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行抽樣 數(shù)字化 然后用數(shù)字計算技術(shù)和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號 實現(xiàn)頻率合成 在實際應(yīng)用中 可以采用上述幾種方法相結(jié)合的方式 來彌補單獨應(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 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 這樣連接點間產(chǎn)生的電壓變化就是兩點間溫度差異的量度 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) 對功率大小進行檢測 正溫度系數(shù)負溫度系數(shù) 1 2 3 功率計 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 微波功率計根據(jù)所測信號的不同分為連續(xù)波功率計和脈沖功率計 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 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 a 固定衰減器 給定衰減量 計算電阻值 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)合的方式進行設(shè)計性能指標(biāo) 步進及衰減范圍 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