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1、近代微波测量近代微波测量学时：学时：40考试、考查方式：笔试（开卷）考试、考查方式：笔试（开卷）参考资料：参考资料：1、微波测量微波测量 汤世贤，国防工业出版社（修订版）汤世贤，国防工业出版社（修订版）2、近代微波测试技术近代微波测试技术，董树义，电子工业出版社，董树义，电子工业出版社上课时间：上课时间：2011.022011.05微波微波波长很短的电磁波波长很短的电磁波 频率频率f：300MHz 300GHz波长：波长：1m 1mm毫米波高端毫米波高端:亚毫米波段亚毫米波段 10.1mm远红外远红外:0.3mm0.01mm微波微波绪论绪论绪论绪论微波毫米波的应用微波毫米波的应用 短波 L S
2、 C X Ku K Ka U V W 1 2 4 8 12 18 26 40 50 60 75 110 170 300 1000米波 厘米波 毫米波 亚毫米波 音频通信短波超短波通信、超视距雷达、广播电视预警雷达、导航、移动通信雷达、微波通信、卫星通信机载火控雷达雷达、卫星电视、微波通信遥感雷达、侦察、通信精确制导目标RCS星间通信、遥感、弹道轨迹、汽车防撞电子侦察目标RCS弹道轨迹无源成像射电天文雷达、侦察、通信精确制导目标RCS毫米波信号传输的几个低损耗窗口：毫米波信号传输的几个低损耗窗口：35GHz35GHz（8mm8mm）、）、94GHz(3mm)94GHz(3mm)、140GHz(2
3、mm)140GHz(2mm)、220GHz(1mm220GHz(1mm）绪论绪论微波测量意义微波测量意义绪论绪论测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。近代微波测量的重点内容形成：以传统微波测近代微波测量的重点内容形成：以传统微波测量技术的重点内容为基础，赋以近代测量方法形成。量技术的重点内容为基础，赋以近代测量方法形成。近代微波测量技术与仪器是电子测量技术与仪器近代微波测量技术与仪器是电子测量技术与仪器向无线电频谱高端发展的结果。向无线电频谱高端发展的结果。微波测量是微波理论和技术紧密结合的、适用微波测量是微波理论和技术紧密结合的、适用
4、于工程应用的一门学科，是微波理论和技术必不可少于工程应用的一门学科，是微波理论和技术必不可少的组成部分。的组成部分。绪论绪论微波测量任务微波测量任务(1)利用已有的微波技术装备（通常是使用当前的先进技术去利用已有的微波技术装备（通常是使用当前的先进技术去专门制造），组成合乎要求的测量装置、测试系统和仪器；专门制造），组成合乎要求的测量装置、测试系统和仪器；(2)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，研究符合实际的测量方法，包括研究新的测量仪器和先进术，研究符合实际的测量方法，包括研究新的测量仪器和先进的测量方法），从而推动微
5、波理论和技术的发展；的测量方法），从而推动微波理论和技术的发展；(3)保证测量结果的可信度。消除误差，提高精度，从而保证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；在科研和生产中测量结果的可信赖度；(4)微波计量工作。要保证微波量值的统一性和法制性。也微波计量工作。要保证微波量值的统一性和法制性。也就是要使用当前最先进的理论与技术，由国家计量机关制作就是要使用当前最先进的理论与技术，由国家计量机关制作各项微波量值基准（包括测量方法的国家标准）和各级传递各项微波量值基准（包括测量方法的国家标准）和各级传递标准，从而保证微波量值的统一。标准，从而保证微波量值
6、的统一。测量技术发展过程测量技术发展过程0-10-2绪论绪论0-30-4绪论绪论0-5绪论绪论微波单片集成电路（MMIC）微波集成电路（MIC）有源器件单独封装无源器件利用分布参数有源器件采用无封装管芯，减少了管壳分布参数影响标准微带线 1100GHz 悬置或倒置微带线 1150GHz三板微带线 0.540GHz 槽线 260GHz 鳍状线 30150GHz 0-60-7EOI：结束或识别信号结束或识别信号DAV:数据有效信号线数据有效信号线NRFD：未准备好接受数据未准备好接受数据NDAC：没有接受到数据没有接受到数据ATN：注意信号线注意信号线IFC：接口清除线接口清除线REN：远控使能线
7、远控使能线SRQ：服务请求线服务请求线三线挂钩、五线管理、八根数据线传送数据和接口消息三线挂钩、五线管理、八根数据线传送数据和接口消息数据传送速度不高，系统仪器数目受限数据传送速度不高，系统仪器数目受限0-8数数 据据 无无 效效 D A V=0数数据据未未接接收收未未准准备备好好接接收收数数据据 NRFD=1准准备备好好接接收收数数据据 NRFD=0数数据据有有效效发发送送数数据据没没有有接接收收到到数数据据 NDAC=1接接 收收 到到 数数 据据 NDAC=0源方源方挂钩挂钩维持数据无效维持数据无效讲者送数据讲者送数据等待接收数据消息等待接收数据消息受方受方挂钩挂钩听者听者接收数据接收数
8、据0-9模块化仪器接口总线，基于模块化仪器接口总线，基于VME总线基础上，增加了部分同步、总线基础上，增加了部分同步、触发、电源等信号线构成，同时对机箱体积、模块尺寸、电磁兼容触发、电源等信号线构成，同时对机箱体积、模块尺寸、电磁兼容电源、冷却等制定了标准。电源、冷却等制定了标准。A尺寸：只有尺寸：只有P1连接器，高：连接器，高：100mm 深：深：160mmB尺寸：尺寸：P1、P2连接器，高连接器，高233.5mm 深：深：160mmC尺寸：尺寸：P1、P2连接器，高连接器，高233.5mm 深：深：340mmD尺寸：尺寸：P1、P2、P3连接器，高连接器，高366.7mm 深：深：340m
9、m消息基器件消息基器件：支持总线配置、通讯协议：支持总线配置、通讯协议寄存器基器件寄存器基器件：支持总线寄存器分布图，最简单的器件：支持总线寄存器分布图，最简单的器件存储器器件存储器器件；具有配置寄存器，但不支持通讯协议；具有配置寄存器，但不支持通讯协议 扩展器件扩展器件：专用：专用VXI器件，有配置寄存器允许定义新器件器件，有配置寄存器允许定义新器件0-10Agilent 8363B 矢量网络分析仪矢量网络分析仪功率计功率计频谱分析仪频谱分析仪应用于应用于 F-117J20F-22B2Microwave DivisionMicrowave Division战区电磁综合环境测试系统战区电磁综合
10、环境测试系统0-11T/RT/R组件测试系统组件测试系统0-12雷达罩插入相位延迟测试系统雷达罩插入相位延迟测试系统0-13天线测试系统天线测试系统0-14RCSRCS测试系统测试系统 0-15微波毫米波天线与RCS通用测试平台应用 雷达吸波材料反射系数测试系统雷达吸波材料反射系数测试系统0-160-17 应用于电磁频谱普查、查找干应用于电磁频谱普查、查找干扰信号方位、无线台站选址及维护扰信号方位、无线台站选址及维护等工程中。系统对环境中不同频段等工程中。系统对环境中不同频段的电磁频谱分布测量进行信号方位的电磁频谱分布测量进行信号方位测试，系统可车载和固定安装。测试，系统可车载和固定安装。信号
11、测向功能信号测向功能频谱检测功能频谱检测功能电磁环境和热电噪声测试功能电磁环境和热电噪声测试功能干扰信号判断能力干扰信号判断能力数据库功能数据库功能测量报表功能测量报表功能电磁环境综合测试系统现场电磁频谱检测系统针对信息化时代的通信、武器装备的具体特点，利用仪器设针对信息化时代的通信、武器装备的具体特点，利用仪器设备，结合的计算机技术、网络通信技术、测试技术组成高度机动备，结合的计算机技术、网络通信技术、测试技术组成高度机动性的智能化电子情报收集系统。该系统能以地面、舰载或机载方性的智能化电子情报收集系统。该系统能以地面、舰载或机载方式部署，可单独使用，也可作为信号情报系统的一部分随时部署式部
12、署，可单独使用，也可作为信号情报系统的一部分随时部署到不同的电磁环境中执行各种任务，可满足陆海空三军对阵地、到不同的电磁环境中执行各种任务，可满足陆海空三军对阵地、舰艇、机场等目标区域以及无线电管理对城市区域实施电磁特征舰艇、机场等目标区域以及无线电管理对城市区域实施电磁特征检测的需要，也可为武器装备电磁特征的检测提供重要手段。检测的需要，也可为武器装备电磁特征的检测提供重要手段。具有高灵敏度、宽频带、大具有高灵敏度、宽频带、大动态范围和超宽分析带宽的检动态范围和超宽分析带宽的检测功能。测功能。具有对信息设备的电磁泄漏具有对信息设备的电磁泄漏信息检测分析能力信息检测分析能力具有对计算机机电系统
13、信息具有对计算机机电系统信息设备电磁泄漏的视频信息进行设备电磁泄漏的视频信息进行还原功能。还原功能。可以解调可以解调AM/FM信号。信号。宽带电磁信息检测系统宽带电磁信息检测系统宽带电磁信息检测系统宽带电磁信息检测系统用于在用于在用于在用于在X X波段和波段和波段和波段和KuKu波段，波段，波段，波段，脉冲功率脉冲功率脉冲功率脉冲功率2000W2000W状状状状态态态态下，下，下，下，准确准确准确准确测测测测量出雷达量出雷达量出雷达量出雷达发发发发射机射机射机射机输输输输出的脉冲功率、平均功率、出的脉冲功率、平均功率、出的脉冲功率、平均功率、出的脉冲功率、平均功率、脉冲波形和脉冲波形和脉冲波形
14、和脉冲波形和输输输输出效率等参出效率等参出效率等参出效率等参数数数数 机载雷达发射机大功率测试系统机载雷达发射机大功率测试系统机载雷达发射机大功率测试系统机载雷达发射机大功率测试系统 天线近场测试系统天线近场测试系统紧缩场测试系统紧缩场测试系统紧缩场测试系统紧缩场测试系统平面场口径平面场口径1.8m大跨度的宽频带测试功能和高频率稳定度；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；统自动化；研究信号源，特别是相位噪声的测量方法和理论；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
15、化的要求激励了微波集成电路的发展，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；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；研究对微波材料介质参量的测量；可靠的晶体管可靠的晶体管S参数的测量方法。主要运用于微波电路的参数的测量方法。主要运用于微波电路的CAD方法；方法；利用软件提高测量的精确度。例如采用精密测量技术的各利用软件提高测量的精确度。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
16、很大程度上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。消除系统误差，提高测量准确度等。近代微波测试技术的主要特点近代微波测试技术的主要特点1a1b1a2b2b1=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 S122网络测量网络测量3-13-2Agilent 8363B 矢量网络分析仪矢量网络分析仪测量网络参量测量网络参量测量网络参量测量网络参
17、量微波信号特性测量：微波信号特性测量：45-15-26-1矩形波导测量线矩形波导测量线矩形波导测量线示意图矩形波导测量线示意图6-2波导和波导法兰波导和波导法兰6-3微波基本测试系统微波基本测试系统7基本微波信号发生器的框图基本微波信号发生器的框图8灯塔管振荡器灯塔管振荡器9电子往返渡越时间:N=（n+3/4）个振荡周期 （n为任意正整数）10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1112I-V曲线上出现负阻区域曲线上出现负阻区域1314X0处为一小掺杂区处为一小掺杂区,加外电压后加外电压后,该处该处电场高于别处电场高于别处,随外电压增加随
18、外电压增加,X0处电场处电场率先达到域值产生负阻效应率先达到域值产生负阻效应,结果结果X0左左边有电子积累边有电子积累,而右边有电子快速抽空而右边有电子快速抽空现象而形成偶极层称偶极畴并不断长大。现象而形成偶极层称偶极畴并不断长大。偶极畴中的附加偶极畴中的附加电场与外电场方电场与外电场方向一致畴内电场向一致畴内电场增强出现畴的长增强出现畴的长大，而外面的电大，而外面的电场在减小，因此场在减小，因此电子漂移速度下电子漂移速度下降。当畴内外电降。当畴内外电子漂移速度一样子漂移速度一样时，畴不再长大，时，畴不再长大，称成熟畴。称成熟畴。15耿氏二极管与外加电压及可调谐耿氏二极管与外加电压及可调谐振腔
19、电路配合可获得频率变化达振腔电路配合可获得频率变化达倍频程。倍频程。单管并联式调制器单管并联式调制器16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1718（微波信号源微波信号源）演示演示自动稳幅装置的信号源自动稳幅装置的信号源181920基波锁相环稳定度：稳定度：10-610-921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22选择n,m实现宽带内的连续稳频23-1工作原理说明工作原理说明23-2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
20、成回路，回收电子用以形成回路，回收电子24变容二极管变容二极管变容二极管变容二极管25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，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；基本单频段结构扫频信号源基本单频段结构扫频信号源26差频式宽带结构差频式宽带结构2728频率频率频率频率合成合成合成合成频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算频率合成是指利用物理方法实
21、现频率的数学运算频率合成包括相干合成和非相干合成两大类频率合成包括相干合成和非相干合成两大类相干合成包括直接合成和间接合成两种形式相干合成包括直接合成和间接合成两种形式直接合成包括分频、倍频、混频、取样和数字直接合成直接合成包括分频、倍频、混频、取样和数字直接合成间接合成主要是指锁相环（间接合成主要是指锁相环（PLL）频率合成频率合成数字合成数字合成DDS相位累加器相位累加器相位寄存器相位寄存器D/A低通滤波低通滤波锁相合成锁相合成相位负反馈相位负反馈鉴频鉴频鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器VCO直接合成直接合成混频（加、减）混频（加、减）倍频（乘）倍频（乘）分频（除）分频（除）滤波滤波频率合
22、成频率合成非相干合成非相干合成相干合成相干合成2929直接频率直接频率合成技术合成技术303132电源时基频率合成器主振驱动调制驱动器系统微波主振调制组件输出组件合成信号发生器原理框图(一)合成信号发生器基本构成合成信号发生器基本构成 主振电路及其驱动电路是信号发生器的核心，用以产生必要的频率覆盖。频率合成器的作用是通过补偿修正主振驱动控制信号，实时修正微波振荡器的输出相位误差，使其具备时基（频率参考）的相对准确度和长期稳定度。调制组件实现微波电平控制，输出组件则实现输出微波信号的滤波放大、电平检测等。系统利用输出组件检测仪器输出电平，自动调节调制组件动作，实现输出电平稳幅（或调幅）。调制驱动
23、器将调制信号变换成相应的驱动信号，并分别施加到对应的执行器件中。较高级的信号源自己能够产生调制信号。扫描发生器电源主振驱动调制驱动器系统微波主振调制组件输出组件扫频信号发生器原理框图（二）扫频信号发生器基本构成扫频信号发生器基本构成 主振电路用以产生必要的微波频率覆盖。扫描发生器产生扫描电压斜波信号，通过主振驱动器推动主振实现频率扫描。调制组件实现微波电平控制，输出组件则实现输出微波信号的滤波放大、电平检测等。系统利用输出组件检测仪器输出电平，自动调节调制组件动作，实现输出电平稳幅（或调幅）。调制驱动器将调制信号变换成相应的驱动信号，并分别施加到对应的执行器件中。典典典典型型型型特特特特征征征
24、征合成源合成源微波扫源微波扫源10M-20GHz准确、稳定、准确、稳定、纯净、精密纯净、精密宽带、连续、宽带、连续、准确、灵活准确、灵活稳幅、调制稳幅、调制自检测、自诊断、自检测、自诊断、自检测、自诊断、自检测、自诊断、自维护、自适应自维护、自适应自维护、自适应自维护、自适应双层恒温不断电时基双层恒温不断电时基双层恒温不断电时基双层恒温不断电时基简洁的频率合成方案简洁的频率合成方案简洁的频率合成方案简洁的频率合成方案低噪声微波信号输出低噪声微波信号输出低噪声微波信号输出低噪声微波信号输出高分辨率小数分频环高分辨率小数分频环高分辨率小数分频环高分辨率小数分频环快速步进与列表扫频快速步进与列表扫频
25、快速步进与列表扫频快速步进与列表扫频锁滚与锁相跟踪扫频锁滚与锁相跟踪扫频锁滚与锁相跟踪扫频锁滚与锁相跟踪扫频智能扫频准确度校准智能扫频准确度校准智能扫频准确度校准智能扫频准确度校准可平移同步功率扫描可平移同步功率扫描可平移同步功率扫描可平移同步功率扫描连续频率覆盖连续频率覆盖连续频率覆盖连续频率覆盖支持同轴扩频支持同轴扩频支持同轴扩频支持同轴扩频支持波导扩频支持波导扩频支持波导扩频支持波导扩频智能频段切换智能频段切换智能频段切换智能频段切换友好菜单界面友好菜单界面友好菜单界面友好菜单界面标准程控命令标准程控命令标准程控命令标准程控命令自动系统支持自动系统支持自动系统支持自动系统支持智能诊断维护
26、智能诊断维护智能诊断维护智能诊断维护前馈式自动稳幅系统前馈式自动稳幅系统前馈式自动稳幅系统前馈式自动稳幅系统AMAM、FMFM、PMPM、峰值搜索与频响补偿峰值搜索与频响补偿峰值搜索与频响补偿峰值搜索与频响补偿集成微波电路射频舱集成微波电路射频舱集成微波电路射频舱集成微波电路射频舱1 微波测量系统通常由哪几部分组成？微波测量系统通常由哪几部分组成？2 微波信号分析（测量）的基本对象是哪两个？其他还有哪些微波信号分析（测量）的基本对象是哪两个？其他还有哪些?3 微波网络的反射参数、传输参数有哪些？他们怎样定义的？彼此间有何关系？微波网络的反射参数、传输参数有哪些？他们怎样定义的？彼此间有何关系？
27、4 何谓何谓“三大误差三大误差”？各自的表现有何特点？怎样减小或消除？各自的表现有何特点？怎样减小或消除？5 微波信号源怎样分类？振荡器与信号发生器有何不同？功率信号发生器属于前微波信号源怎样分类？振荡器与信号发生器有何不同？功率信号发生器属于前者还是后者？者还是后者？6 普通三极管提高工作频率时受到哪些因素的限制？普通三极管提高工作频率时受到哪些因素的限制？7 与灯塔管、金属陶瓷管之类的与灯塔管、金属陶瓷管之类的“静电控制式静电控制式”三极管相比，反射速调管在原理三极管相比，反射速调管在原理上有何重大的突破？上有何重大的突破？8 反射速调管振荡器的反射速调管振荡器的f0什么决定？为什么说它是
28、一种什么决定？为什么说它是一种VCO?试问：（试问：（1）将它作）将它作为点频源来使用时；（为点频源来使用时；（2）将其作为窄带扫频源使用时，怎样选择振荡区、调制）将其作为窄带扫频源使用时，怎样选择振荡区、调制电压的波形和幅度以及反射极电压电压的波形和幅度以及反射极电压Er之值？之值？9 Gunn氏管振荡器及雪崩二极管振荡器各有何特点？氏管振荡器及雪崩二极管振荡器各有何特点？PIN管与普通二极管有何不管与普通二极管有何不同？怎样用它来进行调幅或电调衰减？同？怎样用它来进行调幅或电调衰减？10 微波信号发生器的主要性能指标是哪些？微波信号发生器的主要性能指标是哪些？11 比较变容管和比较变容管和
29、YIG调谐各有何优点？调谐各有何优点？12 微波扫频信号发生器主要由哪几部分组成？微波扫频信号发生器主要由哪几部分组成？13 微波测量用信号源应具备哪些性能特性微波测量用信号源应具备哪些性能特性?14 降低微波信号源的输出驻波系数主要采取哪几种技术或措施，并比较它们的主降低微波信号源的输出驻波系数主要采取哪几种技术或措施，并比较它们的主要优缺点要优缺点?思考题思考题15 给出一种给出一种VCO锁相振荡源的原理方框图，并描述其工作原理。锁相振荡源的原理方框图，并描述其工作原理。16 给出一种微波信号源自动电平控制（给出一种微波信号源自动电平控制（ALC）稳幅装置的原理方框图，并简要稳幅装置的原理方框图，并简要说明工作原理及采用该装置所带来的好处。说明工作原理及采用该装置所带来的好处。17 与传统的调谐回路式信号发生器相比，频率合成式发生器有何突出的优点？与传统的调谐回路式信号发生器相比，频率合成式发生器有何突出的优点？直接合成和锁相合成相比，各有何优缺点？怎样才能将锁相频率提高到微波频直接合成和锁相合成相比，各有何优缺点？怎样才能将锁相频率提高到微波频段？段？18 试述直接频率合成和锁相频率合成基本原理及其特点。试述直接频率合成和锁相频率合成基本原理及其特点。19 试述谐波混频法扩展频率的基本原理。试述谐波混频法扩展频率的基本原理。思考题思考题