微波工程導(dǎo)論：第8章 微波測量技術(shù)（1）

1、微波工程導(dǎo)論Introduction to Microwave Engineering第8章 微波測量技術(shù)微波測量的意義微波功率的測量微波頻率的測量微波噪聲系數(shù)的測量微波頻譜的測量微波網(wǎng)絡(luò)分析儀及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測量天線參數(shù)的測量微波功率的測量功率測量的重要性平均功率，峰值功率以及脈沖功率功率計，功率探頭原理探頭技術(shù)功率太低:功率太高:.甚至燒毀器件!信號會淹沒在噪聲中會產(chǎn)生非線性失真.信號功率的大小是很嚴(yán)格的功率測量的重要性系統(tǒng)每一級的性能要求對功率測量都是很嚴(yán)格的許多測試是在設(shè)計和生產(chǎn)中進(jìn)行的測試方法必須:簡單準(zhǔn)確可重復(fù)直流VIncVRefZOZSRLVRLZSI為什么不測量電壓?RLV+I 低頻

2、P = IV = V2/R高頻電流和電壓隨位置不同而改變功率是一個常數(shù)ZS1 W = 1 A 1 V單位和定義功率等于每秒傳輸能量的大小我們經(jīng)常用對數(shù)的形式來比較兩個功率P1,P2相對功率 (dB)=10 log(P2/P1)絕對功率: 通過設(shè)定一個參考功率 P1得出 絕對功率(dBm) = 10 log(P/1 mW)功率的單位是瓦特(W)t在多個調(diào)制周期中取平均AM脈沖在多個重復(fù)的脈沖周期中取平均平均功率Power時間A(脈沖寬度)占空比 =AB(脈沖周期)B脈沖功率 = 平均功率/占空比 矩形脈沖 占空比為常數(shù)脈沖功率瞬時功率包絡(luò)功率峰值包絡(luò)功率包絡(luò)功率和峰值包絡(luò)功率頻譜分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀

3、功率計和探頭矢量信號分析儀 0. 0X dB 0. X dB或者更大 70 dBm 頻率選擇性測量射頻和微波功率的儀器直流或者低頻信號射頻功率功率探頭 功率計顯示(dBm or W)熱敏電阻熱電耦二極管探頭功率計和探頭原理熱敏電阻探頭功率探頭的早期形式在大多數(shù)的應(yīng)用中已被熱電耦和二極管探頭取代仍作為傳輸功率的度量標(biāo)準(zhǔn)Cc在兩塊不同的金屬結(jié)之間會根據(jù)溫度產(chǎn)生一個電壓結(jié)的溫度直接與射頻功率有關(guān)射頻功率Cb射頻輸入熱結(jié)熱結(jié)冷結(jié)冷結(jié) 產(chǎn)生直流電壓薄膜熱電耦熱電耦探頭CbRmatchingVo+-RsVs二極管探頭平方律區(qū)0.01 mW 70 dBmVOPIN0.1 nW 20 dBm線性區(qū)(log)V

4、O=nVS2=nPIN50 dB二極管的平方率檢波區(qū)功率探頭斷路器二極管探測器功率計同步探測器低通濾波器ADC量程帶通濾波器方波發(fā)生器處理器AC220 HzDCRFDAC自動歸零功率探頭和功率計的傳輸路徑功率計測量功率(歸零及校準(zhǔn))3）將功率探頭連接到被測信號輸出2）對功率計進(jìn)行歸零和校準(zhǔn)1）將功率探頭連接到功率計頻率物體每秒振動的周期數(shù)單位：每秒周，命名為赫茲（HZ）秒的定義：銫-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間的躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間微波頻率的測量頻率測量的實質(zhì)就是將待測信號頻率直接或間接地與標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較比較的標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)頻率源，常用的標(biāo)準(zhǔn)頻率源有晶體

5、頻標(biāo)和原子頻標(biāo)兩種不同的測頻方案反映了未知頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率比較的方法有源法：以標(biāo)準(zhǔn)頻率源作為未知頻率的比較標(biāo)準(zhǔn)，如計數(shù)法，外差法。無源法：用已知頻率特性的無源電路作為比較標(biāo)準(zhǔn)，如諧振式波長計。頻率測量方法直接計數(shù)法倒數(shù)測頻法外差法微波頻率計的基本構(gòu)成和工作原理 直接計數(shù)式頻率計因限于十進(jìn)位計數(shù)器目前所能達(dá)到的最高計數(shù)速度約為500MHz-1000MHz，所以不能用以直接測量微波信號的頻率。擴頻技術(shù)將微波頻率向下變換到電子計數(shù)器可測的頻率范圍的技術(shù)微波頻率計擴頻方案 預(yù)分頻式頻率計外差式變頻頻率計轉(zhuǎn)換式數(shù)字頻率計計數(shù)式頻率計也可以測量射頻脈沖信號和調(diào)頻、調(diào)幅信號的頻率。經(jīng)寬帶放大、整形，消除干擾和

6、波形不規(guī)則性之后，就可以計數(shù)指示。但靈敏度下降，最小信號一般需要數(shù)十毫伏。頻率計的應(yīng)用 噪聲系數(shù)的測試Y系數(shù)法 噪聲測試基本過程 噪聲系數(shù)測試的基本原理噪聲系數(shù)計算噪聲系數(shù)測試的基本原理噪聲源、雪崩二極管超噪比(ENR)：反應(yīng)噪聲源輸出噪聲功率的能力。Excess noise ratio噪聲系數(shù)測試的基本原理+28V測試系統(tǒng)DUT噪聲系數(shù)測試的基本原理噪聲源DUT本振混頻器中頻放大器噪聲系數(shù)測試儀噪聲源驅(qū)動測試系統(tǒng)如果待測件的工作頻率高于測試儀器的可測頻率范圍?下變頻系統(tǒng)擴展測試頻率噪聲系數(shù)測試的基本原理噪聲系數(shù)表噪聲對被測件測試的影響噪聲系數(shù)測試的基本原理DUT 增益的測試 校準(zhǔn)（測試系統(tǒng)）

7、被測件測量（被測件和測試系統(tǒng)）典型器件的噪聲系數(shù)測試 放大器 變頻器件典型器件的噪聲系數(shù)測試MixerAmplifierFETs, TransistorsPassiveReceiver可測的器件：無源二端口器件有源二端口器件混頻器和接收機 等典型器件的噪聲系數(shù)測試LOMixer External LOfOROR接收機、混頻器、放大器 等典型器件的噪聲系數(shù)測試放大器（非變頻器件測試）首先，將噪聲源直接連接到噪聲系數(shù)表之后，進(jìn)行一次校準(zhǔn)。然后，將被測件連接到噪聲系數(shù)表和噪聲源之間，測量噪聲系數(shù)、增益等。控制總線變頻器件（系統(tǒng)）測試 噪聲源噪聲系數(shù)分析儀噪聲源本振噪聲系數(shù)分析儀RFIFLO校準(zhǔn)測量典

8、型器件的噪聲系數(shù)測試F LOF ifNPFreq單邊帶和雙邊帶測量雙邊帶：單邊帶：頻譜的測量-頻譜分析儀信號分析技術(shù)簡介頻譜分析儀的工作原理和性能指標(biāo)頻譜分析儀的應(yīng)用信號分析技術(shù)簡介無線系統(tǒng)中的信號處理信號頻域測試基礎(chǔ)典型的信號測試完整的信號測試參數(shù)信號分析技術(shù)簡介發(fā)射機參數(shù)測試信號功率，信號帶寬信號雜散信號調(diào)制精度傳輸信息基帶IQ信號解調(diào)信息受到干擾影響 的接收信號調(diào)制器解調(diào)器濾波處理消除干擾信號正弦波本振信號中頻調(diào)制信號通過放大處理的射頻信號接收機中頻信號無線系統(tǒng)中的信號處理時域分析頻域分析頻率幅度f 3f 5f 7f 9f1 1/3 1/5 1/7 1/9 etc.頻率幅度f 3f 5f

9、 7f 9f1 1/3 1/5 1/7 1/9 etc.信號-1信號-2信號頻域測試基礎(chǔ)數(shù)字Q調(diào)制信號中頻調(diào)制信號射頻調(diào)制信號微波調(diào)制信號數(shù)字基帶信號模擬Q調(diào)制信號本振CW信號本振CW信號發(fā)射機和接收機中的信號典型的信號測試信號類型典型信號信號的信息內(nèi)容連續(xù)波信號系統(tǒng)時鐘信號，頻率合成器輸出信號模擬調(diào)制信號調(diào)頻廣播信號，雷達(dá)脈沖調(diào)制信號 數(shù)字調(diào)制信號衛(wèi)星通信信號，移動通信信號噪聲信號 放大器熱噪聲信號的存在形式連續(xù)穩(wěn)定信號正弦波信號周期變化信號TDMA信號，雷達(dá)信號瞬變單次信號發(fā)射機開機過程隨機信號噪聲信號信號的存在格式模擬信號無線發(fā)射和接收信號模擬基帶IQ信號接收機中IQ解調(diào)器輸出信號數(shù)字信

10、號ADC處理輸出信號 頻道內(nèi)測試（In-channel） 頻道外測試（out of channel） 信號頻率 信號功率/時間，平均/峰值功率 調(diào)制精度 鄰道功率比(ACPR)諧波遠(yuǎn)端雜波 帶內(nèi)測試項目帶外測試項目完整的信號測試參數(shù)信號分析方法分析技術(shù)典型測試參數(shù) 頻域測試分析信號包含的頻率成分。各頻率分量的頻率和功率參數(shù)信號功率，信號占用頻率帶寬，信號帶外雜散，信號鄰道功率比 時域測試分析信號參數(shù)隨時間變化過程信號功率控制過程，鎖相環(huán)頻率鎖定時間 解調(diào)測試信號的調(diào)制特性，信號的調(diào)制精度模擬調(diào)頻信號調(diào)制失真，數(shù)字調(diào)制信號矢量誤差信號分析技術(shù)簡介頻譜儀工作原理掃頻式和FFT式頻譜儀掃頻式頻譜儀工

11、作原理頻譜儀性能指標(biāo)頻率指標(biāo)工作頻率范圍頻率分辨率幅度指標(biāo)內(nèi)部失真靈敏度動態(tài)范圍頻譜分析儀的工作原理和性能指標(biāo)掃頻式頻譜儀濾波器掃描測試Aff1f2掃頻式頻譜分析儀FFT式頻譜分析儀FFT頻譜儀并行濾波器組處理Aff1f2掃頻式頻譜儀工作原理輸入衰減器/參考電平中頻濾波器/分辨帶寬（RBW）視頻濾波器/視頻帶寬（VBW）檢波方式掃頻式頻譜儀工作原理預(yù)選濾波器/低通濾波器參考振蕩器對數(shù)放大器RF輸入衰減器混頻器中頻濾波器檢波器視頻濾波器本振掃描控制器中頻放大器輸入顯示結(jié)果掃頻式頻譜儀工作原理中頻濾波器輸出波形中頻放大器輸入衰減器 輸入衰減器可自動和手動設(shè)置，自動狀態(tài)下，衰減器設(shè)值受參考電平設(shè)值影

12、響； 通過衰減器設(shè)置來調(diào)整頻譜儀內(nèi)部電路的工作電平； 頻譜分析儀內(nèi)部輸入衰減器和中頻放大器保持聯(lián)動關(guān)系； 中頻放大器自動補償衰減作用，輸入信號測量結(jié)果不會受衰減器設(shè)置的影響； 頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生的失真和噪聲會受輸入衰減設(shè)值的影響。Amplitude根據(jù)被測信號功率大小設(shè)置參考電平，衰減器設(shè)值為自動狀態(tài)輸入衰減器/參考電平中頻濾波器頻譜分析儀顯示輸入信號頻譜特性中頻濾波器帶寬(RBW)RBW根據(jù)測試的信號帶寬和信號類型設(shè)置掃頻范圍（Span）RBW設(shè)置處于自動狀態(tài) 分辨帶寬可自動和手動設(shè)置，自動狀態(tài)下，RBW由測量掃頻寬度（Span）決定 RBW影響頻譜儀的顯示噪聲電平，頻率分辨率和測試速度 根據(jù)測

13、試信號的靈敏度和頻率分辨率要求設(shè)置RBW分辨帶寬（RBW）視頻濾波前測試顯示結(jié)果視頻濾波后測試顯示結(jié)果視頻濾波器VBW根據(jù)測試信號的要求設(shè)置RBWVBW設(shè)置處于自動狀態(tài) 視頻帶寬可自動和手動設(shè)置，自動狀態(tài)下，VBW由RBW決定 VBW設(shè)置影響信號顯示頻譜的平滑和測試速度 減小VBW提高噪聲背景下點頻信號測試的靈敏度視頻帶寬（VBW） 分段檢波器幅度Det/Demod根據(jù)測試信號的類型決定檢波方式的設(shè)置檢波方式設(shè)置處于自動狀態(tài) 檢波方式可自動和手動設(shè)置。 針對不同的測試對象選擇不同的檢波方式。 檢波方式會影響噪聲和類似噪聲信號的功率測量結(jié)果。檢波方式LCD 顯示掃描控制器本 振frequency

14、參考振蕩器其他部件幅度內(nèi)部失真 （測量大信號能力）靈敏度 （測量小信號能力）動態(tài)范圍 （同時測量大信號和小信號的能力）頻率工作頻率范圍 （檢測寬頻帶信號的能力）頻率分辨率 （分辨頻率間隔信號能力）頻譜分析儀基本性能指標(biāo) 1Hz - 8 MHz RBWE4443A 1Hz - 8 MHz RBW1 Hz - 8MHz RBWE4445AE4440AE4448AE4447A1 Hz - 8MHz RBW1 Hz - 8MHz RBW測量信號高次諧波成份工作頻率范圍.3 dB3 dB BWLO混頻器中頻濾波器/分辨率帶寬 (RBW)掃頻檢波器輸入頻譜DisplayRBW頻率分辨率RBW（分辨率帶寬被

15、測信號譜線及顯示譜線頻譜測量顯示原理頻率分辨率RBW本振寄生調(diào)頻本振相位噪聲中頻濾波器矩形系數(shù)影響頻率分辨率性能的因素3 dB10 kHz10 kHz RBW10 kHz10 kHzRBW = 10 kHzRBW = 1 kHz濾波器矩形系數(shù)15:1被測信號60 dB BW = 15 kHz7.5 kHz3 dB60 dB對等幅信號的測試對不等幅信號的測試60 dB BW3 dB BW3 dB60 dB60 dBBW3 dB BW濾波器矩形系數(shù) =分辨濾波器對頻率分辨率的影響本振相位噪聲在頻域上表現(xiàn)為信號頻譜噪聲邊帶Fast Tuningf 30 kHzf 30 kHzAuto CoupleP

16、hase noise 頻譜儀本振相位噪聲對分辨率的影響混頻信號被測信號混頻器輸出信號混頻器產(chǎn)生失真成分頻譜儀處理過程的非線性會引起寄生的失真成分BWmBWmBWmBWmBWm3 階頻譜再生3rd Spectral Regrowth5 階頻譜再生5rd Spectral Regrowth各次諧波測試 -50 dBc噪聲系數(shù)）提高頻譜儀靈敏度的技術(shù)方法 頻譜儀采用數(shù)字處理技術(shù)，顯示的頻譜為離散測試點的組合 離散點測試取值的方式對應(yīng)不同的檢波方式 不同性質(zhì)信號功率的測試結(jié)果與檢波方式，平均方法有關(guān)輸入 顯示對數(shù)放大器RBW本振衰減器視頻濾波器ADC檢波方式LogLinlog包絡(luò)檢波器TimeVolt

17、s中頻信號包絡(luò)檢波器Trace/Trace 平均頻譜儀對信號功率的測量過程Peak檢波方式： 取值每個區(qū)間最大幅值。適合CW 信號及信號搜索測試Sample檢波方式;取值每個區(qū)間的固定時間點。適合于噪聲信號測試Neg Peak檢波方式：取值每個區(qū)間的最小幅值。適合于小信號測試Auto檢波方式：按最大和最小交替取值，適合包含正弦和噪聲成分的信號分析Avg檢波方式：功率測量取值由多個包絡(luò)電平值的平均得到，適合噪聲和 類似噪聲信號的平均功率測試。Avg 檢波方式下，平均處理的方式分為：Power， Log， VoltageAvg檢波方式可減少顯示信號的抖動，掃描速度越高，平均效果越明顯功率平均的取值

18、方式稱為均方根檢波方式（RMS） 抽取處理頻率/時間段電壓對信號包絡(luò)的采樣點檢波方式PeakNeg PeakRose/fallAvgSampleAuto Couple頻率分段范圍=Span/(測量點數(shù)-1)測試時間段=掃描時間/（測量點數(shù)-1） 顯示結(jié)果頻譜儀檢波方式檢波探頭ChopperDiode檢波器MeterSynchronousDetectorLPFADCRangingBPFSquare WaveGeneratorProcessorRFACDC220 HzDACAUTOZEROff1f2功率計測量結(jié)果是全頻段信號功率和功率計用于測量信號功率混頻器工作電平 = 參考電平 - 衰減器設(shè)值最

19、佳混頻器工作電平頻譜儀三階失真特性變化斜率：2頻譜儀二階失真特性變化斜率：1頻譜儀底噪聲特性變化斜率：-1頻譜儀的測試動態(tài)范圍衰減器設(shè)值小時頻譜儀內(nèi)部失真大；噪聲電平低衰減器設(shè)值大時頻譜儀內(nèi)部失真??；噪聲電平高頻譜儀的最大測試動態(tài)范圍+30 dBm-115 dBm (1 kHz RBW & 0 dB 衰減器)頻譜儀最大輸入電平儀表顯示范圍90 dB-10 dBm-35 dBm-45 dBm儀表噪聲電平隨衰減器設(shè)值和而變化二階失真混頻器壓縮電平三階失真信號噪聲范圍105 dB145 dB功率測量范圍頻譜儀平均噪聲電平70 dB80 dB0 dBc噪聲電平60 dBc/1kHz三階失真測試動態(tài)范圍

20、儀表相位噪聲影響測試動態(tài)范圍二階失真測試動態(tài)范圍頻譜分析儀動態(tài)范圍指標(biāo)定義頻譜分析儀的測試應(yīng)用正弦波信號的測試應(yīng)用相位噪聲的測試應(yīng)用脈沖調(diào)制信號的測試應(yīng)用器件頻率響應(yīng)特性測試器件的交調(diào)失真參數(shù)測試頻譜分析儀的測試應(yīng)用正弦波信號的頻譜參數(shù) 信號功率 信號頻率 相位噪聲 雜波抑制 諧波抑制 0.5f0 f0 2f0雜波：-65dBc二次諧波： -30dBc次諧波相位噪聲Carrier:載波+5dBm-60 dBm-25 dBm頻率幅度 通過減小RBW來提高測試靈敏度和頻率分辨率 通過減小VBW或平均處理來提高噪聲背景下點頻信號的測試能力 利用Marker Noise 功能完成噪聲邊帶功率譜密度的準(zhǔn)確測試 利用Meas 功能測試信號諧波失真度指標(biāo)100kHz信號相位噪聲指標(biāo)測量結(jié)果：-103dBc/Hz 100kHz offset 頻譜儀正確測量信號相位噪聲的方法時間脈沖寬度脈沖開關(guān)比On/Off ratio脈沖上升時間脈沖重復(fù)頻率=1/T脈沖重復(fù)周期（T）功率載波頻率功率脈沖寬度脈沖重復(fù)周期 T上升/下降時間開關(guān)比精度定義脈沖調(diào)制信號的參數(shù)（脈沖重復(fù)頻率PRF=1/T）功率1/T1-1頻率脈沖調(diào)制信號的頻譜特性脈沖調(diào)制信號的時