電子科大微波測(cè)量第二部分測(cè)量用信號(hào)源課件

第二部分測(cè)量用信號(hào)源微波信號(hào)源微波測(cè)量用信號(hào)源主要指產(chǎn)生微波正弦振蕩的各種微波信號(hào)發(fā)生器信號(hào)源的種類和用途簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器

頻率可調(diào)，最大輸出功率至少達(dá)mW級(jí)，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(jìn)行開關(guān)式調(diào)幅功率信號(hào)發(fā)生器

輸出功率達(dá)1W以上的簡(jiǎn)易微波信號(hào)源標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器

頻率和功率可細(xì)調(diào)，屏蔽良好，可采用不同的調(diào)制方式，調(diào)制度可變并能讀數(shù)微波電子器件，微波半導(dǎo)體器件，機(jī)械調(diào)諧，電子調(diào)諧，電控或磁控調(diào)諧（變?nèi)莨芎蚘IG）,點(diǎn)頻工作方式，掃頻工作方式，步進(jìn)式或數(shù)字式掃頻，頻率合成式信號(hào)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(nèi),成本低,性能穩(wěn)定.

場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)用于2GHz---40GHz范圍內(nèi).

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)用于2GHz---40GHz范圍內(nèi),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(zhì)諧振器做穩(wěn)頻電路.基本微波信號(hào)發(fā)生器的框圖電子流與電場(chǎng)的能量交換

任何微波振蕩器的基本任務(wù)是要借助運(yùn)動(dòng)著的電子，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為微波能量，以達(dá)到產(chǎn)生振蕩的目的。要將電子進(jìn)行密度調(diào)制，將均勻分布的電子變成群聚電子塊，才能實(shí)現(xiàn)利用電子將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為微波能量。電子流與場(chǎng)相互作用

電子流與場(chǎng)相互作用當(dāng)時(shí),電子在間加速,電源將能量交給電子當(dāng)時(shí),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(fù)半周最大值時(shí)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(gè)電極為平行的平面狀，減小渡越時(shí)間，減小引線電感）頻率可達(dá)4G，功率可達(dá)瓦級(jí)（5瓦）反射速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意圖

群聚原理電子往返渡越時(shí)間:N=（n+3/4）個(gè)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(shí)驗(yàn)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(dāng)外加電壓使砷化鎵材料內(nèi)的電場(chǎng)大于3KV/CM時(shí)，產(chǎn)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(yīng)管，可用電子轉(zhuǎn)移理論來解釋，亦稱為轉(zhuǎn)移電子器件。當(dāng)外加電壓達(dá)到一定的值時(shí)，出現(xiàn)電壓增大，電流減小的負(fù)阻區(qū)域，是一種負(fù)阻器件，工作時(shí)所加偏壓應(yīng)處于負(fù)阻區(qū)中央。I-V曲線上出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)域

雪崩二極管振蕩器（IMPATT管）在時(shí)，雪崩開始時(shí)，雪崩過程逐漸增強(qiáng)時(shí)，繼續(xù)維持雪崩過程，并逐漸減弱：雪崩電流，呈指數(shù)增長(zhǎng)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(dòng)，漂移區(qū)可以看成是一個(gè)平板電容，雪崩電流在兩平板間運(yùn)動(dòng)，從而在外電路形成感應(yīng)電流感應(yīng)電流落后于微波電壓的相位為這就是雪崩二極管負(fù)阻效應(yīng)的來源。引起振蕩的外加微波電壓是管子內(nèi)部微小電壓波動(dòng)產(chǎn)生的。雪崩二極管的漂移區(qū)特征頻率為這個(gè)頻率的微小電壓波動(dòng)將不斷增強(qiáng)構(gòu)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(dǎo)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(diǎn)是能工作到很高的毫米波段而有相當(dāng)大的功率輸出，缺點(diǎn)是比耿氏管的噪聲高，調(diào)諧范圍較窄。PIN調(diào)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(dǎo)體的I區(qū)（本征區(qū)）。管子加反向偏壓時(shí)：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(shí)具有低低哪容、低損耗和耐高壓。管子加正向偏壓時(shí)：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(gè)偏置狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，可作為有效的開關(guān)。PIN管漸變多管陣列通過式PIN管調(diào)制器微波信號(hào)發(fā)生器的性能特性一、頻率特性1.頻率范圍2.頻率準(zhǔn)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(yán)密性3.幅度穩(wěn)定性和均勻性三、調(diào)制特性：包括調(diào)制種類、調(diào)制信號(hào)特性、調(diào)制指數(shù)、調(diào)制失真等。為保證改變頻率時(shí)輸出的幅度不變，必須要求穩(wěn)幅環(huán)路中信號(hào)取樣器的耦合度和檢波器的靈敏度在工作頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)平坦。采用定向耦合器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能顯著改善穩(wěn)幅源輸出端內(nèi)的有效反射系數(shù)。因?yàn)樗鼘?duì)負(fù)載的入射波取樣，負(fù)載的反射波對(duì)穩(wěn)幅幾乎沒產(chǎn)生影響，但當(dāng)負(fù)載反射波被原來時(shí)失配的信號(hào)源再反射回來，變會(huì)被耦合出來產(chǎn)生穩(wěn)幅作用，使輸出幅度不會(huì)因?yàn)樵吹姆瓷涠儔?。定向耦合器輸入端輸出端輔助端耦合系數(shù)：輸入功率對(duì)輔助端口的功率以分貝表示的比值。方向性：表明一個(gè)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(hào)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(jié)構(gòu)電磁波以光速沿著螺旋線傳輸時(shí)，每走一圈在軸向才前進(jìn)一個(gè)螺距，故在軸向形成慢波。電磁慢波系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是電磁波在其中傳播時(shí)的相速小于自由空間的光速，而在普通波導(dǎo)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(yùn)動(dòng)的電子，根據(jù)相對(duì)論原理，其速度小于光速，為了使管內(nèi)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(diǎn)是在很寬的頻率范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的快速電調(diào)諧，當(dāng)改變慢波線電壓時(shí)，電子注的速度將隨之改變，振蕩頻率也隨之改變。當(dāng)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(diǎn)：掃頻范圍寬，可達(dá)幾個(gè)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(zhǎng)，可靠性高；一、基本單頻段結(jié)構(gòu)及頻段變換1.掃頻發(fā)生器（對(duì)振蕩器進(jìn)行電調(diào)諧）產(chǎn)生幅度可變的周期性鋸齒波電壓或電流進(jìn)行所需寬度的頻率掃描。2.多用途PIN調(diào)制器可以接受內(nèi)部或外部的自動(dòng)穩(wěn)幅信號(hào)，經(jīng)差分放大器對(duì)輸出掃頻信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)幅，同時(shí)在放大器另一端上作穩(wěn)幅電平調(diào)節(jié)。不同頻段的掃頻發(fā)生器的差別主要在于電調(diào)諧振蕩器及其連帶的PIN調(diào)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(jiǎn)單調(diào)整后共用。微波掃頻發(fā)生器的組成基本單頻段結(jié)構(gòu)掃頻信號(hào)源二、差頻式寬帶結(jié)構(gòu)通常采用外差式方案構(gòu)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(yuǎn)低于掃頻本振的電平，則差頻信號(hào)的幅度便由定頻振蕩的幅度決定。掃頻過程中差