【电子科大课件】【微波测量】第二部分-测量用信号源

第二部分测量用信号源微波信号源微波测量用信号源主要指产生微波正弦振荡的各种微波信号发生器一.信号源的种类和用途简易信号发生器频率可调，最大输出功率至少达mW级，并能连续衰减，输出的微波振荡至少能用一种低频方波进行开关式调幅功率信号发生器输出功率达1W以上的简易微波信号源标准信号发生器频率和功率可细调，屏蔽良好，可采用不同的调制方式，调制度可变并能读数微波电子器件，微波半导体器件，机械调谐，电子调谐，电控或磁控调谐（变容管和YIG）,点频工作方式，扫频工作方式，步进式或数字式扫频，频率合成式信号发生器（兼有频率合成和宽带扫频特色的高稳定度扫频源）微波振荡器分为以下几类:晶体三极管振荡器双极晶体管(BJT)用于1GHz---3GHz范围内,成本低,性能稳定.场效应晶体管(MESFET)用于2GHz---40GHz范围内.异质结双极晶体管(HBT)用于2GHz---40GHz范围内,相位噪声比较低.为改善频率稳定性,晶体三管的谐振电路常采用介质谐振器做稳频电路.二极管振荡器雪崩二极管,频率可达毫米波段,功率可以输出瓦的量级,噪声比较大,可做噪声源体效应管,频率可达毫米波段,功率略小,大约百毫瓦量级,噪声比较小.真空器件速调管、磁控管、行波管、反波管、回旋管等真空器件可以产生很大的功率，如兆瓦级，用于雷达、电子加速器等领域。晶体三极管和二极管都属于固态器件，体积小、电压低、功耗低，但在大功率性能上无法与真空器件相比。基本微波信号发生器的框图电子流与电场的能量交换任何微波振荡器的基本任务是要借助运动着的电子，将直流电源的能量转换为微波能量，以达到产生振荡的目的。要将电子进行密度调制，将均匀分布的电子变成群聚电子块，才能实现利用电子将直流电源的能量转换为微波能量。电子流与场相互作用电子流与场相互作用21GGVV12GG0vv21GGVV12GG0vv12GG当时,电子在间加速,电源将能量交给电子当时,电子在间减速,电源将能量交给电子使电子成为电子群,并在电源的负半周最大值时通过的间隙,电子流与电源能量交换得最有效.“自建”场与电子流作用交换能量的电场是电子流通过间隙时自己建立的，是一种“自建”电场，而且正是通过这个“自建”电场从电子注摄取高频能量，向外电路传送至负载。灯塔管振荡器P：板极G:栅极K:阴极（三个电极为平行的平面状，减小渡越时间，减小引线电感）频率可达4G，功率可达瓦级（5瓦）反射速调管结构示意图群聚原理电子往返渡越时间:N=（n+3/4）个振荡周期（n为任意正整数）调制可采用平顶方波或矩形脉冲，不能采用正弦波等固态微波振荡器耿氏管1963年耿氏在实验中发现：在一块N型砷化镓晶体的两端安置欧姆接触电极，在电极上加直流电压，当外加电压使砷化镓材料内的电场大于3KV/CM时，产生了微波振荡，振荡频率与电极间的距离成反比。没有P—N，因此称为体效应管，可用电子转移理论来解释，亦称为转移电子器件。当外加电压达到一定的值时，出现电压增大，电流减小的负阻区域，是一种负阻器件，工作时所加偏压应处于负阻区中央。I-V曲线上出现负阻区域雪崩二极管振荡器（IMPATT管）在时，雪崩开始时，雪崩过程逐渐增强时，继续维持雪崩过程，并逐渐减弱1tt12ttt23ttt：雪崩电流，呈指数增长和衰落的脉冲电流，落后于v(t)的相位2aiai雪崩电流注入到I层，载流子以饱和漂移速度移动，漂移区可以看成是一个平板电容，雪崩电流在两平板间运动，从而在外电路形成感应电流si感应电流落后于微波电压的相位为这就是雪崩二极管负阻效应的来源。引起振荡的外加微波电压是管子内部微小电压波动产生的。雪崩二极管的漂移区特征频率为2sdVfW这个频率的微小电压波动将不断增强构成自激振荡，一般为20G,高频可到100G.雪崩二极管振荡器有同轴型、波导型和微带型。管子可工作于连续波和脉冲状态。最但特点是能工作到很高的毫米波段而有相当大的功率输出，缺点是比耿氏管的噪声高，调谐范围较窄。PIN调制器PIN是一种特殊的二极管，在P区和N区中间有一层极薄的几乎为纯半导体的I区（本征区）。管子加反向偏压时：I区的空穴和电子被吸走而成为空乏层，管子具有很大的电阻，同时具有低低哪容、低损耗和耐高压。管子加正向偏压时：P区和N区将空穴和电子注入I层，管子具有很低的电阻，最低能小于1欧姆，接近短路。使PIN管在正反两个偏置状态之间转换，可作为有效的开关。PIN管单管并联式调制器管子零偏时，衰减接近零，偏流增大后，管子电阻减小，衰减增大，可达数十分贝。但管子发射很大，使输入端的匹配很差，不实用。渐变多管阵列通过式PIN管调制器微波信号发生器的性能特性一、频率特性1.频率范围2.频率准确度和分辨率3.频率稳定度4.频率纯度二、输出特性1.输出电平2.屏蔽的严密性3.幅度稳定性和均匀性三、调制特性：包括调制种类、调制信号特性、调制指数、调制失真等。微波信号发生器的稳频与稳幅自动稳幅好的信号发生器，需要在内部或外部加自动稳幅装置，可用PIN管构成负反馈自动控制环路进行稳幅。自动稳幅装置的信号源为保证改变频率时输出的幅度不变，必须要求稳幅环路中信号取样器的耦合度和检波器的灵敏度在工作频带内的频率响应平坦。采用定向耦合器的另一个优点是能显著改善稳幅源输出端内的有效反射系数。因为它对负载的入射波取样，负载的反射波对稳幅几乎没产生影响，但当负载反射波被原来时失配的信号源再反射回来，变会被耦合出来产生稳幅作用，使输出幅度不会因为源的反射而变坏。定向耦合器输入端输出端1P2P辅助端3P耦合系数：输入功率对辅助端口的功率以分贝表示的比值。1310lgPLP方向性：表明一个定向器件能够分离反向行波的良好程度。基波锁相环稳定度：10-6~10-9锁相稳频采样式谐波锁相环变频锁相环选择n,m实现宽带内的连续稳频工作原理说明组成电子枪——微波信号的能量来源聚焦装置——约束电子束的发散慢波系统——减慢电磁波速度收集极——用以形成回路，回收电子螺旋形传输线是最常用的慢波结构电磁波以光速沿着螺旋线传输时，每走一圈在轴向才前进一个螺距，故在轴向形成慢波。电磁慢波系统的最大特点是电磁波在其中传播时的相速小于自由空间的光速，而在普通波导或同轴线中电磁波的相速则大于光速。微波电子管中高速运动的电子，根据相对论原理，其速度小于光速，为了使管内的电子与传输系统中的电磁波的相速同步，这就要求满足的条件，只有这样，才能使电子注于电磁波有效相互作用并交换能量。epvv返波管的主要优点是在很宽的频率范围内能够实现连续的快速电调谐，当改变慢波线电压时，电子注的速度将随之改变，振荡频率也随之改变。当返波管的慢波线尺寸确定后，振荡频率就决定于电子注的电压。特点：•扫频范围宽，可达几个倍频程；•扫频线性度好，不需要采用任何线性度措施，可优于0.5%;•YIG小球等效为无源谐振器，Q值高（无载Q值可到105）、稳定性好，寿命长，可靠性高；0()0.0112()fMHzHAm一、基本单频段结构及频段变换1.扫频发生器（对振荡器进行电调谐）产生幅度可变的周期性锯齿波电压或电流进行所需宽度的频率扫描。2.多用途PIN调制器可以接受内部或外部的自动稳幅信号，经差分放大器对输出扫频信号进行稳幅，同时在放大器另一端上作稳幅电平调节。不同频段的扫频发生器的差别主要在于电调谐振荡器及其连带的PIN调制器等高频部件的工作频率范围不同，其他部件可共用或简单调整后共用。微波扫频发生器的组成基本单频段结构扫频信号源二、差频式宽带结构通常采用外差式方案构成宽带扫频发生器。混频器工作原理振荡器频率为2.2GHz，则本振为2.3—4.2GHz，，于是输出可在0.1—2.0GHz，连续扫变（利用差频输出）根据混频原理，只要令固定频率振荡器的电平远低于扫频本振的电平，则差频信号的幅度便由定频振荡的幅度决定。扫频过程中差频幅度便可基本保持不变，在定频振荡器的后面用PIN管施加调幅和稳幅，则输出差频信号就受到了调幅和稳幅。差频式宽带结构频率合成式信号发生器频率合成器的实现方式有四种：直接频率合成器、锁相环频率合成器（PLL）、直接数字频率合成器（DDS）和PPL+DDS混合结构。其中第一种已经很少使用，第二、三、四种都有广泛的使用。直接频率合成技术