微波频率测量15.docx

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微波频率测量15

频率和波长的测量

一频率和波长的测量的基本概念

1频率和波长的测量分别属于两个不同物理量的测量

频率的测量—时间的测量

波长的测量—长度的测量

2“秒”的定义

█早期：

天文秒—平均太阳日1/86400

上世纪初开始科学家们发现地球自传不均匀，且有变慢的趋势。

而现代科学对时间标准的要求越来越严格，如导航，人造卫星的发射与回收，…等。

天文秒越来越受到严重的考验。

与此同时，科学技术的发展人们认识到微观世界中的运动比宏观运动更稳定，且易于观测，于是产生了新的“秒”—原子秒的定义

█近代：

原子秒—

基态超精细能级F3-F4之间，电子跃迁时间的9192631770倍为1秒

1967年10月，第13届国际计量大会通过

1972年1月1日零时开始实施

二数字式频率计原理

三波长计测频率—频率的“间接”测量

█反应式电路

█通过式电路

微波频率测量

.1概述

频率是表征微波信号特性的最重要的参数，因此微波频率的测量也是微波信号分析的最重要内容。

频率基本测量方法是比较法。

频率与时间在概念上是统一的。

所定义的时间标准是比较的原始基准。

比较方法分为有源比较法和无源比较法两类。

前者以标准频率源作为未知频率的比较标准，后者用已知频率特性的无源电路作为比较标准，使未知频率的信号通过无源电路，与无源电路的已知特性相比较，通过已知频率特性求出未知频率，即

（.1-1）

式中A、B、C、...是无源电路的已知常数。

如利用波导的传输特性

就属于此种测频方法，其中

具有已知的频率特性。

当然，无源电路的已知特性，需要用更高一级的频率标准来校准，所以归根到底还是以标准频率源作为比较法的基准。

无源比较法在微波测量中常称为波长测量。

采用有源比较法需要解决两个问题。

一是比较的基准；二是比较的方法。

前者提供标准频率源，后者提供未知频率与标准频率比较的技术。

常用的频率标准有晶体频标和原子频标两种。

晶体频标的稳定度和准确度一般为10-6量级。

但长期工作会产生不可逆的缓慢变化，即老化，因此要定期与天文时间进行对比、校正和调整，以保持可作为标准的足够高的准确度。

原子频标的准确度可达5×10-13，稳定度2×10-13/h。

.2有源比较法测频原理

有源比较法有零拍法、测差法和内插法三种，现分别介绍其原理。

一、零拍法

如图.2-1（a）所示，把未知频率f和标准频率fs一起加到混频-检波器，调节fs出现零拍，得fx=fs。

若待测频率是一段频谱（或单一频率但频谱不纯），欲测其中的某一频率分量，则由于频谱中各频率成分相互组合，可能会产生很多低频组合频率，因而使听取未知频率和标准频率之间的零拍音调发生严重困难。

这时可采用图2-1（b）示出的方法，在混频器的输出电路中接一固定频率

的窄带带通滤波器，再接到检波指示器上。

连续调整

时，可以得到两次最大指示，相应频率为

和

，由次得出

（.2-1）

图.2-1零拍法

（b）

（a）

二、测差法

把未知频率fx和与它靠得最近的标准频率fs一起加到混频器，得出它们的差频F=|fx-fs|，再用较低频率计或一般数字频率计测出差频F，则fx=fs+F或fx=fs-F。

这种测量微波频率的方法，对F的测频准确度不必要求很高，而能使微波频率具有很高的测量准确度。

例如需要把3000MHz左右的频率测准到10-6，即要求把差频F测准到3kHz。

这时如果选用足够靠近的标准频率，使F=3MHz左右，那么只要把F测准到10-3就够了，这一般是不困难的。

三、内插法

图2-2内插法

所谓内插法就是利用一个辅助振荡器，其频率在一定范围内连续可调、且具有直线频率刻度。

这个辅助振荡器常称为内插振荡器。

把内插振荡器的频率按零拍法调到与未知频率相等，读出内插度盘刻度Ax。

然后在内插振荡器的度盘上找出两点，这两点是最接近于未知频率fx两侧的两个标准频率fs1和fs2（图2-2）。

由于内插振荡器的频率连续可调且具有直线刻度，因此有

，由此得出

（.2-2）

.3微波数字频率计原理

数字频率计具有精度高、速度快、操作简便等优点。

由于其一般是以计算在一定时间间隔内的脉冲数目为测量原理，因此也常称为计数器。

由于微波频率较高，若采用电子计数器直接计数，则会受电路翻转速度的限制而不能实现。

所以需要把微波频率变换到较低射频上，再由计数器直接计数，然后乘以变换比或加上差值来实现微波频率的数字显示。

常用的变换方式有外差式、频率转换式、同步分频式（取样式）三种。

下面先简要复习直接计数法原理，然后介绍微波外差式和频率转换式数字频率计基本原理。

一、直接计数式数字频率计基本原理

直接计数式频率计的简化方框图示于图3-1。

待测信号fx从A通道输入，经过放大整形使每个周期形成一个脉冲，即把输入的周期信号转变成频率为fx的脉冲信号。

把它们送入闸门电路。

闸门开启时，信号通过闸门进入计数电路，闸门关闭时，终止计数。

闸门的启闭时刻是受一个脉冲宽度非常标准（比如准确地等于1s）的秒方波信号严格控制的。

当秒方波信号到来时（对应于方波前沿瞬间）闸门立即开放，在方波后沿瞬间，闸门断然关闭。

这样，计数电路在1秒钟内所累计的脉冲个数就有了频率意义。

如果闸门开闭时间为Ts，计数器累计数目为N，则未知频率fx=N/T。

可见秒方波信号是数字频率计中的本机标准，它通常是由恒温控制的高稳定度的石英晶体振荡器产生的标准信号，再经过分频而获得。

若振荡周期为T0，分频次数为k，则秒信号周期为T=kT0。

图3-1数字频率计的简化方框图

二、微波外差式数字频率计基本原理

外差式频率计的测频原理，将未知频率fx与仪器内部标准频率fs的谐波混频之后能得到差频fD=|fx-nfs|，fx=nfs+fD。

将差频fD由计数器直接计数，谐波次数n由模拟电路求出，并能判断fD的符号，就可构成外差式数字频率计。

可见外差式数字频率计至少要包括向下变频的变频器插件和计数、求n电路两部分。

图3-2示出的是外差式数字频率计的原理方框图。

机内标准频率取自直接计数器中的恒温石英晶体振荡器输出的基频5MHz信号（频率稳定度一般可达10-8量级），经20次倍频得到100MHz的标准频率fs，经梳状波发生器获得间隔为fs的梳状频谱。

当待测信号fx输入之后，分为两路，一路送入混频器，一路送入宽带放大器和检波器。

后者用来驱动起始电路发出指令，使谐波选择控制电路自动地从梳状谱线的低端开始扫描，让梳状谱线经过YIG滤波器（钇铁石榴石滤波器）从低到高依次通过，送入混频器与fx混频，若fx与第k次谐波

混频输出fD落在差频放大器带宽（设0~100MHz）之内，则差频信号fD也分为两路输出，一路经检波器驱动终止电路发出指令，使谐波选择控制电路停止扫描，并把这时的扫描电压，由A/D变换器变换成表征

的电信号并送入运算电路。

fD的另一路送入直接计数器测出差值fD，并与

一起送入运算器相加，其结果由数字显示出来为

。

图.3-2外差式数字频率计原理图

外差式数字频率计的特点是:

工作原理简单，不易受调频信号的影响，只要调频信号保持在差频放大器带宽之内，即可读出其平均值；对fD直接计数有较高的分辨力，如闸门时间为1s，则可分辨1Hz。

其测频范围可达18GHz。

三、微波频率转换式数字频率计基本原理

频率转换式（置换式）数字频率计是把微波频率的测量转换到较低射频上来进行测频的一种装置，这个较低射频可由计数器直接计数，一种自动转换式数字频率计原理图示于图3-3。

图.3-3自动转换式数字频率计方框图

其原理是把未知频率fx分为两路。

一路与转换振荡器输出的频率fT一起送入谐波混频器I，当差频

落入中频放大器I的带宽之内时，就有中频fD输出，把fD与来自计数器的标准频率fs一起送入鉴相器，经鉴相检测得出误差电压，再经环路滤波器滤除高频分量，并把误差电压送入转换振荡器，对它施以压控微调，使fx与nfT的差值fD保持在标准频率fs上。

把VCO的输出频率fT送到计数器记录并进行n倍时基扩展，与此同时把恒差值fs预置到显示器上，得出

。

为了求n（见图中虚线方框），用低频F对fT实行单边带调制，得出fT-F，并与另一路fx一起送入谐波混频器II，得出差频

，经中频放大器I放大后，与来自计数器的标准频率fs一起送入混频器，得出差频nF，再把nF与来自低频振荡器的F一起送入求n计数器，即用低频F的周期（T=1/F）作门控信号，计数nF，有TnF=n。

把n再送入计数器，对fT实行n倍时基扩展，遂得到nfT。

上述的一系列过程都是由控制和搜索扫描等电路自动完成。

转换式数字频率计用较低射频能获得很高频率扩展。

其灵敏度可达-30dBm，一般说比外差式要高（外差式的灵敏度一般为-10dBm）。