微波测量复习题

微波测量复习题

1. 表征微波信号的三个重要基本参数，简要阐述微波测量与低频电子电路测量的区别和联

系。

（1）功率 、频率 、阻抗。

（2) ①低频电子电路的几何尺寸通常远小于工作波长，属于集中参数电路。便于测量的电

压电流和频率是基本测试量。

微波元器件的几何尺寸通常和工作波长相比拟，属于分布参数电路。功率，频率和阻抗是基本测试量。 ②非TEM 波传输线系统中电压、电流的定义失去了唯一性，如单导体传输线波导－模式电压，模式电流。而在TEM 波传输线系统工作于主模且在行波条件下，行波电压V 、电流I 和传输功率P 仍满足与低频电路相同关系式。

③它们在测量任务测量方法和测量仪器方面都有所不同。 2. 测量的基本要素与之间互动关系

被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境 测量过程—基本要素之间的互动关系:

1制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序） 2选择测试仪器，组建测试系统。 3分析测量误差并显示测量出结果。 3. 什么是测量环境，举例说明

测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。 比如温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。 4. 测量误差来源有哪些？

（1）测量对象变化误差（对应测量基本要素）（2）仪器误差（3）理论误差和方法误差（4）人身误差 （5）环境影响误差 5. 计量与测量的关系

• 计量的任务是确定测量结果的可靠性。 • 计量是测量的基础和依据。 • 没有计量，也谈不上测量。

• 测量发展的客观需要才出现了计量。 • 测量是计量应用的重要途径。 • 没有测量，计量将失去价值 6. 微波信号源的主要性能指标与含义

微波信号源就是产生微波信号的装置，又称为微波信号发生器。 主要性能指标：频率特性，输出特性，调制特性。

（1）频率特性--频率范围，频率的准确度和稳定度，频率分辨率，频率切换时间，频谱纯度。

（2）输出特性--输出电平，电磁兼容性，输出电平的稳定度、平坦度、准确度 （3）调制特性--让微波信号的某个参数值随外加控制信号而改变

*微波三极管的主要特征是利用静电控制原理控制交变电子流的大小，来实现信号产生和放大的功能。这种控制是借助改变控制栅极电压，影响阴极附近的电场来实现的。

7. 给出定向耦合器耦合度、隔离度、方向性参数定义与之间关系

输入至主线的功率P1与副线中正向传输的功率P3之比称为定向耦合器的耦合度C

C=10lg(P1/P2)(dB)副线中正方向传输的功率P3与反方向传输的功率P4之比称为定向耦 合器的方向性D=10lg(P3/P4)

隔离度D ’表示输入至主线的功率P1与副线反方向传输的功率P4之比D ’=10lg(P1/P4) 方向性＝隔离度－耦合度

8. 为什么说采集输出端口匹配良好和方向性很高的定向耦合器作为取样，可以大大改善信号源的匹配？请给出主要推导过程。(见微波测量技术（一）, ppt132-133)

b 3=Cb 2+Da 2

设b 3幅度保持为常数，b 3=K

b 2=

K D +(-) a 2 C C

有端口②向左看，可等效为一信号源，其 输出为b ge ，反射系数为Γge

b 2=b ge +Γge a 2

⇒b ge =

K D

; Γge =- C C

等效源反射系数由方向性（隔离度，耦合度）而定

a 2=ΓL b 2

b 2=

b ge 1-Γge ΓL

Γge 很小

采用输出端口匹配良好和方向性很高的定向耦合器作为取样，可以大大改善信号源的匹配。

9. 深入理解定向耦合器方向性影响：一个放大器输出功率100W ，输出阻抗50欧，送至一大功率负载，负载驻波为1.5，现通过方向系数分别为25dB 和40dB 的双定向耦合器测试反射、入射功率，以及驻波大小，试计算方向性产生的误差大小？（不考虑功率计和路径传输损耗影响）

(见微波测量技术（一）, ppt135, 136)

ρ=1. 5⇒|Γ|=0. 2 若理想定向耦合器

反射功率为4W-C

真实反射功率=主反射功率+方向性反射 功率=主反射功率+入射功率—（D+C） =（4W —C ）+（100W —D —C ） =（4W —C ）+（0.316W —C ）

50Ω传输线系统中（端接匹配阻抗），电压（幅度）与功率的关系式

V 2

P =

2⨯50

反射电压最大同相叠加，最小反相叠加，

V reflected |max =20+5. 62V reflected |min =20-5. 62

⇒

|Γ|max =0. 256; ρmax =1. 7|Γ|min =0. 144; ρmin =1. 34

10. 频率合成方式有哪几种？简述直接频率合成原理。

频率合成方式：直接式合成，锁相环式合成，直接数字频率合成（DDS ），混合式合成 直接式合成原理：用晶振产生稳定的参考频率作为激励源，使参考信号通过谐波发生器产生具有丰富谐波的窄脉冲，再通过混频、分频、倍频、滤波等方法，进行频率变换和组合来产生所需的大量离散频率。

11. 基本锁相环有哪几个部分组成和各自作用？ 基本锁相环由鉴相器（PD ）、低通滤波器（LDF ）、电压控制振荡器（VCO ）及基准晶体振荡器等部分组成。VCO 输出频率f 0反馈至鉴相器，与基准频率f r 进行相位比较。鉴相器（PD ）的输出V 0与f r 和f 0的相位差成正比，经环路滤波器形成调谐信号，调整调谐振荡器的频率，使f 0的相位趋于f r 。由负反馈理论可知，最终达到稳态时，VCO 的输出频率f 0等于f r 。可见，锁相环的输出频率f 0和基准频率f r 具有同等稳定度。

12. 试给出锁相环实现倍频（Nf1）的原理框图。

13. 秒的定义

秒是铯－133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射9192631770周期所持续的时间。

14. 简要叙述频率测量基本方法

有源法：外差法、计数法（外差法：零差法、恒差法、测差法） 无源法：谐振式波长计 直接法（微波技术频率计），间接法

15. 请给出直接式频率计数器的原理框图，并说明主要误差来源

误差来源：（1）计数器计数的准确性（量化误差）， （2）闸门启闭时间相对误差，晶振频率稳定性、准确度、分频电路和闸门开关速度及其稳定性等因素（标准频率误差） （3）时基信号所引起的闸门时间准确性（时基误差） 16. 微波计数器使用注意事项。

①晶体在经受各种物理扰动时会改变它的振动频率，从而影响计数器的精度，这些不同扰动的累积效应即晶体的老化，校准计数器是对老化的补偿。

②调节灵敏度，避免噪声触发 17. 波长计工作原理。

利用分布式参数的微波腔体谐振器对频率的选择作用测量频率的一类器件。 18. 同轴TEM 型

波长计的工作原理

结构：一段同轴线，一端为固定短路面，另一端用短路活塞封闭，其长度可以通过活塞调节，但长度与波长非精确对应。l =p

λ

2

为保证单值性

f up f down

=

λmax

≤2 λmin

19. 说明圆柱腔式波长计工作原理，并说明H011波长计的优点 场结构稳定，无极化简并模式，损耗小（随着频率升高而减小）。腔体侧壁和两个端壁内表面只有φ向电流，非接触式活塞Q 值高，高精度波长计

20. 反应式波长计串并联电路接入方式对谐振腔入口到主线分岔点之间电长度有什么要求？ 串联接入：L=λ/2 并联接入:L=λ/4

21. 反应式波长计工作原理分析，证明谐振时，负载功率曲线3dB 带宽等于错误！未找到引用源。

谐振时，f →f 0

∆ω

ω

=2δ0=

1 Q L

1+1/(1+k /2) 2P 2max +P 2min

P 2==

22

曲线半腰宽度（3dB 带宽）等于

22. 频谱仪与示波器在测量信号上各有何特点？

频谱仪测的是信号在频率上的特性(频域上) 示波器测的是信号在时间上的特性(时域上)

示波器：显示的是信号的幅度随时间变化的一条曲线，通过该曲线可得到信号的波形、幅度和重复的周期。 频谱仪测量：显示的是不同频率点的功率幅度分布，离散图谱能获得谐波分量、寄生、交调、噪声边带等。

23. 频谱仪分辨率带宽参数设置对测试有什么影响？

较小分辨率带宽，提高动态范围－扫描时间增大；对于调制信号须有足够带宽，否则极大影响测试结果

1. 选择最好的分辨率带宽---------不是最低 2. 改进测量精度（幅值和频率） 3. 优化低电平测量灵敏度 4. 为失真测量提高动态范围 5. 识别内部失真

6. 优化瞬态测量的测量速度 7. 选择最好的显示检测模式

8. 测量突发信号－时间选通频谱分析仪

24. 功率单位换算与对应50欧姆传输线（匹配状态）上对应电压幅值计算

A(dBm)=10lg错误！未找到引用源。 A(dBW)=10lg错误！未找到引用源。

25. 微波检波二极管使用注意事项

（1） 额定功率（连续波，脉冲波） （2）阻抗匹配（瞬态测试，灵敏度） （3）平方律适用功率范围 （4）灵敏度

（5）输入驻波，频率范围，输出检波电平极性 26. 试给出几种单次窄脉冲（几十ns ），脉冲功率（W 级）测试方法，包括脉冲包络测试，画出简要测试框图。

需要同时进行脉冲包络和脉冲功率测试，一般采用检波二极管。 比较实用的是替代法校准。

（1）标准源－检波器——得到功率与检波幅值 对应关系。

（2）待测源－检波器——得到输出功率 脉冲包络对于窄脉冲（几十ns ），前沿较小测试需注意，检波器输出视频带宽严重影响测试结果。

27. 功率方程级数方式推导，并说明资用功率PA ，无反射负载功率PO ，任意负载功率PL 的意义，给出各自表达式。 (见微波测量技术（三）P74-75,P86)

Γg =(Z g -Z 0) /(Z g +Z 0) ΓL =(Z L -Z 0) /(Z L +Z 0)

a =b g /(1-Γg ΓL ) b =a ΓL

a =b g +b g Γg ΓL +b g Γg Γg + +b g Γg ΓL =

|b g |2|1-Γg ΓL |2

2

22n n

n n

b g (1-ΓL ΓL )

1-Γg ΓL

=

b g 1-Γg ΓL

入射频率：P i =|a |=

2

=

P 0

2

|1-Γg ΓL |

反射频率：P r =|b |=|a ΓL |=

2

|b g |2|ΓL |2|1-Γg ΓL |2

1-|ΓL |2

负载净功率P L =P

i -P r =P 02

|1-Γg ΓL |

P 0为功率源传输到无反射负载上的功率，它表征源的输出功率。

当ΓL =Γ

*

g 时，负载上的功率最大：

P 01-|ΓL |2

P A =P 0=*22

|1-Γg Γg |1-|ΓL |

P A 称为信号源的资用功率，它表示信号源可能输出的最大功率。

传输到任意附在上的净功率P L 与信号源资用功率P A 之间的关系为：

P L =P A

(1-|Γg |2)(1-|ΓL |2)

|1-Γg ΓL |

2

1-|ΓL |2

=P 0

|1-Γg ΓL |2

28. 频谱仪测相位基本原理与使用局限性

频谱分析就是将待测信号同时引入一系列带宽相同，但中心频率以带宽为步进等差递增的带通滤波器，再分别通过各频率检波器检波，得出各频率点功率的大小，最后再通过显示屏显示出来。

频谱仪－简单快速，不适用一些漂移较大振荡器，不能区分PN 和AM ，近频测试困难。 （1）此法不能从噪声中区分出调幅噪声，且要求后者远小 （2）（C-N ）受限于频谱仪动态范围，本振相位噪声必须比被测信号低的多 （3）很难测试靠近载频相位噪声，3dB 带宽（RBW ）限制 RBW太小，扫描时间很长

一般用于预测试，摸底，经常使用

适用于测量漂移较小但相位噪声相对较高的信号源, 尤其适用于快速、定性地初步测试信号源性能，简单方便。

29. 噪声系数基本定义与数学表达式

定义为用分贝（dB ）表示的射频或微波器件输入处的信噪比（SNR ）除以输出处的SNR 。从它的名称可知，SNR 是在给定传输环境中的信号电平与噪声电平之比。

F =

S i /N i S N

=i ⋅out

S out /N out S out N i

30. 如表所示三个匹配级联放大器，请计算出级联噪声系数最小值，并给出此时放大器级联顺序：

F 13=F 1+

F 2-1F 3-1

+

G 1G 1G 2

F ABC =F A +

F B -1F C -12. 0-14. 0-1

+=1. 7++=1. 997

G A G A G B 44⨯16F C -1F B -14. 0-12. 0-1

+=1. 7++=2. 475 G A G A G C 44⨯100

F ACB =F A +

由于F B F C 均大于2，所以其他级联顺序的噪声系数都会大于2，那么可以得出级联系数的最小值即为1.997，此时放大器的级联顺序为A-B-C

31. 简述Y 系数法测量噪声系数原理

Y =

T -YT 1N out 2Gk (T 2+T e ) B

= T e =2网络等效输入噪声温度

Y -1N out 1Gk (T 1+T e ) B

T 2T

-1) -Y (1-1)

T T T 0Y (T 1-T 0) T -YT 1ENR F =1+e =1+2=0=[1-]

T 0(Y -1) T 0Y -1Y -1T 2-T 0

(

如果T 1-T 0，则F =

ENR

F (dB ) =ENR (dB ) -10lg(Y -1) Y -1

32. 微波网络分析特点

(1)不同模式（波型）对应于不同的网络。

n端口（m 个模式）-n ×m 个端口网络(无互耦） 模式电压，模式电流 (2) 端口参考面的选择

参考面变化，网络参量变化 端口参考面远离不均匀区域

(3) 某些微波元件等效（电感，电容）与频率相关，某一频段内等效成立 (4) 参考面相同，等效方法不同，网络参数不同 矩形波导TE10模，圆波导TM01，TE11

33. 简述测量线基本组成，并说明其测量反射参数原理 测量线测量线由波导开槽线（尽量不影响传输线场分布）、耦合指示机构（检波器）和传动机构（平稳度与平行度0.01mm ）三个部分构成。

|Γ|=

ρ-1

；先得到驻波系数，再测量反射系数的相位。测量待测负载相位的思路是：首先ρ+1

在测量线上找到一个已知相位的点，如波幅点或波节点，再通过测量该点到待测负载端面的距离，换算成角度即可。

34. 如图单定向耦合器反射计信流图，给出反射系数表达式并简要分析提高反射参数测量精度措施。

g 1=C r D r ∆1=

g 2=T r ΓL C r ∆2=

2

解得：A '=C r T r -C r D r Γ2 B '=C r D r C '=Γ

L Γ2Γg -Γ2-T r Γg D '=1-Γg ΓL

1g L 2r L r g 1g L 2 C 'D '与源反射系数有关；源匹配，定耦匹配，方向性好

∆=1-(ΓΓ+ΓΓ+T ΓT Γ) +ΓΓΓΓ

r r 35.

分析微波等电阻比臂电桥工作原理，试推导证明电桥对角线上的失衡信号电压正比于ΓL

由图（b ）所示，可写出o 、c 两点间的总电阻为R oc =

(r +Z L )(r +Z 0)

2r +Z L +Z 0

R oc 两端的电压可由v b 分压得v b =e

R oc

Z 0+r +R oc

电桥输出d 、b 两端得电位为v d =(

Z 0Z L

-) v b

r +Z L r +Z 0

将以上三式联立求解，并考虑到r =

Z 0e Z L -Z 0

，便得v d = 38Z L -Z 0

将微波信号源端电压v =

e v e

对Z 0归一化，便可得微波信号源波幅b g =，输出=2Z 02Z 0

端电压v d 归一化为出射波波幅b d =

v d

，便可将上式写成微波常见形式 Z 0

b g Z L -Z 0b g

=ΓL

4Z L +Z 04

b d =

36. 综合比较标量网络分析仪和矢量网络分析仪的工作基本原理，说明各自适用范围。 标量网络分析仪：标量网络分析仪是在扫频反射技术基础上开发出来的成套仪器，由于日常需大量进行反射系数和传输系数测试，仅需幅值即可。

适用范围：交流检波方式对窄带滤波器、功率敏感器件、反馈回路系统等不能正确响应经脉冲调制的微波信号，这时，提供给待测器件的微波信号就必须为连续波信号，而这就要求用直流检波；对于直流检波方式由于信号源宽带噪声的引入而导致动态范围减少，一般只能到-40dBm 左右，另外，在测量信号接近或低于-50dBm 时，直流放大器的漂移也将带来很大的误差。

矢量网络分析仪：依照四个S 参数定义，通过分离(S参数测试装置) 后的入射波、反射波、传输波，进行下变频，利用中频幅相测量方法测出入射波、反射波、传输波的幅度和相位，从而得到四个S 参数。

标量网只能测量网络的幅频特性，没有选频特性，动态范围小。接收机二极管检波，矢量仪可同时测量被测网络幅度信息和相位信息。接收机采用调谐接受，具有选频特性，有效抑制干扰和杂散，动态范围大。

37. 如图单端口反射参数误差网络模型，说明各误差项的意义，并求出校正值的解。 （1）串话误差E DF ：测试通道定向耦合器的有限方向性； （2）跟踪误差E RF ：定向耦合器、接收器的频率跟踪误差； （3）等效源失配误差E SF :等效源失配误差。 由信号流图解出反射系数的测量值为

ΓM =

b 0E Γ=E DF +RF L a 01-E SF ΓL

显然，如果待测元件的反射系数ΓL 很大，E DF 产生的影响小，E RF 和E SF 产生的影响大；反之，E SF 产生一定百分比的误差，而E DF 成为主要的误差。 如果求出E D F E RF E SF ，则可由上式求得待测反射系数的校正值为

ΓL =ΓM -E DF E SF (ΓM -E DF ) +E RF

38. 如图传输误差网络模型，说明各误差项意义，求出传输参数测量值。

正向6误差项

EDF ：定耦前向方向性误差

ESF ：前向信号源失配误差

ERF ：前向反射跟踪误差

EXF ：前向隔离或串扰

ELF ：前向负载失配

ETF ：前向传输跟踪误差

S 11M =E DF +S 11E RF (1-S 22E LF ) +S 12S 21E LF E RF (1-S 11E SF )(1-S 22E LF ) -S 21S 12E SF E LF

S 21M =b 3S 21E TF =E XF +a 01-S 11E SF -S 22E LF -S 21S 12E SF E LF +S 11E SF S 22

39. 简述TDR 工作原理

时域反射测量（TDR ）

指利用快速阶跃信号发生器和接收机来进行传输或反射的测量方法。

TDR （时域反射计）是对具有这种测试能力的示波器的通称。

时域反射测量相当于闭路雷达，对于故障定位、连接器阻抗变化、有选择地消除不希望的响应、简化滤波器的调谐等测试中有广泛应用。

40. 简述适量网络分析仪进行时域测量分析需要解决的三个问题。

（1）截断频率－测试频段有限

（2）离散取样－扫描频率步进

（3）定标和再归一化－确保时域变换值保留物理意义。