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1、射频微波测量技术,电子工程学院 曹俊友,前置放大,功放,滤波,基带信号,基带信号,发射本振,低噪声放大,双工器,接收本振,滤波,思考：语音信号如何传送到很远的地方？收音机选台本质上是调节什么？,常见的信号发生器名称,函数信号发生器模拟信号发生器数字信号发生器频率捷变信号发生器微波信号发生器,定义：一般将输出频率范围在300MHz 30GHz、工作波长为1m10mm的信号发生器称为微波信号发生器。输出频率范围在30GHz 300GHz、工作波长为10mm1mm的信号发生器称为毫米波信号发生器。,一、微波信号源的性能特性二、微波信号源的种类三、微波扫源四、微波合成源五、微波合成扫源六、微波信号源新
2、技术,本章主要内容,dBm,dBw,dBvdBm:10lg(P/1mw)dBw:10lg(P)dBv:20lg(U/1v)dBuV=90+dBm+10*log(R)dBuV=107+dBm(50欧姆)dBuV=108.75+dBm(75欧姆),为什么用dBm等对数方式表示信号的大小？,功率的计算公式：P=U2/R信号的大小通常是用电压来表示的；在RF系统中，有确定的阻抗50或75，因此可用功率来描述信号的大小。,对数表示更直观1W=30dBm100mW=20dBm10mW=10dBm1mW=0dBm0.1mW=-10dBm0.01mW=-20dBm0.001mW=-30dBm0.0001mW=
3、-40dBm,RF仪器中，功率常用线性和对数两种方式显示。线性显示时，单位为V、mV、uV等；对数显示时，单位为dBm、dBuV等。,一、微波信号源的性能特性,理想的微波信号是CW信号 定常波（Costant Wave)：正弦波的各个系数都是常数连续波（Continue Wave)：无始无终的正弦波 u（t）=A0cos（0t+0）,微波信号,信号,信号是可以以某种方式感知的客观现象 信号可以按照其物理和数学特征分类 信号具备可以被感知和描述的特征 信号可以提供或探索信息 信号发生器是信号的产生装置,物理特征分类,声信号,光信号,电信号,数学特征分类,正弦信号,脉冲信号,随机信号,高低强弱,明
4、暗颜色,场强波形,振幅频率,周期脉宽,均值方差,信息,信息,信息是人类对信号特征及其变化赋予或抽 象出的特定含义；可以从信号的存在特征中提取信息；（信号特征的测量）可以从信号特征的变化规律中提取信息；（网络测量）可以利用对信号特征的控制和检测传递信息。（通信）,信息,信息源,发出信号,信号特征测量分析,获取信息,信号源,激励信号,被测网络,响应信号,信号特征比对网络信息反求,载波信号,调制,调制信号,信息注入,传输,调制信号,解调,信息再生,电信号,对电磁场存在特征的物理表达和数学描述 电磁场某一特征的表征量对时间的变化关系如电压、电流、场强、电势、磁通等等,傅立叶级数与傅立叶变换 u(t)U
5、(f)周期信号可以表示为一系列不同幅度、频率和初始相位的正弦信号的叠加 非周期信号可以表示为具有不同分布密度的正弦信号的叠加,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。,微波信号,调幅,调频,调相,微波信号特征参数,频率特性,频率：信号特征每秒中重复次数；周期，波长，角频率,频率稳定度：频率随时间的起伏变化；长期，短期,频率准确度：实际频率
6、与标称频率的差异；绝对，相对,频率分辨率：最小频率变化间隔；绝对，相对,跳频速度：频率突变的过渡时间,谐波寄生：波形畸变造成的倍频伴随分量；分谐波,非谐波：无规则寄生伴随频率分量,相位噪声：随机相位起伏造成的频谱展宽；剩余调频：扫频信号发生器在无调制点频工作状态下，输出信号频率的短期不稳定度或晃动。,扫频特性：频率连续变化特性；扫频速度、准确度,微波信号特征参数,功率特性,功率：向特定阻抗负载注入能量的能力；振幅,功率稳定度：功率随时间的起伏变化；长期，短期,功率准确度：实际功率与标称功率的差异；功率平坦度,功率分辨率：功率变化的最小间隔,源驻波：信号源吸收倒灌功率的能力,微波信号特征参数,调
7、制特性,脉冲调制,幅度调制,频率调制,相位调制,微波信号源功能与构成,微波振荡源,稳幅,功率准确度功率稳定度功率平坦度功率分辨率信号源驻波,扫描,模拟扫步进扫列表扫锁滚扫合成扫功率扫,合成,准确 稳定 捷变 高纯 高分辨率,调制,脉冲调制 调幅 调频 调相 组合调制 I/Q调制,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，满足不同应用需求的过程。,二、微波信号源的种类,信号源一般有以下三种：微波扫源微波合成源微波合成扫源,三、微波扫源,输出信号的频率在一定范围内，按照一定规律重
8、复连续变化的信号源成为扫频信号源。在某一时刻，扫源的输出波形为正弦波，因此，微波扫源具有一般正弦信号源的特性。扫源也可以设置成单一连续波频率的工作状态。,微波扫源基本构成框图,主振,A,F,振荡器模型,|AF|1AF=2n,微波扫源的优缺点,优点电路相对简单成本相对较低缺点频率稳定度和准确度都很差由于剩余调频很大，谈不上相位噪声,四、微波合成源,微波扫源实现比较容易，频率准确度和稳定度比较差，不能用于精密测量场合。利用频率合成技术，使得频率准确度和稳定度达到要求，称该源为微波合成源。,微波合成源的原理框图,频率合成,频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算直接合成包括分频、倍频、混频、取样数
9、字直接合成间接合成主要是指锁相环（PLL）频率合成,请大家思考DS、PLL、DDS这3种频率合成技术的原理和优缺点？熟悉这3种技术的优缺点对于指导我们的设计有非常重要的作用，下面我们一起来复习。,直接式频率合成DS,直接式频率合成使用的元件多，结构复杂，体积大，造价高，杂波抑制太差，这是它的一个致命缺点，足以抵消它的所有优点。如何抑制杂波以及组合频率也是直接频率合成器首要关注的问题。因此，几乎在所有的应用场合，均被锁相技术的间接频率合成方法所代替。,间接式频率合成,间接式频率合成是第二代频率合成技术，以高指标的晶体振荡器作为参考频率，利用锁相环技术进行锁相并达到倍频的目的，产生所需要的频点。间
10、接式频率合成又称锁相环频率合成技术。合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需要频率的信号，频率覆盖范围较大，杂散抑制也很好，并且避免了使用大量的滤波器，十分有利于集成化和小型化。,参考文献：Analog Devices,Fractional-N Frequency Synthesizer,ADF4154,Device Datasheet,2004:67,基本锁相环,微波锁相环,输出信号的相位噪声,锁相频率合成技术最大的缺点是频率步进和跳频时间相互制约。为使PLL的转换时间比较快，由经验公式或者仿真容易知道，这需要提高PLL的参考信号频率，但这样会使频率步进太大，也就是频率分辨率降低。整
11、数分频频率合成器，跳频时间和频率分辨率是不可调和的矛盾，所以整数锁相环往往难以满足实际需要；如果减小步进而降低参考信号频率，又会增加频率转换时间和相位噪声。小数分频器在一定程度上缓和了这个矛盾，在较大的鉴相频率下，小数分频频率合成器可以实现小数分频，使得频率合成器的分辨率可以很小，而鉴相频率不变，也就是说保持了较短的跳频时间。小数分频器的杂散抑制比较差，目前主流芯片只能做到-70dBc。,直接数字频率合成DDS,数字直接式频率合成是第三代频率合成技术。它利用数字计算机和数模变换器来产生信号。完成直接式频率合成的办法，或者是利用计算机求解一个数字递推关系式，或者是查询表格上所存储的正弦波值。目前
12、用得较多的是查表法。这种合成器体积小、功耗低，并且可以几乎是实时的以连续相位转换频率，给出非常高的频率分辨率。,参考文献：Analog Devices,Inc.,2.7GHz DDS-Based AgiledRF Synthesizer AD9956,Device Datasheet,2004:115,DDS,循环展开,低通滤波,直接数字频率合成DDS,直接式数字频率合成器有一个很大的缺点，其输出的信号频率较低，目前形成产品的DDS芯片的最高时钟频率到1.6GHz，而且实际输出频率更低，约600MHz。直接式数字频率合成器还有一个弱点，其输出杂散抑制差。目前，据资料，AD公司的DDS产品在窄带
13、输出的情况下，杂散抑制能够做到80dBc。,参考文献：Analog Devices,Inc.,2.7GHz DDS-Based AgiledRF Synthesizer AD9956,Device Datasheet,2004:115,微波频率合成器的原理框图,本振环,中频环,把微波频率分辨率转化为射频载波下的同等分辨率，降低了相对分辨率要求，那么问题解决了吗？,小数分频技术DDS技术,仪器软件,各种误差补偿电平准确度补偿电平平坦度补偿YTO线性补偿扫频准确度补偿仪器的自检测、自诊断复杂的步进扫频、列表扫频功能,微波合成源实例分析,缓冲分频,参考环,LF,N.F,YO驱动,LF,810 YIG
14、,梳状波发生器,CPU控制,5M,10M,CPU控制,10,10,1M,10M,2,4,500M1G VCO,7951005M 5M STEP,50100M,小数环,YO环,步进环,800M1G,4,40MHzOCXO,EXTRET10M,DAC,五、微波合成扫源,微波模拟扫源的缺点：频率精度和频率稳定性都非常差，即便是通过各种补偿措施也不能达到精密测量的要求,为了克服模拟扫源的缺点，结合微波合成源的的优点，人们研制出了具有模拟扫频功能的合成源，这是我们接下来要讨论的微波合成扫源,合成扫源示意框图,扫频方式一,“锁滚”式合成扫频先锁定起始频率，使用取样保持电路保持住起始点压，然后断开环路，将扫
15、描电压叠加到起始点压上，实现“锁滚”式合成扫频。,+,=,前提是主振的扫频特性是线性的，扫描速度和扫宽准确,YTO,I/V转换,t,f,缺点：扫描过程中没有修正，由于扫速扫宽不准确导致终止频率不准确,t,V,t0,t0,f0,f1,f2,需要的斜率,实际的斜率,需要的频率,实际输出频率,扫频方式二,带扫频准确度校准的“锁滚”式合成扫频,缺点：精度不能进一步提高，能达到扫宽千分之一的准确度。,扫速误差修正示意图,扫频方式三,锁相扫频这是目前扫频准确度最高的扫频方式。通过适当的设计，可以使锁相环工作在同步带，使得锁相环输出频率从起始频率均匀渐变到终止频率。特点：能够达到扫宽万分之一的频率准确度。,
16、起始频率,终止频率,回顾一下三种源的优缺点：微波扫源：电路简单、成本低，但是频谱质量很差，不适合高精度测量使用。2.微波合成源：功能齐全，频谱质量很好，但是不能实现模拟扫频功能。3.微波合成扫源：在微波合成源的基础上添加了模拟扫频功能。,1.矢量信号发生器：Agilent 8567C，E4438C等 具有数字调制功能。调制带宽、数字调制格式等2.高纯信号发生器：具有极低的噪声、低谐波、低杂散以及极高的长期频率稳定性等。3.捷变频信号发生器：频率转换时间小于1ms。4.信号模拟仿真器 借助于计算机技术，同矢量信号发生器结合，可以进行：目标模拟仿真、回波模拟仿真、环境模拟仿真等。,六、微波信号源新技术,
