoFoFvFvFlFl鉴相器鉴相器计数器计数器扫描发生器扫描发生器取样器取样器本振本振FrFr合成源典型框图典型框图参参考考环环中频环中频环本振环本振环YTOYTOYOYO驱动驱动取样取样调调制制器器开关开关倍频倍频滤波滤波耦合耦合检波检波器器扫频控制扫频控制鉴相鉴相调制信号调制信号发生器发生器ALCALC下变频下变频CPUCPU电源电源调制调制驱动驱动恒温恒温时基时基外调制输入外调制输入内调制输出内调制输出内参考内参考输出输出外参考外参考输入输入射频射频输出输出典典型型特特征征合成源微波扫源智能微波合成扫源智能微波合成扫源智能微波合成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双层恒温不断电时基简洁的频率合成方案简洁的频率合成方案低噪声微波信号输出低噪声微波信号输出高分辨率小数分频环高分辨率小数分频环快速步进与列表扫频快速步进与列表扫频锁滚与锁相跟踪扫频锁滚与锁相跟踪扫频智能扫频准确度校准智能扫频准确度校准可平移同步功率扫描可平移同步功率扫描连续频率覆盖连续频率覆盖支持同轴扩频支持同轴扩频支持波导扩频支持波导扩频智能频段切换智能频段切换友好菜单界面友好菜单界面标准程控命令标准程控命令自动系统支持自动系统支持智能诊断维护智能诊断维护前馈式自动稳幅系统前馈式自动稳幅系统AMAM、FMFM、PMPM、峰值搜索与频响补偿峰值搜索与频响补偿集成微波电路射频舱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 u（t t）=A=A0 0+A+A（t t）cos cos（0 0+（t t）t+t+（0 0 0 0+（t t t t）调幅调幅调频调频调相调相A（）谐波寄生实际信号理想信号分谐波谱密度频频率特性率特性 频频率：率：率：率：信号特征每秒中重复次数；周期，波信号特征每秒中重复次数；周期，波信号特征每秒中重复次数；周期，波信号特征每秒中重复次数；周期，波长长，角，角，角，角频频率率率率 频频率率率率稳稳定度：定度：定度：定度：频频率随率随率随率随时间时间的起伏的起伏的起伏的起伏变变化；化；化；化；长长期，短期期，短期期，短期期，短期 频频率准确度：率准确度：率准确度：率准确度：实际频实际频率与率与率与率与标标称称称称频频率的差异；率的差异；率的差异；率的差异；绝对绝对，相，相，相，相对对 频频率分辨率：最小率分辨率：最小率分辨率：最小率分辨率：最小频频率率率率变变化化化化间间隔；隔；隔；隔；绝对绝对，相，相，相，相对对 源源源源驻驻波：波：波：波：信号源吸收倒灌功率的能力信号源吸收倒灌功率的能力信号源吸收倒灌功率的能力信号源吸收倒灌功率的能力 谐谐波寄生：波寄生：波寄生：波寄生：波形畸波形畸波形畸波形畸变变造成的倍造成的倍造成的倍造成的倍频频伴随分量；分伴随分量；分伴随分量；分伴随分量；分谐谐波波波波 非非非非谐谐波：波：波：波：无无无无规则规则寄生伴随寄生伴随寄生伴随寄生伴随频频率率率率 相位噪声：相位噪声：相位噪声：相位噪声：随机相位起伏造成的随机相位起伏造成的随机相位起伏造成的随机相位起伏造成的频谱频谱展展展展宽宽；剩余；剩余；剩余；剩余调频调频 扫频扫频特性：特性：特性：特性：频频率率率率连续变连续变化特性；化特性；化特性；化特性；扫频扫频速度、准确度速度、准确度速度、准确度速度、准确度功率特性功率特性 功率：功率：功率：功率：向特定阻抗向特定阻抗向特定阻抗向特定阻抗负载负载注入能量的能力；振幅注入能量的能力；振幅注入能量的能力；振幅注入能量的能力；振幅 功率功率功率功率稳稳定度：功率随定度：功率随定度：功率随定度：功率随时间时间的起伏的起伏的起伏的起伏变变化；化；化；化；长长期，短期期，短期期，短期期，短期 功率准确度：功率准确度：功率准确度：功率准确度：实际实际功率与功率与功率与功率与标标称功率的差异；功率平坦度称功率的差异；功率平坦度称功率的差异；功率平坦度称功率的差异；功率平坦度 功率分辨率：功率功率分辨率：功率功率分辨率：功率功率分辨率：功率变变化的最小化的最小化的最小化的最小间间隔隔隔隔调调制特性制特性 脉冲脉冲脉冲脉冲调调制：制：制：制：开关比，占空比，周期，脉开关比，占空比，周期，脉开关比，占空比，周期，脉开关比，占空比，周期，脉宽宽，上升沿，上升沿，上升沿，上升沿 幅度幅度幅度幅度调调制：制：制：制：调调制率，制率，制率，制率，调调制深度；制深度；制深度；制深度；线线性性性性调调制，制，制，制，对对数数数数调调制制制制 频频率率率率调调制：制：制：制：调调制率，最大制率，最大制率，最大制率，最大频频偏，偏，偏，偏，调调制指数；相位制指数；相位制指数；相位制指数；相位调调制制制制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VoltageTimeVoltageFrequencySpectrumAnalyzerOscilloscopeVoltageFrequencyUncertaintyEXAMPLEAccuracy=CWfrequency=1GHz=agingrate=0.152ppm/year=timesincelastcalibrated=1year+_fCWtagingcalt*fCWtagingcaltAccuracy=152Hz+_l频率范围Range:Rangeoffrequenciescoveredbythesourcel分辨力Resolution:Smallestfrequencyincrement.l准确度Accuracy:Howaccuratelycanthesourcefrequencybeset.信号源指标说明.Frequencyppm:partpermillion百万分之一信号源指标说明.AmplitudeDUTSource protected from accidental transmission from DUTVoltageFrequencyHowaccurateisthisnumber?WhatisPout?WhatisPout?maxminl范围Range(-136dBmto+13dBm)l准确度Accuracy(+/-0.5dB)l分辨力(0.02dB)l开关速度SwitchingSpeed(25ms)l反向功率保护ReversePowerProtection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。l相位噪声Phase Noisel残余调频Residual FMl杂散信号Spuriousnon-harmonic spur65dBcharmonic spur30dBcCW outputResidual FM is the integrated phase noise over 300 Hz-3 kHz BWphase noise 0.5 f0 f0 2f0sub-harmonics信号源的频谱纯度信号源中放大器幅输入看成：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 sin(wt)+3a3/4 sin(wt)+a2/2 sin(2wt)+a3/4 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 NoiseCW outputfrequencyPower Spectral Densitymeasured as dBc/HzCh1 PM PSD1k10k100kTRACE A:A Marker 10 000 Hz75 dBc/Hz-125 dBc/HzLogMag 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f0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/Hzfm。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(nophaseinformation)DiodeDCACRF38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40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45一些传感器具有代表性的检测功率范围：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8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHzRFInputNumerickeypadControlfunctions(RBW,sweeptime,VBW)Primaryfunctions(Frequency,Amplitude,Span)Softkeys8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHzFrequencyRangeAccuracy:Frequency&AmplitudeResolutionSensitivityDistortionDynamicRange扫频超外差式频谱仪的原理方框图3 dB3 dB BWLOMixerIF Filter/Resolution Bandwidth Filter(RBW)SweepDetectorInputSpectrumDisplayRBW2.2.5.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532.3.1:衰减器a)固定衰减器b)可变衰减器 连续可变 步进54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10dB10dB利用衰减器改善失配VSWRG=1.9VSWRL=1.6失配损耗失配损耗测量误差测量误差衰减器对于减小测量中的失配误差作用显著衰减器对于减小测量中的失配误差作用显著衰减器对于减小测量中的失配误差作用显著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602.3.2:定向耦合器61 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1234耦合度插入损耗隔离度方向性63定向耦合器的应用功率监测功率监测功率监测功率监测稳幅回路稳幅回路稳幅回路稳幅回路大功率测量大功率测量大功率测量大功率测量定向耦合器的应用混频电路混频电路混频电路混频电路VSWRVSWR测试测试测试测试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66矩形波导测量线示意图矩形波导测量线示意图6768a.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.b.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.691.VSWR=Vmax/Vmin2.两个最高点或最低点间的距离是半个波长702.3.4: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 SMA connector The Type N connectorThe Type N connectorThe 2.4 mm connectorThe 2.4 mm connectorThe 3.5 mm connectorThe 3.5 mm connectorThe 2.92 mm connectorThe 2.92 mm connectorThe 1.0 mm connectorThe 1.0 mm connector732.3.5: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75Agilent 8363B 矢量网络分析仪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。777879T/R组件测试系组件测试系统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