微波測量第一章-緒論.ppt

,微波測量,測量是什么？,Network Analyzer Basics,測量對象繁多,Device type,Active,Passive,Integration,High,Low,Antennas Switches Multiplexers Mixers Samplers Multipliers Diodes,Duplexers Diplexers Filters Couplers Bridges Splitters, dividers Combiners Isolators Circulators Attenuators Adapters Opens, shorts, loads Delay lines Cables Transmission lines Waveguide Resonators Dielectrics R, L, Cs,RFICs MMICs T/R modules Transceivers Receivers Tuners Converters VCAs Amplifiers VCOs VTFs Oscillators Modulators VCAttens Transistors,不同測量方法,Source Basics,Copyright 2000,NF,Stimulus type,Complex,Simple,Complex,Response tool,Simple,DC CW Swept Swept Noise 2-tone Multi- Complex Pulsed- Protocol,freq power tone modulation RF,Det/Scope,Param. An.,NF Mtr.,Imped. An.,Power Mtr.,SNA,VNA,SA,VSA,84000,TG/SA,Ded. Testers,I-V,Absol. Power,Gain/Flatness,LCR/Z,Harm. Dist. LO stability Image Rej.,Gain/Flat. Phase/GD Isolation Rtn Ls/VSWR Impedance S-parameters,Comprn AM-PM,RFIC test,Full call sequence,Pulsed S-parm. Pulse profiling,BER EVM ACP Regrowth Constell. Eye,Intermodulation Distortion,NF,Measurement plane,測量定義,測量是針對電參數(shù)而言。,微波測量意義,測量是科學(xué)的眼睛，沒有測量的科學(xué)是盲目的科學(xué)。人們掌握微波技術(shù)這門學(xué)科，不僅要解決這個波段的理論問題，還需要解決電磁波產(chǎn)生、放大、發(fā)射、接收、傳輸、控制和測量等。而在這些過程中，測量是尤其重要的手段。,僅僅是發(fā)動引擎不能算是汽車專業(yè)測試。同樣，設(shè)計電路或系統(tǒng)只能是說設(shè)計是可能的，成功的測試才能決定真是可行性。,微波測量技術(shù)發(fā)展簡介,19世紀(jì)末期建立了麥克斯韋方程組和電磁場理論。 1897年J.W.瑞利建立金屬波導(dǎo)管傳播電磁波理論，并推斷出由金屬容器（空腔諧振器和有源器件相結(jié)合）激發(fā)空金屬管，有可能傳輸電磁波能量。 大約在1933年，科學(xué)家在實驗室發(fā)現(xiàn)了空金屬管能傳輸電磁波。 1936年，索思沃思和W.巴羅發(fā)表了波導(dǎo)傳輸模式的激發(fā)測量論文。 這是微波學(xué)科的誕生時期。 可見微波學(xué)科同其他學(xué)科一樣，從誕生起就有在理論指導(dǎo)下，伴隨實驗研究的特點。這是法則！,簡單、手動 測量儀器,電子管技術(shù)、笨重 復(fù)雜的儀器,第一代自動 測量系統(tǒng),晶體管技術(shù)、計算機(jī) 大量重復(fù)測量、單獨 編程,第二代自動 測量系統(tǒng),數(shù)字技術(shù)、大規(guī)模 集成電路，標(biāo)準(zhǔn)儀器 接口,第三代自動 測量系統(tǒng),虛擬儀器、模塊化、VXI 總線、充分利用計算機(jī),測 量 儀 器 及 測 試 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展,3050年代，發(fā)展基礎(chǔ)階段，基本奠定低頻至微波波段的各種儀器的結(jié)構(gòu)和功能,6070年代，騰飛與突破，特別是GPIB總線問世，使計算機(jī)與儀器有機(jī)聯(lián)系，自動測試稱為現(xiàn)實，極大提高測試準(zhǔn)確度和重復(fù)性,80年代，微處理器在測量儀器中廣泛適用，智能化儀器出現(xiàn)，測量速度和控制功能提高，增加數(shù)據(jù)運算與處理能力、自帶測試與外設(shè)控制以及自檢測及自校準(zhǔn)能力,80年代后期，專用集成電路和表貼技術(shù)廣泛應(yīng)用，儀器的集成度極大提高，出現(xiàn)模塊化自動測試系統(tǒng)，90年代后儀器朝標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和開放系統(tǒng)方向發(fā)展，測量速度與自動測試水平進(jìn)一步提高,電子測量儀器的發(fā)展方向,小型化 數(shù)字化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化 虛擬化 模塊化,小型化,得益于大規(guī)模集成電路的運用 典型的是FPGA的大量使用， 門數(shù)多達(dá)上百萬門、儀器中10萬門 各種存儲器容量的增加 使得電子產(chǎn)品體積大幅度減小,數(shù)字化,由于高速A/D的出現(xiàn)，使得模數(shù)轉(zhuǎn)化的精度和速度得到極大提高（納秒級、10位），而大規(guī)模DSP芯片的運用又為信號的各種處理提供了快速、可靠的方法。 優(yōu)點：抗干擾、精度高、易生產(chǎn)等 典型運用：手機(jī)、數(shù)字調(diào)制（ASK 、FSK 、 PSK、QPSK） 頻譜儀： 數(shù)字中頻將濾波器、對數(shù)放大 等電路利用數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn) 本質(zhì)是利用AD后DSP芯片處理,智能化,采用人工智能技術(shù)：專家系統(tǒng)、知識工 程、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 在設(shè)計階段就充分考慮到維護(hù)、自適應(yīng) 等因素，利用軟件和設(shè)計相應(yīng)的電路使電 子產(chǎn)品具有自測試、自診斷、自恢復(fù)、自 適應(yīng)等功能。,網(wǎng)絡(luò)化,各種局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的普及，使得網(wǎng)絡(luò)無處不在，相應(yīng)的電子技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是相互關(guān)聯(lián)，相互促進(jìn)的，電子產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化使得網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成有了基礎(chǔ)，而網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又推動了電子產(chǎn)品更快地向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 藍(lán)牙技術(shù)：短距無線通信，家電組網(wǎng) 儀器：網(wǎng)卡 遠(yuǎn)程診斷,虛擬化,建立在計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上核心是建模與仿真:多媒體仿真虛擬現(xiàn)實仿真、分布交互仿真虛擬戰(zhàn)場、虛擬儀器、飛行模擬器 30年代 美國飛行模擬座艙 60年代英國警犬導(dǎo)彈研制 當(dāng)今美國HUSTON的飛船仿真 波音777采用虛擬技術(shù)實現(xiàn)無紙生產(chǎn) 我國電網(wǎng)仿真 優(yōu)點：節(jié)約、提高速度 趨勢 智能仿真：模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模塊化,由于計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的快速發(fā)展以及各種總線標(biāo)準(zhǔn)的開放，采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，共用相同資源的電子產(chǎn)品大量出現(xiàn)。 電子測量儀器：GPIB接口總線、VXI、PXI總線，出現(xiàn)了模塊化儀器VXI 信號源 、頻譜儀、示波器、PXI 示波器 1GHz帶寬、4GS/s取樣率,測量概念,1. 概念 a. 測量是為確定被測對向量值而進(jìn)行的實驗過程 電子測量是對電參數(shù)進(jìn)行的測量 b. 電子測量儀器是利用電子技術(shù)制造的測量電參 數(shù)的儀器 2.電子測量內(nèi)容 a.電能量的測量 b.信號特性測量 c.元器件和電路參數(shù)測量,電子測量技術(shù),電子測量是對一切電參數(shù)的測量,網(wǎng)絡(luò)的測量,信號參量的測量,電阻、電容、電感、 阻抗參量、導(dǎo)納參量 混合參量 、散射參量,信號功率參量、 頻率參數(shù)、調(diào)制 特性的測量,信號采集,信號處理、分析,數(shù)據(jù)輸出,測量被測量值的儀器,信號的產(chǎn)生,信號處理,信號輸出,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸出的儀器,電子測量儀器種類,微波測試儀器,信號測量,網(wǎng)絡(luò)測量,頻譜分析儀,頻率計,功率計,網(wǎng)絡(luò)儀,噪聲儀,微波信號源,1. 低頻網(wǎng)絡(luò),雙口網(wǎng)絡(luò),I1,V1,V2,I2,二 元器件特性的網(wǎng)絡(luò)表征方法,阻抗參量(Z) 導(dǎo)納參量(Y) ABCD參量 V1=Z11I1+Z12I2 I1=Y11V1+Y12V2 V1=AV2+B(-I1) V2=Z21I1+Z22I2 I2=Y21V1+Y22V2 I1=CV2+D(-I2 ),微波網(wǎng)絡(luò)的表征方法,a1,b1,a2,b2,b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2,a1 端口1的電壓入射波 S11 端口1的反射系數(shù) a2 端口2的電壓入射波 S22 端口2的反射系數(shù) b1 端口1的電壓出射波 S12 反向傳輸增益 b2 端口2的電壓出射波 S21 正向傳輸增益,S11,S22,S21,S12,時域測量、 頻域測量,標(biāo)量參數(shù)測量 矢量參數(shù)測量,反射、傳輸 參數(shù)測量 元件參數(shù)測量,網(wǎng)絡(luò)測量,測量線系統(tǒng)、自動 網(wǎng)絡(luò)分析儀、六端口 測量系統(tǒng)、阻抗橋,信號的測量,信號類型： 正弦信號：S（t）=A（t）COS2f（t）+（t）,時域測量 頻域測量 調(diào)制域測量,寬帶、能測量 相位差、幅度 差、脈沖性能 無法測量小失真,相對窄帶、能 根據(jù)需要壓縮 帶寬、測量小失 真、動態(tài)范圍大,測量時間 和頻率關(guān)系,信號分析 ：,時域和頻域關(guān)系示意圖,f（t）,t,V（f）,f,f（t）,t,t,f（t）,V（f）,V（f）,f,f,時域波形,頻域波形,時域和頻域關(guān)系,時域,頻域,傅里葉變換,d,信號特性,頻率特性,電能量特性,頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度 頻譜分布、頻譜純度,電壓、電流 功率,穩(wěn)定度分：長 穩(wěn)、短穩(wěn),調(diào)制特性,調(diào)頻、調(diào)幅、 調(diào)相、脈沖 調(diào)制,頻率短期穩(wěn)定度,時域 阿倫方差,頻域 單邊相位噪聲,傅里葉變換,2=1/2mf02（f1-f1)+(f2-f2)+(f3-f3)+.,單邊相位噪聲(SSB): 偏離載波f0為f 處,每赫茲 帶寬的單邊帶功率和 載波功率之比,調(diào)制域測量,S（t）=A（t）COS2f（t）+（t）,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,調(diào)幅：v（t）=Ac（1+MaCOSt）COSt 調(diào)頻：v（t）=VcCOS（t+Mfsint） 調(diào)相：v（t）=VcCOS（t+MfCOSt）,t,t,f,f,數(shù)據(jù)域測量,研究以離散的時間和事件為自變量的數(shù)據(jù)流，用數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)格式、設(shè)備結(jié)構(gòu)、狀態(tài)空間概念表征數(shù)字系統(tǒng)特征。,微波測量內(nèi)容,微波信號源 微波頻率及頻譜 微波功率 微波網(wǎng)絡(luò)參量 Q值測量 介質(zhì)參數(shù)測量 噪聲測量 交調(diào) 微波測量儀器的使用（信號源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計、頻譜儀、噪聲系數(shù)測試儀）微波信號特性分析,微波波長很短的電磁波 頻率f： 300MHz 300GHz,波長 ： 1m 1mm 毫米波高端: 亞毫米波段 10.1mm 遠(yuǎn)紅外: 0.3mm0.01mm,什么是微波,微波：工作頻段的波長在1m-1cm（300MHz-30GHz）之間的電路，廣義上還包括毫米波（30GHz-300GHz）和亞毫米波（300GHz-3THz）電路。,常用的微波波段代號,微波測量的任務(wù),利用已有的測量裝置和儀器，組成合乎要求的測試系統(tǒng)； 測量儀器和測量方法的研究：利用當(dāng)前已有的微波理論和技術(shù)，研究符合實際的測量方法，包括研究新的測量儀器和先進(jìn)的測量方法），而這些將推動微波理論和技術(shù)的發(fā)展； 保證測量結(jié)果的可信度：消除誤差，提高精度，從而保證在科研和生產(chǎn)中測量結(jié)果的可信賴度。,近代微波測量的主要特點,大跨度的寬頻帶測試功能和高頻率穩(wěn)定度； 為提高測量精確度和速度，要求測量儀器智能化，測量系統(tǒng)自動化； 研究信號源，特別是相位噪聲的測量方法和理論； 微波電子設(shè)備小型化的要求激勵了微波集成電路的發(fā)展，促使微波測量技術(shù)向微型測試、電光測量技術(shù)方向發(fā)展； 新型微波電子設(shè)備的研究，促進(jìn)了微波材料的發(fā)展。需要研究對微波材料介質(zhì)參量的測量； 可靠的晶體管S參數(shù)的測量方法。主要運用與微波電路的CAD方法； 利用軟件提高測量的精確度。例如采用精密測量技術(shù)的各種擬合模型可提高測量精度，誤差網(wǎng)絡(luò)法能在很大程度上消除系統(tǒng)誤差，提高測量準(zhǔn)確度等。,四個非常重要的基本點,需要測試的參數(shù)是什么 適當(dāng)?shù)臏y試準(zhǔn)備 如何履行正確測試 如何分析結(jié)果,需要測試的參數(shù)是什么,在測試前整理一個需要測量的參數(shù)列表 仔細(xì)研究被測器件，篩選出最能描述器件特性的參數(shù)。 事先準(zhǔn)備好，既可以節(jié)約時間，金錢，也可以養(yǎng)成良好的測試習(xí)慣。,適當(dāng)?shù)臏y試準(zhǔn)備,選擇合適的激勵源 選擇合適的接收機(jī) 選擇合適的附件 核查儀器及附件功率容量,舉例,對特定的頻率范圍2.5-3.7GHz感興趣,電平始終在通帶內(nèi)有細(xì)微波動，看起來失鎖，在頻率高端顯示中斷，仔細(xì)檢查所有的接頭，連接電纜連接都很可靠，網(wǎng)絡(luò)分析儀，信號源等都經(jīng)過仔細(xì)檢查，看起來測試系統(tǒng)完全沒有問題,波長計是一個高Q值的元件，其幅頻特性曲線在帶內(nèi)帶外的變化很快，或則說其幅度隨頻率的變化是變化的在頻率高端，波長計的衰減太大，掃源的補償就無法完成，因此頻率高端信號源到被測件的信號已經(jīng)衰減很大以至于后面示波器檢測不到有用信號造成波形不對。,解決方案：把波長計放到電平控制環(huán)路外即可,如何履行正確測試,對于如何履行測試環(huán)節(jié)，并非是我們要進(jìn)行一步一步的測試，而是我們后面章節(jié)將詳細(xì)說明的具體測試方法，我們將涉及到一些通常會被忽略甚至忽視的具體細(xì)節(jié)，比如失配、誤差校準(zhǔn)、測量誤差、電纜損耗等一些經(jīng)常被忽略的因素。一些基本參量，如加在有原電路上的直流電壓，如果事先沒有進(jìn)行功率電平測量，可能就會對測量帶來無法挽回的損失。 大多數(shù)時間，上面提到的因素都不被認(rèn)為是什么真正的大問題。衰減器和熱敏電阻計都有自己的校準(zhǔn)曲線；儀表手冊也給有精確圖表；電纜損耗也可以在進(jìn)行測試時從被測器件中扣除，在校準(zhǔn)中把其進(jìn)行歸一化處理；直流偏置也容易可以用伏特表測出；功率電平也可以用功率計讀出。這些準(zhǔn)備工作當(dāng)然會占用測量時間，但這樣我們將避免因得到錯誤數(shù)據(jù)而浪費更對時間。所以對上面提到的一些因素還是要引起重視。 正確測試對實驗過程也是非常重要的，測試不僅僅為得到一幅圖表，測試過程中一定要注意中間有哪些具體步驟，也要知道那些將引入誤差，那里又損耗，什么樣的電壓及功率電平是需要的。總之，事先想清楚，有一個清晰的思路比測試結(jié)果本身更為重要。,如何分析結(jié)果,做好測試計劃，盡可能從結(jié)果中獲取更多的有用信息 有