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1、【电子科大课件】【微波【电子科大课件】【微波测量】第二部分测量】第二部分-测量用测量用信号源信号源微波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一一.信号源的种类和用途信号源的种类和用途二二.简易信号发生器简易信号发生器 频率可调，最大输出功率至少达频率可调，最大输出功率至少达mWmW级，并能连续衰减，输出的微波振荡至少能级，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用一种低频方波进行开关式调幅功率信号发生器功率信号发生器 输出功率达输出功率达1W1W以上的简易微波信号源以上的简易微波
2、信号源标准信号发生器标准信号发生器 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（变容管和管和YIGYIG）,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）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微波振荡器分为
3、以下几类:晶体三极管振荡器晶体三极管振荡器 双极晶体管双极晶体管(BJT)(BJT)用于用于1GHz-3GHz1GHz-3GHz范围内范围内,成本低成本低,性能性能 稳定稳定.场效应晶体管场效应晶体管(MESFET)(MESFET)用于用于2GHz-40GHz2GHz-40GHz范围内范围内.异质结双极晶体管异质结双极晶体管(HBT)(HBT)用于用于2GHz-40GHz2GHz-40GHz范围内范围内,相位相位 噪声比较低噪声比较低.为改善频率稳定性为改善频率稳定性,晶体三管的谐振电路常采用介质谐振晶体三管的谐振电路常采用介质谐振 器做稳频电路器做稳频电路.二极管振荡器二极管振荡器 雪崩二极
4、管雪崩二极管,频率可达毫米波段频率可达毫米波段,功率可以输出瓦的量功率可以输出瓦的量 级级,噪声比较大噪声比较大,可做噪声源可做噪声源 体效应管体效应管,频率可达毫米波段频率可达毫米波段,功率略小功率略小,大约百毫瓦量大约百毫瓦量 级级,噪声比较小噪声比较小.真空器件真空器件 速调管、磁控管、行波管、反波管、回旋管等真空器件速调管、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。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，
5、但在大功率性能上无法与真空器件相比。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基本微波信号发生器的框图电子流与电场的能量交换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，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。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。电源的能量转换为微波能量。电子流与场相互作用
6、电子流与场相互作用 电子流与场相互作用电子流与场相互作用当当 时时,电电子在子在 间加间加速速,电源电源将能量交给电子将能量交给电子 当当 时时,电电子在子在 间减间减速速,电源电源将能量交给电子将能量交给电子 使电子成为电子群使电子成为电子群,并在电源的负半周最大值时通过并在电源的负半周最大值时通过 的间隙的间隙,电子流电子流与电源能量交换得最有效与电源能量交换得最有效.“自建自建”场场 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，是一种建立的，是一种“自建自建”电场，而且正是通过这个电场，而且正是通过这个“自建自建”电场电场从电子
7、注摄取高频能量，向外电路传送至负载。从电子注摄取高频能量，向外电路传送至负载。灯塔管振荡器灯塔管振荡器P P：板极：板极 G:G:栅极栅极 K:K:阴极阴极 （三个电极为平行的平面状，减小渡越时间，减（三个电极为平行的平面状，减小渡越时间，减小引线电感）小引线电感）频率可达频率可达4G4G，功率可达瓦级（，功率可达瓦级（5 5瓦）瓦）反射速调管结构示意图反射速调管结构示意图 群聚原理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固态微波振荡器 耿氏管耿氏管 19
8、631963年耿氏在实验中发现：在一块年耿氏在实验中发现：在一块N N型砷化镓晶体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外加电压使砷化镓材料内的电场大于3KV/CM3KV/CM时，产生时，产生了微波振荡，振荡频率与电极间的距离成反比。了微波振荡，振荡频率与电极间的距离成反比。没有没有PNPN，因此称为体效应管，可用电子转移理，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。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，电流减当外加电压达到一定的值时，出现电压增
9、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。处于负阻区中央。I-V曲线上出现负阻区域曲线上出现负阻区域 雪崩二极管振荡器（雪崩二极管振荡器（IMPATTIMPATT管）管）在在 时，雪崩开始时，雪崩开始 时，雪崩过程逐渐增强时，雪崩过程逐渐增强 时，继续维持雪崩过程，时，继续维持雪崩过程，并逐渐减弱并逐渐减弱 ：雪崩电流，呈指数增长和衰落的脉雪崩电流，呈指数增长和衰落的脉冲电流，冲电流，落后于落后于v(t)v(t)的相位的相位雪崩电流注入到雪崩电流注入到I I层，载流子以饱和漂移层，载流子以饱和漂移速度移动，漂移区可以看
10、成是一个平板电速度移动，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，从而在外容，雪崩电流在两平板间运动，从而在外电路形成感应电流电路形成感应电流感应电流落后于微波电压的感应电流落后于微波电压的 相位为相位为 这就是雪崩这就是雪崩 二极管负阻效应的来源。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。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雪崩二极管的漂移区特征频率为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,高频高频可到可到100G.雪崩二极管振荡器有
11、同轴型、波导型和微带型。管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，调谐范围较窄氏管的噪声高，调谐范围较窄。PINPIN调制器调制器PINPIN是一种特殊的二极管，在是一种特殊的二极管，在P P区和区和N N区中间有一层极薄区中间有一层极薄的几乎为纯半导体的的几乎为纯半导体的I I区（本征区）。区（本征区）。管子加反向偏压时：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，管区的空穴和电子被
12、吸走而成为空乏层，管子子 具有很大的电阻，同时具有低低哪容、具有很大的电阻，同时具有低低哪容、低损耗和耐高压。低损耗和耐高压。管子加正向偏压时：管子加正向偏压时：P区和区和N区将空穴和电子区将空穴和电子 注入注入I层，管子层，管子 具具有很低的电阻，最低能小于有很低的电阻，最低能小于1欧姆，接近欧姆，接近短路。短路。使使PINPIN管在正反两个偏置状态之间转换，可作为管在正反两个偏置状态之间转换，可作为 有效的开关。有效的开关。PIN管管单管并联式调制器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
13、，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。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渐变多管阵列通过式PIN管调制器管调制器微波信号发生器的性能特性微波信号发生器的性能特性一、频率特性一、频率特性1.1.频率范围频率范围2.2.频率准确度和分辨率频率准确度和分辨率3.3.频率稳定度频率稳定度4.4.频率纯度频率纯度二、输出特性二、输出特性1.1.输出电平输出电平2.2.屏蔽的严密性屏蔽的严密性3.3.幅度稳定性和均匀性幅度稳定性和均匀性三、调制特性：三、调制特性：包括调制种类、调制信号特包括调制种类、调制信号特 性、调制指数、调制失真等。性、调制指数
14、、调制失真等。微波信号发生器的稳频与稳幅微波信号发生器的稳频与稳幅 自动稳幅自动稳幅 好的信号发生器，需要在内部或外部加自动稳幅装好的信号发生器，需要在内部或外部加自动稳幅装置，可用置，可用PIN管构成负反馈自动控制环路进行管构成负反馈自动控制环路进行 稳幅。稳幅。自动稳幅装置的信号源自动稳幅装置的信号源自动稳幅装置的信号源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。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
15、能显著改善稳幅源输出端内的有效反射系数。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。输出幅度不会因为源的反射而变坏。定向耦合器定向耦合器输入端输入端输出端输出端辅助端辅助端耦合系数：输入功率对辅助端口的功率以分贝表示的比值。耦合系数：输入功率对辅助端口的功率以分贝表示的比
16、值。方向性：表明一个定向器件能够分离反向行波的良好程度。方向性：表明一个定向器件能够分离反向行波的良好程度。基波锁相环基波锁相环稳定度：稳定度：10-610-9锁相稳频锁相稳频采样式谐波锁相环采样式谐波锁相环变频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工作原理说明组成组成电子枪电子枪 微波信号的能量来源微波信号的能量来源聚焦装置聚焦装置 约束电子束的发散约束电子束的发散慢波系统慢波系统 减慢电磁波速度减慢电磁波速度收集极收集极 用以形成回路，回收电子用以形成回路，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
17、才前进一个螺距，故在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。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。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，
18、才能使电子注于电磁波有效相互作用并交换能量。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。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，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。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。电压。特点：特点：扫频范围宽，可达几个倍频程；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，可优于扫频线性度好
19、，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，小球等效为无源谐振器，Q值高（无载值高（无载Q值可到值可到105）、稳定）、稳定性好，寿命长，可靠性高；性好，寿命长，可靠性高；一、基本单频段结构及频段变换一、基本单频段结构及频段变换1.1.扫频发生器（对振荡器进行电调谐）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。频率扫描。2.2.多用途多用途PINPIN调制器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
20、号进行稳幅，同时在放大器另一端上作稳幅电平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。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连带的PINPIN调制器等高频部件的工作频率范围不同，其他部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。件可共用或简单调整后共用。微波扫频发生器的组成微波扫频发生器的组成基本单频段结构扫频信号源基本单频段结构扫频信号源二、差频式宽带结构二、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。通常采用外差式方案构成宽带扫频发生器。混频器工作原理混频器工作原理振荡器频
21、率为振荡器频率为2.2GHz2.2GHz，则本振为，则本振为2.34.2 GHz2.34.2 GHz，于是，于是输出可在输出可在0.12.0 GHz0.12.0 GHz，连续扫变（利用差频输出），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。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的后面用PINPIN管施加调幅和稳幅，则输出差频信号就受管施加调幅和稳幅，则输出差频信号就受到了调幅和稳幅。到了调幅和稳幅。差频式宽带结构差频式宽带结构频率合成式信号发生器频率合成式信号发生器频率合成器的实现方式有四种：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（直接频率合成器、锁相环频率合成器（PLLPLL）、直接）、直接数字频率合成器（数字频率合成器（DDSDDS）和）和PPL+DDSPPL+DDS混合结构。其中混合结构。其中第一种已经很少使用，第二、三、四种都有广泛的第一种已经很少使用，第二、三、四种都有广泛的使用。使用。直接频率直接频率合成技术合成技术