微波测量第一章-绪论.ppt

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1、微波测量微波测量测量是什么测量是什么？Network Analyzer Basics测量对象繁多测量对象繁多Device typeActivePassiveIntegrationHighLowAntennasSwitchesMultiplexersMixersSamplersMultipliersDiodesDuplexersDiplexersFiltersCouplersBridgesSplitters,dividersCombinersIsolatorsCirculatorsAttenuatorsAdaptersOpens,shorts,loadsDelay linesCablesTran

2、smission linesWaveguideResonatorsDielectricsR,L,CsRFICsMMICsT/R modulesTransceiversReceiversTunersConvertersVCAsAmplifiersVCOsVTFsOscillatorsModulatorsVCAttensTransistors不同测量方法不同测量方法Source BasicsCopyright 2000NFStimulus typeComplexSimpleComplexResponse toolSimpleDCCW Swept Swept Noise 2-toneMulti-Co

3、mplex Pulsed-Protocol freq power tone modulation RFDet/ScopeParam.An.NF Mtr.Imped.An.Power Mtr.SNAVNASAVSA84000TG/SADed.TestersI-VAbsol.PowerGain/FlatnessLCR/ZHarm.Dist.LO stabilityImage Rej.Gain/Flat.Phase/GDIsolationRtn Ls/VSWRImpedanceS-parametersComprnAM-PMRFIC testFull call sequencePulsed S-par

4、m.Pulse profilingBEREVMACPRegrowthConstell.EyeIntermodulation DistortionNFMeasurement plane测量定义测量定义测量是量是针对电参数而言。参数而言。微波测量意义测量是科学的眼睛，没有测量的科学是盲目的科学。人们掌握微波技术这门学科，不仅要解决这个波段的理论问题，还需要解决电磁波产生、放大、发射、接收、传输、控制和测量等。而在这些过程中，测量是尤其重要的手段。仅仅是发动引擎不能算是汽车专业测试。同样，设计电路或系统只能是说设计是可能的，成功的测试才能决定真是可行性。微波测量技术发展简介19世纪末期建立了麦克斯韦

5、方程组和电磁场理论。1897年J.W.瑞利建立金属波导管传播电磁波理论，并推断出由金属容器（空腔谐振器和有源器件相结合）激发空金属管，有可能传输电磁波能量。大约在1933年，科学家在实验室发现了空金属管能传输电磁波。1936年，索思沃思和W.巴罗发表了波导传输模式的激发测量论文。这是微波学科的诞生时期。可见微波学科同其他学科一样，从诞生起就有在理论指导下，伴随实验研究的特点。这是法则！简单简单、手、手动动测测量量仪仪器器电电子管技子管技术术、笨重、笨重复复杂杂的的仪仪器器第一代自第一代自动动测测量系量系统统晶体管技晶体管技术术、计计算机算机大量重复大量重复测测量、量、单单独独编编程程第二代自第

6、二代自动动测测量系量系统统数字技数字技术术、大、大规规模模集成集成电电路，路，标标准准仪仪器器接口接口第三代自第三代自动动测测量系量系统统虚虚拟仪拟仪器、模器、模块块化、化、VXIVXI总线总线、充分利用、充分利用计计算机算机测测量量仪仪器器及及测测试试系系统统的的发发展展3050年代，发展基础阶段，基本奠定低频至微波波段的各种仪器的结构和功能6070年代，腾飞与突破，特别是GPIB总线问世，使计算机与仪器有机联系，自动测试称为现实，极大提高测试准确度和重复性80年代，微处理器在测量仪器中广泛适用，智能化仪器出现，测量速度和控制功能提高，增加数据运算与处理能力、自带测试与外设控制以及自检测及自

7、校准能力80年代后期，专用集成电路和表贴技术广泛应用，仪器的集成度极大提高，出现模块化自动测试系统，90年代后仪器朝标准化、模块化和开放系统方向发展，测量速度与自动测试水平进一步提高电子测量仪器的发展方向小型化数字化智能化网络化虚拟化模块化小型化 得益于大规模集成电路的运用 典型的是FPGA的大量使用，门数多达上百万门、仪器中10万门 各种存储器容量的增加 使得电子产品体积大幅度减小 数字化 由于高速A/D的出现，使得模数转化的精度和速度得到极大提高（纳秒级、10位），而大规模DSP芯片的运用又为信号的各种处理提供了快速、可靠的方法。优点：抗干扰、精度高、易生产等 典型运用：手机、数字调制（A

8、SK 、FSK、PSK、QPSK）频谱仪：数字中频将滤波器、对数放大 等电路利用数字技术来实现 本质是利用AD后DSP芯片处理智能化采用人工智能技术：专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等 在设计阶段就充分考虑到维护、自适应等因素，利用软件和设计相应的电路使电子产品具有自测试、自诊断、自恢复、自适应等功能。网络化 各种局域网、广域网的普及，使得网络无处不在，相应的电子技术的发展和网络的发展是相互关联，相互促进的，电子产品的网络化使得网络的构成有了基础，而网络的发展又推动了电子产品更快地向网络化发展。蓝牙技术：短距无线通信，家电组网仪器：网卡 远程诊断虚拟化建立在计算机技术基础上核心是建模与仿

9、真:多媒体仿真虚拟现实仿真、分布交互仿真虚拟战场、虚拟仪器、飞行模拟器30年代 美国飞行模拟座舱60年代英国警犬导弹研制当今美国HUSTON的飞船仿真波音777采用虚拟技术实现无纸生产我国电网仿真优点：节约、提高速度 趋势 智能仿真：模糊技术、神经网络模块化由于计算机技术和数字处理技术的快速发展以及各种总线标准的开放，采用标准总线结构，共用相同资源的电子产品大量出现。电子测量仪器：GPIB接口总线、VXI、PXI总线，出现了模块化仪器VXI 信号源、频谱仪、示波器、PXI 示波器 1GHz带宽、4GS/s取样率测量概念 1.概念 a.测量是为确定被测对向量值而进行的实验过程 电子测量是对电参数

10、进行的测量 b.电子测量仪器是利用电子技术制造的测量电参 数的仪器 2.电子测量内容 a.电能量的测量 b.信号特性测量 c.元器件和电路参数测量 电电子子测测量技量技术术电电子子测测量是量是对对一切一切电电参数的参数的测测量量网网络络的的测测量量信号参量的信号参量的测测量量电电阻、阻、电电容、容、电电感、感、阻抗参量、阻抗参量、导纳导纳参量参量混合参量混合参量 、散射参量、散射参量信号功率参量、信号功率参量、频频率参数、率参数、调调制制特性的特性的测测量量信号采集信号处理、分析数据输出测量被测量值的仪器信号的产生信号处理信号输出产生标准输出的仪器微波微波测试仪测试仪器器信号信号测测量量网网络

11、测络测量量频谱频谱分析分析仪仪频频率率计计功率功率计计网网络仪络仪噪声噪声仪仪微波信号源微波信号源1.1.低低频频网网络络双口网双口网络络I1V1V2I2二二 元器件特性的网元器件特性的网络络表征方法表征方法阻抗参量阻抗参量(Z)(Z)导纳导纳参量参量(Y)ABCD(Y)ABCD参量参量V V1 1=Z=Z1111I I1 1+Z+Z1212I I2 2 I I1 1=Y=Y1111V V1 1+Y+Y1212V V2 2 V V1 1=AV=AV2 2+B(-I+B(-I1 1)V V2 2=Z=Z2121I I1 1+Z+Z2222I I2 2 I I2 2=Y=Y2121V V1 1+Y

12、+Y2222V V2 2 I I1 1=CV=CV2 2+D(-I+D(-I2 2)微波网络的表征方法a1b1a2b2b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2a1 端口1的电压入射波 S11 端口1的反射系数a2 端口2的电压入射波 S22 端口2的反射系数b1 端口1的电压出射波 S12 反向传输增益b2 端口2的电压出射波 S21 正向传输增益S11S22S21 S12 时域测量、频域测量标量参数测量矢量参数测量反射、传输参数测量元件参数测量网络测量测量线系统、自动网络分析仪、六端口测量系统、阻抗桥信号的测量信号类型：正弦信号：S（t）=A（t）COS2f（t）+（t）时域

13、测量 频域测量 调制域测量 宽带、能测量相位差、幅度差、脉冲性能无法测量小失真相对窄带、能根据需要压缩带宽、测量小失真、动态范围大测量时间和频率关系信号分析：时域和频域关系示意图timeAmplitude(power)frequencyTime domainMeasurementsFrequency DomainMeasurementsf（t）tV（f）ff（t）ttf（t）V（f）V（f）ff时域波形时域波形频域波形频域波形时域和频域关系时域频域傅里叶变换d信号特性频率特性电能量特性频率准确度、稳定度频谱分布、频谱纯度电压、电流功率稳定度分：长稳、短稳调制特性调频、调幅、调相、脉冲调制频率短

14、期稳定度频率短期稳定度时域时域 阿伦方差阿伦方差频域频域单边相位噪声单边相位噪声傅里叶变换傅里叶变换 2=1/2mf02（f1-f1)+(f2-f2)+(f3-f3)+.f1 f1 f2 f2 f3 f3 单边相位噪声单边相位噪声(SSB):偏离载波偏离载波f0为为f 处处,每赫兹每赫兹带宽的单边带功率和带宽的单边带功率和载波功率之比载波功率之比 f0 f调制域测量S（t）=A（t）COS2f（t）+（t）调幅调频调相调幅：v（t）=Ac（1+MaCOSt）COSt调频：v（t）=VcCOS（t+Mfsint）调相：v（t）=VcCOS（t+MfCOSt）ttff数据域测量数据域测量研究以离散

15、的时间和事件为自变量的数据流，用数据流、数据格式、设备结构、状态空间概念表征数字系统特征。微波测量内容微波测量内容微波信号源微波信号源微波频率及频谱微波频率及频谱微波功率微波功率微波网络参量微波网络参量Q值测量值测量介质参数测量介质参数测量噪声测量噪声测量交调交调微波测量仪器的使用（信号源、矢量网络分析仪、微波测量仪器的使用（信号源、矢量网络分析仪、标量网络分析仪、功率计、频谱仪、噪声系数测标量网络分析仪、功率计、频谱仪、噪声系数测试仪）微波信号特性分析试仪）微波信号特性分析微波波长很短的电磁波 频率f：300MHz 300GHz 波长 ：1m 1mm毫米波高端:亚毫米波段 10.1mm远红外

16、:0.3mm0.01mm什么是微波什么是微波微波：工作频段的波长在微波：工作频段的波长在1m-1cm（300MHz-30GHz）之间的电）之间的电路，广义上还包括毫米波（路，广义上还包括毫米波（30GHz-300GHz）和亚毫米波（）和亚毫米波（300GHz-3THz）电路。）电路。常用的微波波段代号波段代号波段代号 标称波长（标称波长（cmcm）频率范围（频率范围（GHzGHz）波长范围（波长范围（cmcm）L L22221-21-230-1530-15S S10102-42-415-7.515-7.5C C5 54-84-87.5-3.757.5-3.75X X3 38-128-123.7

17、5-2.53.75-2.5KuKu2 212-1812-182.5-1.672.5-1.67KuKu1.251.2518-2718-271.67-1.111.67-1.11KaKa0.80.827-4027-401.11-0.751.11-0.75U U0.60.640-6040-600.75-0.50.75-0.5V V0.40.460-8060-800.5-0.3750.5-0.375W W0.30.380-10080-1000.375-0.30.375-0.3微波测量的任务利用已有的测量装置和仪器，组成合乎要求的测试系统；测量仪器和测量方法的研究：利用当前已有的微波理论和技术，研究符合实

18、际的测量方法，包括研究新的测量仪器和先进的测量方法），而这些将推动微波理论和技术的发展；保证测量结果的可信度：消除误差，提高精度，从而保证在科研和生产中测量结果的可信赖度。近代微波测量的主要特点大跨度的宽频带测试功能和高频率稳定度；为提高测量精确度和速度，要求测量仪器智能化，测量系统自动化；研究信号源，特别是相位噪声的测量方法和理论；微波电子设备小型化的要求激励了微波集成电路的发展，促使微波测量技术向微型测试、电光测量技术方向发展；新型微波电子设备的研究，促进了微波材料的发展。需要研究对微波材料介质参量的测量；可靠的晶体管S参数的测量方法。主要运用与微波电路的CAD方法；利用软件提高测量的精确

19、度。例如采用精密测量技术的各种拟合模型可提高测量精度，误差网络法能在很大程度上消除系统误差，提高测量准确度等。四个非常重要的基本点需要测试的参数是什么适当的测试准备如何履行正确测试如何分析结果需要测试的参数是什么在测试前整理一个需要测量的参数列表仔细研究被测器件，筛选出最能描述器件特性的参数。事先准备好，既可以节约时间，金钱，也可以养成良好的测试习惯。适当的测试准备选择合适的激励源选择合适的接收机选择合适的附件核查仪器及附件功率容量8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz举例对特定的频率范围感兴趣电平始终在通带内有细微波动，看起来失锁，在频率高端显示中断，仔细

20、检查所有的接头，连接电缆连接都很可靠，网络分析仪，信号源等都经过仔细检查，看起来测试系统完全没有问题波长计是一个高Q值的元件，其幅频特性曲线在带内带外的变化很快，或则说其幅度随频率的变化是变化的在频率高端，波长计的衰减太大，扫源的补偿就无法完成，因此频率高端信号源到被测件的信号已经衰减很大以至于后面示波器检测不到有用信号造成波形不对。解决方案：把波长计放到电平控制环路外即可如何履行正确测试如何履行正确测试对于如何履行测试环节，并非是我们要进行一步一步的测试，而是我们后面章节将详细说明的具体测试方法，我们将涉及到一些通常会被忽略甚至忽视的具体细节，比如失配、误差校准、测量误差、电缆损耗等一些经常

21、被忽略的因素。一些基本参量，如加在有原电路上的直流电压，如果事先没有进行功率电平测量，可能就会对测量带来无法挽回的损失。大多数时间，上面提到的因素都不被认为是什么真正的大问题。衰减器和热敏电阻计都有自己的校准曲线；仪表手册也给有精确图表；电缆损耗也可以在进行测试时从被测器件中扣除，在校准中把其进行归一化处理；直流偏置也容易可以用伏特表测出；功率电平也可以用功率计读出。这些准备工作当然会占用测量时间，但这样我们将避免因得到错误数据而浪费更对时间。所以对上面提到的一些因素还是要引起重视。正确测试对实验过程也是非常重要的，测试不仅仅为得到一幅图表，测试过程中一定要注意中间有哪些具体步骤，也要知道那些

22、将引入误差，那里又损耗，什么样的电压及功率电平是需要的。总之，事先想清楚，有一个清晰的思路比测试结果本身更为重要。如何分析结果如何分析结果做好测试计划，尽可能从结果中获取更多的有用信息有时候有些测试数据是无法直接获取的，只能通过间接方式取得。我们能做的是一定要仔细分析需要间接获取什么样的参数，然后再来搭建正确的测试系统。比如，若要从测试仪器上读出被测器件的VSWR这个参数，就没有必要为测量反射损耗（return loss）或反射系数（reflection coefficient）等数据而为测试系统进行详尽设置，虽然，我们可以从这两个数据中计算出VSWR值，但如果可以的话，我们的目标应该是直接从

23、测试仪表中读出这个值。显然，最直接的方法是直接读取而不是读取后再计算，也许计算还可能引入计算的人为误差。所以测试追求的不是结论而是正确的结论。总结 不要强拧接头；不要强拧接头；接头要接触可靠且成直线对接；接头要接触可靠且成直线对接；使用接头尽可能不转接；使用接头尽可能不转接；SMASMA接头连接尽可能用力矩扳手；接头连接尽可能用力矩扳手；N N型和型和TNCTNC型接头不能用老虎钳拧；型接头不能用老虎钳拧；学会如何正确适用学会如何正确适用APC-7(7mmAPC-7(7mm接头接头)接头；接头；超过超过500MHz500MHz不能用不能用BNCBNC接头；接头；保持接头整洁；保持接头整洁；选择

24、合适的连接电缆；选择合适的连接电缆；有源器件的直流偏置使用前一定要测量；有源器件的直流偏置使用前一定要测量；有源器件的直流偏置使用时限流以确保不损坏器件；有源器件的直流偏置使用时限流以确保不损坏器件；测试前如果有可能检测测试环境的噪声指标；测试前如果有可能检测测试环境的噪声指标；测试前设置所有仪表为最大量程；测试前设置所有仪表为最大量程；打开电源前检查设备（功率计、频谱仪等）允许最大输入功率；打开电源前检查设备（功率计、频谱仪等）允许最大输入功率；确保波导系统成直线排列；确保波导系统成直线排列；保持波导法兰盘（保持波导法兰盘（flangesflanges）干净整洁；）干净整洁；对同轴耦合器、衰减器、检波器等器件提供支撑，不要悬挂在一起上；对同轴耦合器、衰减器、检波器等器件提供支撑，不要悬挂在一起上；用合适的仪器做正确测量；用合适的仪器做正确测量；记住所有微波测试仪表均为精密装置，小心善待。记住所有微波测试仪表均为精密装置，小心善待。