第三部分-信号频率和频谱测量

第三部分信号频率和频谱测量这个定义已被全世界所接受,并于1972年1月1日零时起,将时间单位”秒”由过去的”天文秒”改为”原子秒”.§3.1频率测量方法频率是周期信号的最主要的参量之一，是微波测量中最常需要测量的而且是能够测得准确的一种参量设法将被测频率直接或间接地与标准频率进行比较测量方法：有源法(用标准频率与被测频率直接比较)、无源法（谐振式波长计，以谐振的出现作为频率相等的指示）有源法：外差法、计数法外差法：零差法、恒差法、测差法fd=|fx-fs|外差法测频率dxsfff测差法：基波零拍法：谐波零拍法：xsdfff0,xsxsffff0,xsxsnmfnfffm§3.2微波外差式频率计§3.3微波计数式频率计直接计数式频率计最高量程：500－1500MHz一.直接计数式（1）直接测频(2)多周期测量及倒数测频910210()nxTA秒9210()10xnAT秒约为1秒(3)对信号波形的要求直接计数式频率计的输入被测信号不限于连续正弦波，也可以是非正弦波或脉冲波,甚至可以是已经调幅或调频的载波频率。灵敏度决定于放大量,可在一定范围内调节,最小信号一般需要数十毫伏.由于信号是宽频带的，直接计数器的输入信号要求有较好的信噪比，例如1000MHZ以上带宽时,要求40dB。xf二.预分频（1）二进制分频（2）锁相式分频采样分频锁相环当被测频率在很宽范围内变化时，则很难将其锁定到同一指定的分频比，如n＝１００）xf（3）自动分频方案案例将第一个压控振荡器的频率锁定到的某一次分谐频上,即1VCO1fxfn1xffn在经过一定的过程实现112fffm21ff1（1-）m02xffnf01()()xxxxffffnffnnm111-1-mm即最后结果所输出的频率等于是将直接分频了预先指定的m倍。这里隐含着一个条件，即谐波混频与谐波鉴频二者所取的谐波次数必须相等，即都为n，则分频倍数m才与n无关。因为实际上这里所用的谐波混频器也是有脉冲采样电路充当，只要适当选取和的频率使它们相差不大，此条件可以自然得到保证。0fxf1f2f即三.外差变频（提高测量精度）外差变频法：将固定频率外差振荡器的某个已知谐波与被测fx混频，使其差频进入计数器可测范围。1.手动外差变频法sf由VCO输出一系列锁定到的谐波频率信号,其幅度较强而均匀.采用YIG调谐的固体VCO,减少插件数sNfsf2.自动外差变频sNf外差变频式微波频率计具有很高的测量精度，因其测量结果中的部分具有与时基同样的准确度；部分具有直接计数频率计的精度。缺点是整机灵敏度较低。因为位于直接计数器前面的差频放大器必须是带宽达数百MHZ的宽带视频放大器，起增益不能很高，故最小输入信号要不低于-20dBm，且需要较好的信噪比（例如40dB）。df四.频率转换将计数器量程以上的微波频率fx转换成可直接计数的频率f，测出二者的关系，求出fx1.手动f调节振荡器频率,等到它的某次谐波与混频后的差频能够通过差频放大器而指示,便可仔细调直到示波器上显示的差频信号频率,于是,即.Nffxff0df0xfNfxfNf212Nfff2.自动灵敏度高、信噪比要求低，但测量时间长。并改手动的零拍法为恒差法。锁定时，必定有及，并设法（例如搜索扫描时始终使由低向高扫变）使环路始终锁定在，于是得出由计数器得出，并已知，确定N后即可得出1drff11xdfNff11dxffNf1f11xdrfNffNff1frfxf图中下面一个支路是专门为求取N而设。（请自己阅读）自动转换振荡器式微波计数频率计的突出特点，就是它对输入信号幅度的灵敏度高，一般要比外差式高20dB左右，可达-35dBm或更好；同时对信噪比要求低，20dB即可工作。缺点是每使±1个计数所表现的测量精度降低了N倍，或者是使测量时间拉长了N倍。五.谐波外差式综合了普通外差变频式和转换振荡器式二者的优点，构造比较简单，因此价格低§3.4微波谐振式波长计微波波长计：利用分布式参数的微波腔体谐振器对频率的选择作用测量频率的一类器件。波长计：同轴谐振腔、圆柱波导谐振腔谐振腔具有三个基本参量：谐振频率（或谐振波长），固有品质因数和特性阻抗，这三个基本参量都是对于腔中的某一个振荡模式而言的，模式不同，其基本参量的数值一般是不同的0f00Q01.谐振频率是腔中某一模式的场发生谐振时的频率，谐振的发生与否可由腔内场量呈纯驻波分布或电场能量与磁场能量平均值相等或腔内的总等效电纳为零等三个条件之一来判别。2.品质因数谐振腔的固有品质因数定义为：0f0f0Q02Q腔中电磁场的总储能一个周期内腔中的损耗能量谐振时是衡量腔内储能与耗能比例的一种质量指标，故称为品质因数。谐振腔品质因素：f0:中心频率3dB带宽：dBffQ30dBf3在工程上往往只需要对的大小有个粗略估计，这时有0Q01VQs：趋肤深度，V：腔体体积，S：腔内壁面积。在厘米波段谐振腔的值可达数量级。0Q410一、同轴TEM型λ/2谐振腔结构：一段同轴线，一端为固定短路面，另一端用短路活塞封闭，其长度可以通过活塞调节。0,(1,2,3...)2lnn内外导体长度相等为了保证工作在TEM模，工作上限频率必须满足条件：（其中：d、D分别为内导体直径和外导体内径）为保证单值性，下限频率需满足关系：同轴TEM型λ/2波长计工作波长为：3cm—10cm)(2maxDdcf2minmaxff二.同轴TEM型λ/4谐振式波长计结构：由一端开路、一端短路的同轴线段构成。原理：当腔长为信号波长的1/4或1/4的奇数倍时，会发生谐振。0(21),(0,1,2,...)4lnn外导体长于内导体，且外导体的半径应保证延长段为一段截止圆波导以消除开口的辐射损耗，从而构成无辐射开路为保证单模工作有：谐振条件：波长计调谐范围为：3：1。2)(minDd1)2n1,3,5.....:(k4kl芯杆距端面远时的场分布芯杆距端面近时的场分布三.电容加载同轴式谐振腔在λ/4同轴谐振腔的终端加入容性负载，可改善特性：1.在同样上限频率下，腔体尺寸减小。2.使调谐范围扩大到4：1，甚至10：1。四.电容加载E010圆柱式谐振腔圆柱型腔的基模为E010。场分布只在r方向上变化，谐振波长为：λ0＝1.3D(D:腔体直径）当在腔体中心处插入较粗的金属棒时，腔体等效电容变化，从而使谐振频率变化。调谐范围为4：1。腔内场分布加载电容变化所至场分布变化五.H111及H011型圆柱谐振腔圆柱谐振腔可看作两端短路的园波导。其传输信号波长满足关系：其中：λ为信号在自由空间中的波长。λc为波导的截止波长。λg为波导内传输波长。22)1()1(1gc对园波导：D为园波导内直径，为Jl(x)=0的第m次根。谐振时有：谐振波长为：谐振频率为：lmcxD2gnL22)2()(1LnDxlm2222)()2()()(LDcncxfDlmlmxl:为场量沿圆柱座标θ变化的周期数。m:场量沿r方向变化的半周期数。n:谐振时沿轴向z的整数半波长数。对于给定波型，即l、m、n一定时，与呈正比关系；不同波型有不同的关系曲线。2)(fD2)(LD圆柱形谐振腔波形图采用H111模式时，覆盖频率为1.2比1左右，但Q值较低，测量精度为0.08%。H111腔及其激励方式H011模式的最大特点是腔壁表面只有圆周方向的电流，由此引出它在实际应用中的很重要的两个性质：H011谐振模的腔壁损耗很小，品质因数很高，可做成高Q腔。没有电流线跨越侧壁与端面的交界线，因此H011模腔的端壁可以做成非接触式活塞，活塞与腔壁之间的间隙并不影响腔的性能，反而有利于抑制干扰模。H011腔为高Q腔，腔体尺寸较大，覆盖频率约为1.075:1。通常用作雷达站的回波测试。六.谐振式波长计接入方式1.反应式单耦合口谐振腔构成，谐振时吸收功率最大，导致后继电路中功率下降。下降最低点为谐振指示。串连接入式并联接入式谐振曲线当反应式波长计接入支线长度不符合要求时，谐振曲线的形状会发生畸变。即使有严重畸变时，仍一律以最小点作为谐振指示，最小点的少许偏移可在刻度或校准时消除。2.通过式波长计有两个耦合口，一个为输入，另一个为输出。利用耦合器将波长计直接接入电路中。通过取样器通过定向耦合器传输/反应式混合用法§3.5信号频谱及频谱分析信号的时域分布和频域分布互为傅立叶变换。一般是实函数，一般为复数，即包括幅度谱和相位谱。单靠幅度谱不能唯一的决定现代谱仪可观测从超低谱到300GHz的全频段谱分布。2()()jfVfvtedt2()()jfvtVfedf()Vf()vt()Vf()vt一、常见信号的频谱1.单脉冲的频谱时域：频域：2.周期性脉冲的频谱当信号为周期性时，其频谱不再连续，谱线变为一系列离散直线，线间频率间距为信号的重复频率。频谱的包络形状与单次脉冲的谱分布相同。如:3.正弦及脉冲调幅波的频谱正弦及脉冲调幅波的数学表达式：展开后：)cos()]cos(1[)(0011ttMVtVeam)])cos[(2)])cos[(2)cos()(0101010100tMtMtVtVeam加载调制的载波信号，其谱线为将调制信号的谱线从f=0的对称点，搬移到f=f0(载波频率）为对称点，其谱线的分布和形状保持不变。4.正弦调频和调相波的频谱正弦调相波的数学表达式为：展开后：1)(m)]sin()cos[(00tmtVVcm)]()cos[(2)]()cos[(2)cos(000000tmtmtVVcm对于大调制系数，如m1，有m=4时的分布])cos[()(00ntnmJVVnncmm=0.2二.常见频谱分析仪1.实时和非实时式频谱分析仪实时式：频谱图实时反映信号的频谱分布状况。此类谱仪的特点：1).工作在小量程，有高的分辨率。2).具有实时测量特性。3).能分辨单次瞬变信号和噪声污染信号。4).能测量两路信号的相关特性和传递函数。非实时式：不是采取和显示同一时刻的全部频谱成分，而是采用扫频方式依次选通信号频谱中的每个频率成分。§3.6微波频谱仪的构造1.扫中频式和扫前端式灵敏度受第一级混频器内部噪声影响，增益由中频放大器确定；中放带宽确定频率分辨率，当中频频率较低时易实现窄通带和高分辨率。最后一级变频后的滤波器带宽确定整机分辨率。镜像频率（对于这个方框图而言）将引起不同的频率（当与本振混频时）落在中频频率上20MHZ---30MHZ20MHZIFIMAGELOfffIMAGEIFLOfff本振频率是输入频率加上中频频率，或LOxIFfff因此2IMAGExIFfff扫中频式：扫前端式：二.频率轴读数方法（参考书中P84图2-8.2）三.基波混频与谐波混频（1）.谐波混频原理谐波混频是为了拓宽频谱仪的工作频谱范围。若本振为：经混频管后：tataLsin)(0)sin()2sin(sin)(2210nLnLLtnAtAtAAtA若被测信号为：混频后，每一个信号频率成分与本振基波均有一个频差，幅度。当信号与本振的谐波混频后有：频率：幅度：)sin()sin()sin(222111skskskssssssstEtEtEeskLskEA1skLnsknEA§3.7微波频谱仪的主要参数1.幅度相关参数1）输入阻抗和驻波比输入阻抗常为：50Ω驻波比：小于1.52)最大允许输入电平3）噪声系数和灵敏度噪声系数：谱仪内部各部分噪声折合到输入端总噪声电平比输入电路的热噪声电平高出的dB数，FdB。灵敏度：输出信噪比为1：1时的连续波输入信号电平4).动态范围以dBm作单位的频谱仪最佳输入电平与灵敏度电平之