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1、微波频率测量摘 要：频率是微波仪器的重要参数，频率测量是检测微波仪器是否正常运行的 有效手段，而提高频率测量精度是微波频率测量可靠性的保证。本文概述了微波 频率测量的基本原理，列举了目前常用的频率测量方法，并给出了每种方法的基 本原理，最后给出了光频测量的基本概念。关 键 词：频率测量，测量方法，光频测量1 引言现代科学技术的发展是建立在精密测量基础上的，目前人们所涉及到的物理 量和物理常数中，频率和时间是最精密、最准确的计量单位，其他许多测量可以 转化为频率和时间的测量。频率时间测量在测量和计量领域中有着重要的作用， 它的准确与否决定着其它许多物理量及基本物理常数的精度及定义。计量精度的 提
2、高，不仅为人们更精确的认识和发现物质世界提供了机会，而且也是一个国家 战略竞争力的重要标志之一。目前以微波频率标准为核心的原子钟除了作为全世 界时间频率的基准外，同时也在全球定位系统、信息高速公路等方面起着关键的 作用，在信息科技日益发达的今天，高精度频率测量的研究是关系经济发展、科 技创新和国家安全的重要内容。本文在介绍微波频率测量基本原理的基础上，分 析了常用的微波频率测量方法。2 基本频率测量方法测量频率的方法无非是设法将被测频率直接或间接地与标准频率进行比较。 按照具体进行比较的方式不同，频率测量可分为许多种不同的方法。频率测量所 能达到的精度，主要取决于作为标准器使用的频率源的精度以
3、及所使用的测量设 备和测量方法。按照测量装置中是否包含有作为标准频率的振荡源，可以分为有 源法和无源法两大类。有源法是将未知频率f的信号与仪器内部产生的或外加的X频率 fs 为已知的信号直接比较频率。比较的方法最常用的有外差法和计数法两 种。外差法就是将外来未知信号f与本机的外差振荡器及准确已知频率f 一同加XS于混频器，在混频器输出端取得差频。通常根据已知频率fs的情况可将外差法分 为“零差法”、“恒差法”和“测差法”三种类型。计数法是指以计数式频率计为代表的计数测频法，实质上仍是将未知频率fX 与标准频率fs相比较。当今所有的微波计数式频率计是靠预分频技术和更多的是 采用各种向下变频技术，
4、将被测微波频率变成数百兆赫以下的频率，再由直接计 数器测量之，并能设法直接显示出被测微波频率值。按照不同的变频原理，可将 微波技术频率计分为预分频式、外差变频式、频率转换式和谐波外差式等。无源法主要是以众所周知的谐振式波长计为代表。它是将被测信号频率与一 个可调谐的无源回路的自然频率相比较，并以谐振的出现作为频率相等的指示。 在微博范围内，谐振波长计大都采用同轴式或波导式谐振腔。这种波长计由于结 构简单，价格低廉，使用便利等，使得其在日常粗测中获得了广泛的使用。3 微波频率计数器的基本原理由于受到器件最高运行速度的限制，直接利用计数器测量频率，其测量范围有限。为了扩大微波计数器测量频率的范围，
5、很多采样技术得到了应用。目前， 在测试仪器设计中广泛应用的采样方法有以下几种：预定标法、外差下倍频法、 置换振荡法和外差谐波下倍频法。3.1 预定标法 预定标法是利用分频器来扩展微波计数器频率测量的范围，若使用 N 分频的 计数器，则计数器可以测量的频率范围可以扩展至 N 倍。该法的主要优点是微波 计数器结构简单，成本低；主要缺点是微波计数器分辨率低，可测量的最高频率 有限。3.2 外差下倍频法 利用混频法将输入信号与高稳定标准时钟混频，混频器差频输出频率达到普 通频率计可以测量的频率范围。图 3-1为外差下倍频法计数器的方框图。图 3-1 外差下倍频法计数器的方框图电子计数器送出高精度的标准
6、频率 f ，在谐波发生器中产生它的各次谐波。s被测信号f输入时，谐波滤波器由低到高选出标准时钟信号的谐波分量Nf。被xs选出的第N次谐波使差频f二f -Nf处在计数器的计数频率范围内时，计数器I x s 开始计数得到差频值，则输入的微波信号 f 的频率为：xf 二 Nf + fx s I3.3 置换振荡法被测频率f与压控扫描振荡器频率f的谐波Nf进行混频，其差频信号输出x L L频率为f二f -Nf。当f落在差频放大器的通频带内时，鉴相器的输出电压控I x L L制压控振荡器，使它停止扫频，并由锁相环路保证与 f 锁定。当锁相环锁定时， x被测信号频率：f 二 Nf + fx L s 由于置换
7、振荡法应用了锁相电路，其环路增益和整机灵敏度很高，但闸门时 间需扩展 N 倍，因而在同样测量时间情况下其分辨率比外差下倍频法低，图 3-2 为置换振荡法原理图。图 3-2 置换振荡法原理图3.4 外差谐波下倍频法 外差谐波下倍频法是置换振荡法和外差下倍频法相结合的一种频率测量方 法，即应用置换振荡法捕获微波输入频率，然后利用外差下倍频法进行频率测量， 输入被测频率 f 经谐波混频器与 Nf 混频，得到差频 f ；用第二取样环确定谐波xsif数N,则微波信号f的频率：xf 二 Nf + fxs if图 3-3 外差谐波下倍频法原理图3.5 提高微波频率计数器测量精度的方法 由微波频率计数器基本原
8、理可知,微波频率测量的最终实现都要通过测频法 和测周期法来完成。由于标准时钟信号与被测信号不相关,在硬件上无法控制两 路信号同步，因此在实际测量中总存在计数值为“ 1”的计数误差。为减小误 差,提高测量精度,以下几种方法在实际的频率计数器设计中得到广泛应用：多 周期同步测频法、模拟内插法、游标内插法和平均法。3.5.1 多周期同步测频法测频的量化误差是由闸门与被测信号不同步引起的，为减小量化误差，必须 使闸门时间等于被测信号整周期数。图3-4 为多周期同步测频法原理图。其设计 原理是采用预置闸门，用 f 对预置闸门同步，在同步闸门时间内对 f 计数得到被 ii 测信号整周期数 N 。为确定同步
9、闸门时间，用另一计数器对标准频率 f 计数得 x0 到N，闸门开启时间为N /f ,测量得到的频率为f =N f /N。由于闸门的 0 0 0 i x 0 0开启与被测信号完全同步，所以N无“ 1 ”误差，N有“ 1 ”误差，但一般Nx 0 0 较大，“ 1/ N ”较小。此方法可以利用微处理器控制闸门来实现不同闸门时间 0 内频率的等精度测量，此方法在被测信号频率低于标准时基最高频率时可以很好的减小误差，但是当被测信号频率高于标准时基最高频率时，此方法失效。图 3-4 多周期同步测频法原理图4 光频测量新方法的概述传统的时间频率基准采用的是微波量子基准，如秒的定义就是根据铯原子能 级的跃迁频
10、率而定义的。但是，近年来越来越多的研究成果表明，光频标具有更 高的频率准确度和 稳定度。其潜在的频率准确度为1x10-18，而稳定度为 1X 10-16 /- 1/。这些指标比微波量子原子频标的精度高了三个数量级。由于对光 频标的研究对人类具有非常重要的意义，美国、德国等国家在光频标的研究方面 已经投入了大量的人力和物力，也有了 20 多年的研究积累。光频标的研究进展 上的困难主要是因为它较之微波频标在频率值方面要高 5 个数量级，因此造成了 测量和利用方面的极大困难。近年来在光频标技术方面的突破性的进步主要表现 在：非常稳定的激光源和新的、能对光学频率进行测量的实际方法。在稳定的光源方面，代
11、表性的有：使用了激光冷却的 Ca 原子的 657 的标准 和使用了单个被囚禁并用激光冷却的Hg+离子的282nm的标准。在光频测量的方 法上，最初采用光源链混频的方案，结构非常复杂，测量系统的造价很高；近几 年，飞秒锁模的光梳为在不同光频标之间或微波及射频与光频之间相互比对提供 了一个很方便的工具，使得光频标的研究和光频测量获得了突破性的进展。能否 找到一个新的方法测量光频成为今后测量领域的发展方向。目前取得的基于光学技术的微波频率测量大致可以分为三类：一是时间参 数，通过测量微波调制光载波的两个边带在经过一段色散介质后产生的时延差的 大小来获得频率值；第二种方法是基于空间参数，利用光载波通过
12、一些特殊的光 学通道时，经过的通道不同来测量微波频率大小；第三类方法基于频率和功率的 对应关系，是目前光子学频率测量技术的主要研究方向。这类方法通常引入一个 幅度比较函数(Amplitude comparison function，ACF)，通过对由色散引起的微波 功率衰减后的比值函数的分析得到微波信号频率值。5 结论本文讨论了微波频率测量的基本方法，详细说明了微波频率计数器的工作原 理及改进技术方案，提高了频率测量的精度，保证了测试数据的有效性。光学频 标准被认为是更高频率精度的新型频率标准，随着科技的进步必将进一步得到重 视和研究，从而推动频率测量技术的新发展。参考文献1 张九才,杨显志,
13、王文祥,孙嘉鸿. 提高微波频率测量精度的方法 J. 中国 测试技术,2006,32(2).2 吴彭生,韩秀友,谷一英,胡墅,李善锋,赵明山.基于可调光延迟线的光子学微波频率测量J.发光学报,2011,32(9).3 袁杰,伊林,陈文兰,齐向辉,汪中,沈乃澈,陈徐宗. 利用锁相飞秒激光对碘分 子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量J.量子电子学报,200& 25(1).4 张慧君.高精度时间频率信号测量与分析平台的设计 D .北京:中国科学院 国家授时中心,2003.5 于建国.优于皮秒(Ps)量级的频标比对技术和高精度频率测量方法的研究D. 西安:西北工业大学,2003.6 王海.精密时频侧量和控制技术研究D.西安:西安电子科技大学,2007.7 唐世贤微波测量M.北京：国防工业出版社，1991.
