北理工微波有源實驗報告

1、本科實驗報告實驗名稱： 微波有源器件實驗 課程名稱：微波工程導論實驗時間：任課教師：實驗地點：實驗教師：實驗類型：原理驗證綜合設計自主創(chuàng)新學生姓名：學號/班級：組號：學院：同組搭檔：專業(yè)：成績：微波有源器件實驗一、 實驗目的1. 掌握壓控振蕩器的工作原理，了解其性能指標。2. 學會用頻譜儀對壓控振蕩器的性能指標進行測試。3. 掌握射頻放大器的基本原理和設計方法。4. 利用實驗模塊實際測量，了解放大器的特性。5. 學會用頻譜儀的測試結(jié)果提取放大器的主要參數(shù)。二、 實驗設備1. 直流穩(wěn)壓電源2. AV1485信號源3. AV4062頻譜儀4. 壓控振蕩器模塊5. 放大器模塊三、 實驗原理頻譜儀利用

2、頻譜儀，這些頻響數(shù)據(jù)能在示波管屏幕上準確直觀地顯示出來。此外，頻譜儀比起示波器來講對低電平的失真具有更高的靈敏性，可以準確直觀地顯示諧波失真。高的靈敏度和寬的動態(tài)范圍也使頻譜儀得以測量低電平調(diào)制：調(diào)幅，調(diào)頻和脈沖調(diào)制的射頻信號。頻譜儀可以測量載波頻率，調(diào)制頻率，調(diào)制電平，和調(diào)制失真。也可測量變頻器件的特性，如變頻損耗、隔離度和失真度，從顯示上即可讀出。頻譜儀還可用來測量長期和短期頻率穩(wěn)定度。諸如，振蕩器的噪聲邊帶，剩余調(diào)頻和預熱時間內(nèi)的頻率漂移都可通過頻譜儀的已校準頻寬被測得。壓控振蕩器壓控振蕩器是振蕩頻率受控制電壓Vct控制的振蕩器，即是一種頻率電壓變換器。輸出頻率=KVct，K是壓控振蕩器

3、控制靈敏度或者增益系數(shù)，單位為rads-1/V。壓控振蕩器主要有如下幾種類型：LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器、負阻壓控振蕩器、晶體壓控振蕩器。壓控振蕩器的主要技術(shù)指標有：中心頻率f0及頻率變化范圍、頻率穩(wěn)定度（短期和長期）、相位噪聲、壓控線性度、壓控靈敏度其中頻率源的相位噪聲直接影響頻率源的短期頻率穩(wěn)定度。頻率源的短期頻率穩(wěn)定度有兩種表征法，在頻域用單邊相位噪聲功率表征，在時域則用阿倫方差表征。頻域表征能較好地反映高頻相位噪聲對頻率穩(wěn)定度的影響。而時域表征能較好的反應低頻相位噪聲對頻率穩(wěn)定度的影響。在此只介紹更為常用的頻域表征法。 頻率穩(wěn)定度的頻域表征法是用單邊（SSB）相位噪聲譜密度表示。單

4、邊相位噪聲譜密度是指偏離載頻fc一定量f處，單位頻帶內(nèi)噪聲功率PSSB相對于平均載波功率Pc比值的分貝值，使用模擬頻譜儀測量單邊帶相位噪聲譜密度公式如下：fm=N-A+C-10lgBn其中，fm為單邊帶相位噪聲譜密度，單位dBc/Hz；N為偏離載頻fm處的噪聲功率電平，單位dBm；A為載波電平，單位dBm；C為頻譜測量隨機噪聲修正值，對模擬頻譜儀其值為2.5dB；Bn為頻譜儀等效噪聲帶寬。寬帶放大器其主要的技術(shù)指標有：1. 增益 增益是表示放大電路對有用信號的放大能力，通常用在中心頻率上電壓增益和功率增益兩種方法表示：AV=VoViAP=PoPi式中Vo、Vi分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸

5、入電壓幅度，Po、Pi分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸入功率。通常增益用dB表示。2. 工作穩(wěn)定性是指當放大電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。引起不穩(wěn)定的原因，主要是寄生反饋作用。3. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是用來描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小的一個參數(shù)。4. 增益平坦度(G)指在一定溫度下，在整個工作頻率范圍內(nèi)放大器增益變化的范圍。增益平坦度由下式表示。G=Gmax-Gmin2其中：Gmax：增益頻率掃頻曲線的幅度最大值；Gmin：增益頻率掃頻曲線的幅度最小值。5. 1dB壓縮點輸出功率（P1dB）放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸

6、入功率線性增加。這種放大器稱之為線性放大器，這兩個功率之比就是功率增益G。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線性增加，也就是說，其輸出功率低于小信號增益所預計的值。通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。圖2-2放大器的輸出功率和互調(diào)分量隨輸入功率的變化典型情況下，當功率超過1dB壓縮點功率時，增益將迅速下降并達到一個最大的或完全飽和的輸出功率，其值比P1dB大3-4dB。6. 放大器的動態(tài)范圍低噪聲放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率的范圍。動態(tài)范圍的上限取決于放大器的非線性性能，如P1dB和I

7、P3。動態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時，輸入信號功率允許最小值是：Pmin=NfkT0fmM其中：fm：微波系統(tǒng)的通頻帶（例如中頻放大器通頻帶）；M：微波系統(tǒng)輸出端允許的最小信噪比；T0：環(huán)境溫度，293K。四、 實驗內(nèi)容、實驗步驟1. 測量VCO的頻率，頻率覆蓋范圍，輸出功率，線性度/伏，諧波分量，雜散。a) 將壓控振蕩器模塊與電源與頻譜儀連接好。b) 調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune至最小，觀察AV4062頻譜儀上所顯示頻率、功率、相位噪聲（偏移載頻1MHz、100KHz）、雜散等并記錄。c) 調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune至最大（20V），觀察AV4062頻譜儀上

8、所顯示頻率、功率相位噪聲（偏移載頻1MHz、100KHz）、雜散等并記錄。d) 調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune，觀察AV4062頻譜儀上所顯示頻譜的變化，并用MARKER跟蹤，讀出不同調(diào)諧電壓下的頻率值和功率值，給出壓控線性圖，同時觀測VCO的二次諧波分量記錄并比較。2. 用信號源和頻譜分析儀測試放大器的增益及P1dB。a) 將放大器模塊與電源、信號源和頻譜儀連接好。b) 給放大器加電，不斷改變輸入功率大小，觀察頻譜分析儀上放大器的輸出幅度，增益要求放大器工作在線性范圍內(nèi)，觀察并記錄測試值。c) 當增加信號輸入到輸入與輸出信號不呈現(xiàn)線性變化，輸出信號與輸入信號壓縮1dB時放大器輸出功率即為放大

9、器的P1dB壓縮點，觀察并記錄。d) 改變射頻合成信號發(fā)生器AV1485頻率，觀察100MHz、1GHz、1.5GHz、2GHz、2.5GHz、的增益、輸出功率并記錄。五、 原始測試數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)處理壓控振蕩器測得調(diào)諧電壓與輸出頻率的關(guān)系調(diào)諧電壓（V）輸出頻率（GHz）輸出功率（dBm）01.3613.451.5213.1101.8013.9152.1712.3202.304.0中心頻率：1.8GHz頻率覆蓋范圍：1.36GHz 2.30GHz輸出功率：13.5dBm壓控靈敏度：47MHz/V壓控振蕩器測得頻點附近的雜散調(diào)諧電壓（V）頻率點（GHz）功率（dBm）51.518-201.5191

10、4.11.520-20雜散：-94dBc寬帶放大器測得輸出功率與輸入功率之間的關(guān)系頻率（MHz）輸入功率（dBm）輸出功率（dBm）增益（dB）100-830.838.8-731.638.6-632.038-532.337.31000-271138-201737-1522.137.1-1027.537.5-928.837.8-830.138.1-433.737.7-334372000-102434-331.134.1033.733.7134.133.1增益：38.8dB1dB壓縮點：-5dBm增益：37.4dB增益平坦度：0.55dB1dB壓縮點：-3dBm增益：34dB1dB壓縮點：1dBm六、 結(jié)論通過頻譜儀對VCO在不同輸入電壓下的輸出頻率和功率大小，發(fā)現(xiàn)當VCO的控制電壓比較小時，輸出頻率比較純，并且和控制電壓近似成線性關(guān)系，輸出功率大致保持不變，為13.5dB左右，當控制電壓加到很大的時候，實驗中加到了20V，輸出頻率就明顯不滿足前面的線性關(guān)系，并且很很大的調(diào)制分量和諧波分量，輸出功率也驟降。通過測量放大器的頻率和功率，我們發(fā)現(xiàn)此放大器的工作范圍很寬，正常工作下，也就是輸入功率比較小的情況下，放大器的增益，大概是37dB左右，并且隨頻率的升高而下降。放大器的1dB壓縮點隨頻率的升高而上升。100MHz時觀察頻率雜散，發(fā)現(xiàn)增益小于1dB壓縮點