第三章-微波信号频率及波长测量

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谐振腔
微波谐振器又称作微波谐振腔,它广泛应用于微波信号源、微波滤波器及 波长计中。它相当于低频集中参数的LC谐振回路,是一种基本的微波元件。 谐振腔是速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分。
微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成,电磁波在其上 呈驻波分布,即电磁能量不能传输,只能来回振荡。因此,微波谐振器是具有 储能与选频特性的微波元件。
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信号频率的校准
采用前面介绍的四种频标组成鉴相器对压控晶体振荡器进行锁相 稳定,使压控晶体振荡器的输出信号达到所用频标的稳定度,然后 将此信号与被校准信号一同加到一个比相仪进行比较,比相仪将 记录一段时间内的累积相位差所对应的时间差,从而给出被校准 频率的相对误差并进行调校。
一般单位可能没有以上频率标准,因此可以采用一种简单易行的 方法,即采用“电视彩色副载波传播的标准频率”进行校准。副 载波频率稳定度为5×10-12/30分钟,它是由中央电视台发布的,用 铯原子频标直接控制频率合成器产生的。
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石英晶体振荡器
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在 晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现 象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动, 同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振 幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时, 振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC 回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、 尺寸等有关。
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氢原子频率标准
有源谐振器,通常称氢脉泽（原子受激 发射器）。受激产生频率为 1.420405751GHz,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。
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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直接计数式频率计特点
• 信号波形 连续正弦波,非正弦波,脉冲波,甚至可 以是调制（调幅、调频）后的载波频率;
• 对输入信号自动进行重复测量; • 只能到微波频率低端 当测量较高频率,计数时开
关翻转不过来,导致无法计数。
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毫米波频率与波长测量
微波波段:采用闭式谐振腔测波长 毫米波: 采用有闭式、开式和干涉法
相对测量精度可以表示为 时基相对误差±1/（闸门时间秒数×被测频率（赫兹））
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计数法
该图中,由于一次计数为2个ns, 因此误差为±2ns,即10-9的数量 级。
由 10nTx mTs
因此
fx
10 n mT s
m为计数值,n由开关位置决定。图 中,Ts=2ns。
以前——天文秒 现在—— 原子秒
一级频率标准: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。
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石英晶体振荡器
石英晶体具有高度稳定的物理特性话化学特性,作为极高Q值的谐振电路,组成高 质量的频率标准。利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。
石英晶体振荡器信号纯度:-130dBc offset 100Hz; -140dBc offset 1KHz。
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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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铷原子频率标准
原子频标:
有源式:铷脉泽,氢脉泽 无源式:Q值高的谐振腔
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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频率测量特点
• 动态性→稳定度 • 测量精度高 • 测量准确度高 • 应用范围广 • 自动化程度高 • 测量速度快
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频率测量方法
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（比较法）:测量装置中包含有标准频率的振 荡源。 无源法（直接测量法）: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。例如谐振式波长计。
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。
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石英晶体振荡器
采用LC振荡回路
Zin
分布电容
晶体盒
Rq
Yout
正反馈放大
C0 Cq
Lq
分布电容
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
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计数法
在8位二进制计数器中,例如显示数字为:（计数值n）,即选中闸门开放时间为
nTx 则 11234567T8x 因此 fx=12345678Hz
如选择闸门开放时间为1ms,如n不变,还是,则
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fx=12345678MHz
=1S时,利用
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计数法
注意: 一台计数式频率计所能直接测量（计数）的最高频率上限既不取决于计数器位 数的多少,也不取决于闸门开放时间的长短,而是决定于最末一位数字（个位 ）的十进制计数器的最高翻转速度。因此,目前采用此方案也仅能到微波频 率低端。
微波信号频率及波长测量
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频率定义
• 频率是周期性信号的主要参量之一,也是微波信号源的两大要素之一。 它是微波测量中常常需要搞清楚的一个参量,而且也是最容易被准确 测量的一个参量。
• 频率是周期的倒数,即每秒中振荡的周期数
频率：
f=1/T（Hz）
角频率： ω=2π/T= 2πf(rad/s)
闸门时间 的选择:应使8位数字均有显示。
闸门开和关的时间与首末一个信号脉冲到来的时wk.baidu.com是没有相互时间配合的,因此 会造成最低一位计数有±1的误差。
因此,对于计数频率计总的误差可表示为: ±时基准确度±1个计数
例如,n=12345678,选择 =1S,则
fx=12345678Hz
±1Hz误差，最后的8Hz不能准确读出
微波谐振器可以定性地看作是由集中参数LC谐振回路过渡而来的,如图所 示。
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谐振腔
微波谐振器中电磁能量关系和集中参数LC谐振回路中能量 关系有许多相似之处,如图。
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谐振腔
但微波谐振器和LC谐振回路也有许多不同之处。 1、LC谐振回路的电场能量集中在电容器中,磁场能量集中在电感器,而微波 谐振器是分布参数回路,电场能量和磁场能量是空间分布的; 2、LC谐振回路只有一个谐振频率,而微波谐振器一般有无限多个谐振频率; 微波谐振器可以集中较多的能量,且损耗较小,因此它的品质因数远大于LC集 中参数回路的品质因数,另外,微波谐振器有不同的谐振模式(即谐振波型)。 微波谐振器有两个基本参量:谐振频率f0 (或谐振波长0 )和品质因数Q。
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计数法
改进后,可以到达 微波频段,甚至到mm 波。方法是采用预 分频法、外差变频 法、频率置换法和 谐波外差式等。
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计数法
利用这些改进方法,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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铯原子频率标准
利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时 辐射出来的电磁波作为标准,去控制校准电 子振荡器,进而控制钟的走动。这种钟的稳 定程度很高,目前,最好的铯原子钟达到500万 年才相差 1 秒。现在国际上, 普遍采用铯原 子钟的跃迁频率作为时间频率的标准
铯原子会被加热至汽化,并通过一个真空管。在这一过程中,首先铯原子气要通 过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场,然后通过一个强烈的微波场。微 波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡,以使得在每一个循环中一些频率 点可以达到9,192,631,770Hz。
瞬时角频率：ω(t)=dψ/dt
瞬时频率： f(t)= dψ/2 π dt
瞬时相位：
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时间的定义
频率的测量实际上是时间间隔的测量,其标准应该是时间“秒”
秒的定义
以前——平均太阳日的1/86400 现在—— 秒是铯-133原子基态的两个超精 细能级之间的跃迁所对应的辐射的 9192631770个周期的持续时间（1967年第13 届国际计量大会规定）。
基本构成:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片,它可以是正 方形、矩形或圆形等）,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上 各焊一根引线接到管脚 上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石 英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑 料封装的。
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在真空管远端的尽头,另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改 变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原 子呈比例的显示出,并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来 对产生的晶体振荡器作微小的修正,并使得微波场正好处在正确的频率。这一 锁定的频率被9,192,631,770除,得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲
放时间,假如开方时间 等于fs的m个周期,即
m
1 fs
mTs
而在开放期间通过闸门的未知频率脉冲个数为n,则
msTnTx
因此
Tx
m n Ts
或
fx
n m
fs
如取闸门开放时间 1s 则fx=nHz。
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电子计数器测频原理
计数脉冲形成电路
时间基准T产生电路
计数显示电路
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若已知信号和未知信号都带有谐波,则需要判断谐波数,通常这是很困难的事情,
因此在用这方法进行测试时,需要大致知道信号频率。
2021/3/15 现在外差法已经被计数法频率计所替代。
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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
直接比较
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间接比较
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有源法--外差法
fx 混频器
低频 放大器
差频输出
fs
外差振 荡器
零差法: 测差法: 谐波零拍法:
fd fx fs
fd0,fxfsfd
n mxfnsf0, fxmfs
标准频率源 将外来未知信号fx与本机的外差振荡器的准确已知频率fs一同加于混频 器,取差频fd=fx-fs。如果fs能够连续变化,则精确调节fs使fd=0,便知道fs=fx,这个 方法称“零差法” 或“零拍法”。
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无源法测频率
利用微波谐振腔 各种谐振式波长计。
同轴谐振腔
圆柱形谐振腔式
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一般要求同轴线尺寸满足
min(D2d)
D、d分别代表同轴线内外导体直径
;λmin是上限波长
需仔细选择腔体尺寸 24
波长计
利用谐振现象测量无线电波波长的仪器。微波波长计通常用波导或同轴的可调谐 振腔做成（见图）。谐振频率 f（或波长λ ）与调谐活塞的位置之间的关系预先 用已知频率标准定标,根据活塞的位置可确定波的波长。谐振波长计的调谐精度 主要决定于腔体有载 Q值（也与调谐机构回差、读数装置误差等因素有关）,而它 的波长（频率）调谐范围取决于对干扰模式的抑制程度。因此,设计时应选择适 当的工作模式和工作区。波长计与外电路耦合可用小孔或小环。按照腔谐振时对 外电路反应情况,可分为通过式（或称为传输式）和吸收式(或称为反应式)两种波 长计。前者,腔体有输入和输出两个耦合装置,谐振时腔内建立起较强的振荡,通过 输出耦合使外电路指示I最大;而吸收式波长计的腔体仅有一个输入耦合装置,谐振 时,通过耦合;腔内建立起较强的振荡,使外电路输出指示I最小（。毫米波波长计采 用准光学腔,如共焦球面谐振腔、米切尔森干涉仪等
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铯原子频率标准
铯133则被普遍地选用作原子钟
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。
对于一级频标,对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之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。