!第二章 信号频率及测量
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5
铯原子的上述跃迁，即成为时间标准，亦 成为频率标准。由于其稳定度高，规定为 一级频率标准，成为国家或大地区、大单 位的计量基准。 二级频率标准：稳定度稍低，如采用高水 平的石英晶体振荡器、稳定度更高的铷原 子频率标准。 石英晶体振荡器主要用来作为频率合成器 及计数式频率计等精密仪器内含的频率标 准。
9
用原子谐振器控制5MHz晶振产生标准频率
10
铷原子频标特点： 稳定度比晶振高1~2个数量级，体积小，重 量轻，价格仅有铯频标的一半； 铷泡R中，混有惰性气体，以减少铷原子碰 撞，会引起频率f变动，不容易测准； 铷原子的跃迁还稍受外磁场的影响； 仅能作二级频率标准
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2.2.3 铯原子频率标准
铯原子频标与铷频标在组成原理上基本相似, 主要不同是构成微波鉴频器的原子谐振器 是用铯133在超精细能级之间的跃迁. 特点： 频率稳定度高，基本不受环境因素影响 （外电场、磁场等）； 一级原子频标； 10-12数量级左右稳定度。
12
对于一级频标，频率或时间以此为基准， 理论上说没有误差，但对于单部铯原子频 标的复制性不能绝对无差别，温度、外场 的影响不能完全避免，因此，一级频标的 确定应采用统计方法，即用许多部铯原子 频标取平均值，因此，其稳定度的得来基 于此。
27
按结构分为同轴谐振腔和圆柱形谐振腔：
Δ：同轴腔(同轴式):[Q值不高,属中等精度频 率计,应用于1GHz以下] Δ：圆柱腔(空腔式):[Q值高,谐振曲线尖锐,测 量精度高]
24
利用谐振式频率计测量频率时，按照其 接入测量系统的方式可以分为通过式接法 和吸收式接法。
25
通过式接法
26
吸收式接法
6
2.2.1 石英晶体振荡器
高性能的晶体，大多数工作于5MHz，采用 分频或倍频电路可以得到各种频率输出， 然而这样相位噪声将会有所增加。 一般晶体振荡器的频率稳定度： 长期频率稳定度—— 10-10~10-8/日 短期频率稳定度<10-11/S 经过特殊处理（如精选精片，预先老化处 理，双重恒温槽），可使其稳定度再上一 个数量级。
21
22
2.3.2 无源法（谐振式频率计）
利用微波谐振腔进行测量，根据谐振腔的 谐振选频原理可知，单模谐振腔的谐振频 率决定于腔体尺寸，利用调谐机构对谐振 腔进行调谐，使之与待测微波信号发生谐 振，就可以根据谐振时调谐机构的位置， 判断腔内谐振的电磁波的频率。这就是谐 振式频率计的基本原理。
23
第二章 信号频率及测量
1
信号频率及测量
第一节 概述 第二节 频率标准 第三节 频率测量方法
2
第一节 概述
频率是周期性信号的最主要参数之一,是 微波测量中最常需要测量的而且是能够测 量得最准确的一种参量.
3
第二节 频率标准
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) 即 f=1/T (Hz) T是周期,单位是(S) 所以:频率的单位直接依赖于基本时间单位秒.
15
第三节 频率测量
方法：一般是将被测频率直接或间接地与 标准频率进行比较，可分为有源法和无源 法两种。 有源法：测量装置中包含有标准频率的振 荡源。 无源法：将被测的信号频率与一个可调谐 的无源回路的自然频率进行比较，并以谐 振的出现作为频率相等的指示。
16
2.3.1 有源法
外差法 计数法
7
使用石英晶体振荡器注意事项： 经常通电 与上级频标校准 只能作为二级频标
8
2.2.2 铷原子频率标准
现在所熟知的原子频标可分为无源式和 有源式两类: Δ: 有源式是用以产生确定频率的震荡,主要有 氢脉泽和铷脉泽两种; Δ: 无源式产生标准频率的做法,主要是利用Q 值高的谐振腔,将无源原子谐振器作为超稳 定高Q鉴频器使用.如下图所示:
fs
在开放期间通过闸门的未知频率脉冲个数为n，则
mTs nTx
因此
Tx m Ts n
或
fx
n fs m
20
计数式频率计已容易达到40GHz。随着取样器技术的发展， 正向毫米波更高的频段发展。我们还可以采用一种变通的 测量方法，即利用毫米波基波或谐波混频技术（外差变 频），将毫米波频率变换到通用微波数字频率计的测频范 围进行测试。
17
1）外差法
18
Байду номын сангаас
零差法：
fd f x fs
测差法： f d 0, f x f s f d
谐波零拍法： mf x nf s 0,
n fx fs m
19
2）计数法
原理： 将未知频率fx与标准频率fs相比较，此时是利用 未知频率fx的脉冲计数法而测得fx。如利用标准 频率fs去控制一计数闸门的开放时间，假如开放 1 时间等于fs的m个周期，即 m m Ts
13
2.2.4 氢原子频率标准
氢脉泽即氢原子受激发射器的简称。它用作 频标通常是作为一个有源谐振器，即由它提供 频率为1.420405751GHz的微波振荡器，功率 为10－12W，Q值极高,为2× 109。有极高的频 率稳定度和谱线纯度。
14
特点： 频率可以通过精确计算得到； 准确度数量级为10-12； 长稳：10-13/年，短稳5× 10-13 /S； 谱线纯度高，噪声特性优于铯频标； 可成为一级频率标准的候选者。
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铯原子的上述跃迁，即成为时间标准，亦 成为频率标准。由于其稳定度高，规定为 一级频率标准，成为国家或大地区、大单 位的计量基准。 二级频率标准：稳定度稍低，如采用高水 平的石英晶体振荡器、稳定度更高的铷原 子频率标准。 石英晶体振荡器主要用来作为频率合成器 及计数式频率计等精密仪器内含的频率标 准。
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用原子谐振器控制5MHz晶振产生标准频率
10
铷原子频标特点： 稳定度比晶振高1~2个数量级，体积小，重 量轻，价格仅有铯频标的一半； 铷泡R中，混有惰性气体，以减少铷原子碰 撞，会引起频率f变动，不容易测准； 铷原子的跃迁还稍受外磁场的影响； 仅能作二级频率标准
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2.2.3 铯原子频率标准
铯原子频标与铷频标在组成原理上基本相似, 主要不同是构成微波鉴频器的原子谐振器 是用铯133在超精细能级之间的跃迁. 特点： 频率稳定度高，基本不受环境因素影响 （外电场、磁场等）； 一级原子频标； 10-12数量级左右稳定度。
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对于一级频标，频率或时间以此为基准， 理论上说没有误差，但对于单部铯原子频 标的复制性不能绝对无差别，温度、外场 的影响不能完全避免，因此，一级频标的 确定应采用统计方法，即用许多部铯原子 频标取平均值，因此，其稳定度的得来基 于此。
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按结构分为同轴谐振腔和圆柱形谐振腔：
Δ：同轴腔(同轴式):[Q值不高,属中等精度频 率计,应用于1GHz以下] Δ：圆柱腔(空腔式):[Q值高,谐振曲线尖锐,测 量精度高]
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利用谐振式频率计测量频率时，按照其 接入测量系统的方式可以分为通过式接法 和吸收式接法。
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通过式接法
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吸收式接法
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2.2.1 石英晶体振荡器
高性能的晶体，大多数工作于5MHz，采用 分频或倍频电路可以得到各种频率输出， 然而这样相位噪声将会有所增加。 一般晶体振荡器的频率稳定度： 长期频率稳定度—— 10-10~10-8/日 短期频率稳定度<10-11/S 经过特殊处理（如精选精片，预先老化处 理，双重恒温槽），可使其稳定度再上一 个数量级。
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2.3.2 无源法（谐振式频率计）
利用微波谐振腔进行测量，根据谐振腔的 谐振选频原理可知，单模谐振腔的谐振频 率决定于腔体尺寸，利用调谐机构对谐振 腔进行调谐，使之与待测微波信号发生谐 振，就可以根据谐振时调谐机构的位置， 判断腔内谐振的电磁波的频率。这就是谐 振式频率计的基本原理。
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第二章 信号频率及测量
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信号频率及测量
第一节 概述 第二节 频率标准 第三节 频率测量方法
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第一节 概述
频率是周期性信号的最主要参数之一,是 微波测量中最常需要测量的而且是能够测 量得最准确的一种参量.
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第二节 频率标准
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) 即 f=1/T (Hz) T是周期,单位是(S) 所以:频率的单位直接依赖于基本时间单位秒.
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第三节 频率测量
方法：一般是将被测频率直接或间接地与 标准频率进行比较，可分为有源法和无源 法两种。 有源法：测量装置中包含有标准频率的振 荡源。 无源法：将被测的信号频率与一个可调谐 的无源回路的自然频率进行比较，并以谐 振的出现作为频率相等的指示。
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2.3.1 有源法
外差法 计数法
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使用石英晶体振荡器注意事项： 经常通电 与上级频标校准 只能作为二级频标
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2.2.2 铷原子频率标准
现在所熟知的原子频标可分为无源式和 有源式两类: Δ: 有源式是用以产生确定频率的震荡,主要有 氢脉泽和铷脉泽两种; Δ: 无源式产生标准频率的做法,主要是利用Q 值高的谐振腔,将无源原子谐振器作为超稳 定高Q鉴频器使用.如下图所示:
fs
在开放期间通过闸门的未知频率脉冲个数为n，则
mTs nTx
因此
Tx m Ts n
或
fx
n fs m
20
计数式频率计已容易达到40GHz。随着取样器技术的发展， 正向毫米波更高的频段发展。我们还可以采用一种变通的 测量方法，即利用毫米波基波或谐波混频技术（外差变 频），将毫米波频率变换到通用微波数字频率计的测频范 围进行测试。
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1）外差法
18
Байду номын сангаас
零差法：
fd f x fs
测差法： f d 0, f x f s f d
谐波零拍法： mf x nf s 0,
n fx fs m
19
2）计数法
原理： 将未知频率fx与标准频率fs相比较，此时是利用 未知频率fx的脉冲计数法而测得fx。如利用标准 频率fs去控制一计数闸门的开放时间，假如开放 1 时间等于fs的m个周期，即 m m Ts
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2.2.4 氢原子频率标准
氢脉泽即氢原子受激发射器的简称。它用作 频标通常是作为一个有源谐振器，即由它提供 频率为1.420405751GHz的微波振荡器，功率 为10－12W，Q值极高,为2× 109。有极高的频 率稳定度和谱线纯度。
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特点： 频率可以通过精确计算得到； 准确度数量级为10-12； 长稳：10-13/年，短稳5× 10-13 /S； 谱线纯度高，噪声特性优于铯频标； 可成为一级频率标准的候选者。