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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？,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、微波信号源新技术,本章主要内容,dBm, dBw, dBv dBm: 10lg(P/
2、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 = 30dBm 100mW = 20dBm 10mW = 10dBm 1mW = 0dBm 0.1mW= -10dBm 0.01mW= -20dBm 0.001mW= -30dBm 0.0001m
3、W= -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
4、,高低强弱,明暗颜色,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,发送,传输,接收,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
5、、电势、磁通等等,傅立叶级数与傅立叶变换 u(t) U(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
6、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
7、：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
8、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|1 AF=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
9、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,
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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,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,4,40MHz OCXO,EXT RET 10M,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
15、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。,
16、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。,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
