射频微波仪器基础

4 矢量网络分析仪测量原理
混频器
LO LC 滤波器
功分器
隔离器
耦合器
放大器
SAW 滤波器
TX IF LC滤波器
平衡/非平衡转换
4 矢量网络分析仪测量原理
入射波
传输波
反射波
光波
入射功率
反射功率
DUT
射频和微波信号
传输功率
网络分析仪能精确测量入射能量、反射能量和传输能量
4 矢量网络分析仪测量原理
反射特性
传输特性
工作频率; 信号功率
4 矢量网络分析仪测量原理
¾ 无线通信、广播电视、雷达设备等复杂的系统是有不同的 部件和器件组成，验证部件性能是确保系统性能的基础。
¾ 确保微波信号传输的低失真
----线性特性：恒定的幅度、线性相位与恒定的群延迟 ----非线性特性：谐波、交调、压缩、AM-PM变换
¾ 确保良好的匹配，使功率传输理想化
线性相关
2 微波测量参数
三阶交调 三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非
线性的一个重要指标，在这里仍然以 放大器为例来说明三阶交调指标。用 两个相隔Δf，且电平相等的单音信号 同时输入一个射频放大器，则放大器 的输出频谱大致如图所示。三阶交调 常用dBc表示，即交调产物与主输出 信号的比。
线性相关
2 微波测量参数
在微波技术和工程中，需要测量的微波参数有很多，可以分成两类： （1）微波网络特性参数 （2）微波信号特性参数
2 微波测量参数
微波网络特性参数
S11
S11 、S22 是反射参数 S21、S12是传输参数
S21
S11
S22
S12
S21 S22
S12
¾ 单端口网络 ¾ 双端口网络
2 微波测量参数
反射系数
1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00
回波损耗
0.00 0.92 1.94 3.10 4.44 6.02 7.96 10.46 13.98 20.00 20.92 21.94 23.10 24.44 26.02 27.96 30.46 33.98 40.00 ∞
l 器件性能的描述: 传输特性; 反射特性 l 器件传输特性/反射特性的指标定义 ?
è Gain, Phase, Group delay è VSWR, Γ, ρ , Impedance
l 影响器件传输/反射特性的因素 ? è 工作频率 è 信号功率
l 网络分析仪表显示结果
网络分析仪测试要讨论的问题
射频微波仪器基础
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前言
1 微波测量技术概述 2 微波测量参数 3 射频微波测量仪器 4 矢量网络分析仪测量原理
1 微波测量技术概述
微波是波长很短的电磁波。一般所指的微波波段是从300MHz至 300GHz之间的电磁波谱。
名称 符号 频率 波段
甚低频 低频
中频
高频
2 微波测量参数
回波损耗
微波网络特性参数
射频微波系统中比较常用的反射测量是回波损耗，一个特定系统的回波损耗是
以分贝表示的标量反射系数：
回波损耗=-20lg（|Γ|）
例如：如果回波损耗为30dB,则0dBm的输入信号将产生一个-30dBm的反射信
号。回波损耗取值在0到正无穷大之间。
2 微波测量参数
如军用的微波、毫米波通讯系统，雷达等，民用的移动通信系统
GSM、TD-SCDMA、WCDMA等；另一种是75欧姆系统，这种系统
相对比较少，如我们目前使用的有线电视系统。
2 微波测量参数
反射系数
微波网络特性参数
反射是由终端不匹配造成的，反射系数是指微波网络匹配特性的一种衡量方
式，其量值可以由下式计算：
甚高频 超高频 特高频 极高频
VLF 3-30KHz 超长波
LF
MF
HF
30-300KHz 0.3-3MHz 3-30MHz
长波
中波
短波
VHF
30300MHz
米波
UHF
SHF
0.3-3GHz 3-30GHz
分米波 厘米波
EHF
30300GHz
毫米波
波长
1KKm100Km
10Km1Km
1Km-100m 100m-10m 10m-1m
MHz
MHz
MHz
12500MHz
1 微波测量技术概述
微波测量主要是围绕电磁波的产生、放大、发射、接收、传输、控制和分析 等等，是进行量值测定并保持统一的一门专用技术。
学习微波测量技术需要掌握： （1）电磁波传输的一些基本概念 （2）微波测量参数 （3）微波测量方法 （4）微波测量仪器的基本原理 （5）了解客户测量需求 （6）微波测量产生误差的机制 （7）新的测量技术等等
扰不是噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪 声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信 号与噪声的互调产物。
2 微波测量参数
微波噪声
相位噪声 相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标，在时域表现为
信号过零点的抖动。理想的单音信号，在频域应为一脉冲，而实际的 单音总有一定的频谱宽带，一般的本振信号可以认为是随机过程对单 音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声。 相位噪声在频域可以这样定量描述：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内 的功率与总信号功率比值。
空间段的衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真 和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生 非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道 还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。
2 微波测量参数
线性相关
线性失真 线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真，从频域可以很方便表
1m-0.1m
10cm1cm
10mm1mm
传播特性 空间波为主 地波为主 地波与天波 天波与地波 空间波 空间波 空间波 空间波
1 微波测量技术概述
微波是波长很短的电磁波。一般所指的微波波段是从300MHz至300GHz之间 的电磁波谱。
名称 符号 频率 波段
甚低频 低频
中频
高频
甚高频 超高频 特高频 极高频
Γ
ρ
开路器
+1
1
短路器
-1
1
匹配负载
∞
∞
2 微波测量参数
驻波比
微波网络特性参数
驻波比是衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：
反射系数的取值范围是-1到1，而驻波比的取值范围是1到正无穷大。驻波 比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是说负载和传输线的匹配效果比较 差。所以在一个微波系统中，如果驻波比很差，可能会使信号传输效果变 差，通道增益下降。一个比较典型的例子就是灵敏度问题。
示这些失真。
2 微波测量参数
线性相关
非线性失真 非线性失真同样可以分成非线性幅度失真和非线wenku.baidu.com相位失真，非线性幅度失真常用
1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量。
2 微波测量参数
1dB压缩点 例如一个射频放大器，当输入信号较小
时，其输出与输入可以保证线性关 系，输入电平增加1dB，输出相应增 加1dB，增益保持不变，随着输入信 号电平的增加，输入电平增加1dB， 输出将增加不到1dB，增益开始压 缩，增益压缩1dB时的输入信号电平 称为输入1dB压缩点，这时输出信号 电平称为输出1dB压缩点。
1m-0.1m
10cm1cm
10mm1mm
传播特性 空间波为主 地波为主 地波与天波 天波与地波 空间波 空间波 空间波 空间波
名称 频率
P波 段
230-1000 MHz
L波段
S波段
C波段
X波段 Ku波段 K波段 Ka波段
1000-2000 2000-4000 4000~8000 8000-
12.5~18GHz 18~26.5GHz 26.5~40GHz
VLF 3-30KHz 超长波
LF
MF
HF
30-300KHz 0.3-3MHz 3-30MHz
长波
中波
短波
VHF
30300MHz
米波
UHF
SHF
0.3-3GHz 3-30GHz
分米波 厘米波
EHF
30300GHz
毫米波
波长
1KKm100Km
10Km1Km
1Km-100m 100m-10m 10m-1m
2 微波测量参数
频率准确度 频率准确度是指振荡器的频率实际值fx与其标称频率f0的相
对偏差。
=
频率参数
2 微波测量参数
频率参数
频率稳定度 频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。它表征一个频率源保持频
率恒定的能力。 描述频率稳定度，常引入时间间隔概念，一般分为长期、短期和瞬时稳定度三种，
0.1mW 1mW 10mW 100mW 1W 19.953W
2 微波测量参数
频率参数
频率是表征周期现象的一种参数，定义为物体每秒振动的周期数，单位是赫 兹（Hz）。微波电磁振荡也属于这种现象。
频率 1GHz 3GHz 10GHz 37.5GHz 100GHz
波长 30cm 10cm 3cm 8mm 3mm
2 微波测量参数
相对功率的dB表示 射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别
在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而 dBc是某一频点输出功率和载波输出功率的比值的对 数表示形式。 峰值功率、平均功率、峰均比、CCDF
功率参数
-10dBm 0dBm 10dBm 20dBm 30dBm 43dBm
2 微波测量参数
（2）微波信号特性参数
功率、频率、波形、频谱和噪声
2 微波测量参数
功率参数
微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数，例如确定微波发射机的输出 功率、测量接收机的灵敏度等等。 功率大小的度量单位常用的有兆瓦（MW）、千瓦（kW）、瓦（W）、毫瓦 （mW）、微瓦（μW）、皮瓦（pW)。 另一种常用的表示法是利用功率为1mW作为基准电平，以此作为比较标准来 表示功率的大小，并以对数单位表示之，称为电平，单位为dBm
特征阻抗
微波网络特性参数
特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。无
耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。在做射
频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否
等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时则会产生反射，造成失真
和功率损失。
目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，
KPW R FM 97
4 矢量网络分析仪测量原理
什么是网络分析仪？ 网路分析仪是使用自身的信号源来测量射频微波件、电缆线、接头等电气参数的仪器
被测件
信号源
◎ 微波网络 ◎
◎
◎
测量
基准信号
输 入
输 出
变化量的测量
4 矢量网络分析仪测量原理
LNA
双功器
天线
射频前端模块
SAW 滤波器 平衡/非平衡转换
2 微波测量参数
微波噪声
2 微波测量参数
微波噪声
噪声系数 噪声系数是用来衡量射频微波部件对小信号的处理能力，通常这样定义：
单元输入信噪比除以输出信噪比：
2 微波测量参数
级联网络的噪声系数公式
微波噪声
2 微波测量参数
线性相关
线性相关的概念 信号再通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频发信机通道，不包括
2 微波测量参数
三阶交调 任一微波单元电路，输入双音信号同时增
加1dB，输出三阶交调产物将增加 3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考 虑压缩），这样输入信号电平增加到 一定值时，输出三阶交调产物与主输 出信号相等，这一点称为三阶截止 点，对应的输入信号电平称为输入三 阶截止点，对应的输出信号电平称为 输出三阶截止点。。
驻波比
∞ 19.00 9.00 5.67 4.00 3.00 2.33 1.86 1.50 1.22 1.2 1.17 1.15 1.13 1.11 1.08 1.06 1.04 1.02 1.00
微波网络特性参数
反射系数、回波损耗和驻波比 反射系数、回波损耗和驻波比以不同的
形式表示出阻抗匹配的好坏，三者 之间可以相互换算。
三者之间没有严格界限。 长期稳定度一般是指月、年内的频率变化。如晶振的年老化率。 短期稳定度一般是指日、时内的频率变化。如晶体的日稳定度。
2 微波测量参数
频谱分析
将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函 数，并考察变化规律，称为频谱分析。
2 微波测量参数
微波噪声
噪声定义 噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干
线性相关
3 射频微波测量仪器
网络分析仪---精确测量网络S参数的专用设备 频谱分析仪---观察和分析各种微波信号频谱结构特性的工具 信号发生器---产生精确和多种形式的射频微波信号 噪声系数测试仪 功率计 频率计
4 矢量网络分析仪测量原理
¾ 矢量网络分析仪测试基本概念 ¾ 矢量网络分析仪 工作原理 ¾ 误差和校准