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微波通信原理实验指导书
微波通信原理实验指导书
李振田杨静山
2007年10月
信息学院通信教研室
目录
实验基础微波测量仪表介绍3
实验一70MHZ中频振荡器5
实验二压控振荡器8
实验三压控振荡器扫频特性测量10
实验四上变频器12
实验五滤波器14
实验六电调衰减器17
实验七低噪声放大器19
实验八锁相信号源22
实验九下变频器24
实验十微波上、下变频系统26
实验十一电视信号微波传输系统28
实验十二微波话音传输系统30
实验十三微波可视电话传输系统31
实验十四微波低速数据传输系统32
实验十五微波高速数据传输系统33
实验基础微波测量仪表介绍
微波测量仪表的种类很多,如微波信号源、功率计、驻波表、选频表、频谱仪等,微波仪表通常价格较高,考虑到此因素,本实验箱只需要配备很少的仪表,即可进行各项实验。
因此本实验箱配备了中频信号源、扫描振荡器等,代替微波信号源等仪表。
本章重点介绍频谱分析仪。
一、频谱分析仪工作原理
频谱分析仪是一种能在示波管上显示出被测信号频谱幅度特性的仪器,荧光屏的横坐标代表频率,纵坐标代表不同频率分量的幅值。
微波频谱分析仪主要用来观察各种已调信号(调幅、调频、脉冲调制)的频谱及功率,测量信号频率、测量振荡器的频率稳定度和频谱纯度,测量波形失真与噪声等。
目前频谱仪多采用扫频超外差式,它的灵敏度高,频率分辨率好,噪声小。
扫频超外差式频谱仪实际是超外差接收机和示波器的组合,它的方框原理如下图所示。
被测信号(频率为fs)经直接输入或衰减后输入,在混频器中与机内本振信号(频率为fp)进行混频,fo=fp-fs,fo为中频信号频率,中频信号经放大、检波,得到一个和输入信号幅度成正比的直流电压,经垂直放大后加到示波管的垂直偏转板上,这就使电子束在垂直方向的的偏移与输入信号幅值成正比。
本振fp是一个电调谐的扫频振荡器,它的频率受锯齿波电压的扫描发生器控制。
频率随锯齿电压作线性变化,该锯齿电压经水平放大器放大后加在示波管的水平偏转板上,这就使电子束在水平方的偏移正比于扫频振荡频率变化,并可折算出输入信号的频率。
如果被测信号中有几个分量,由于本振频率fp连续扫频变化,而中频fo是固定的,因此信号中的各个频率分量都可以顺序地在fp变化时满足fp-fs=fo,此时各频率分量顺序通过中放,在示波管的荧光屏上分别显示出来,它们在荧光屏上水平间隔距离反映出它们的频率差,垂直高度代表它们的幅度。
这样就得到了信号频谱。
扫描超外差式频谱仪的灵敏度主要取决于中频放大器的放大量和内部的噪声,一般能达-100dbm,频率分辩率主要取决于中放的带宽,考虑到超外差接收机的镜像干扰,频谱仪多采用多级变频方案,如三次或四次变频,第一中频较高,可减小镜像干扰,末级变频后的中频较低有利于减小带宽,降低噪声和提高分辩率。
有的频谱仪带宽有多种选择,可满足不同分辩率要求。
二、安泰信AT5011频谱分析仪使用方法
安泰信AT5011频谱分析仪是一款性能好、价格低的射频分析仪。
本频谱仪测量的频率范围为0.15-1050MHZ,若另外选配AT5000F1扩展器,测量频率可扩展为1050-2050MHZ;若选配AT5000F2测量频率可扩展为2050-3050MHZ;若选配AT5000F3,测量频率可扩展为3050-4050MHZ。
因此若三种扩展器都选配,则测量频率范围为0.15-4050MHZ。
本微波实验系统只需选配AT5000F2,便可满足测试需要。
众所周知,示波器是观察信号时域波形的专用设备,但是信号并非用时域特性能完全表征,而信号的频域特性也是对信号进行分析的一个重要方面。
频谱分析仪则能在示波管上直接显示信号频谱特性的仪表,因此频谱分析仪与示波器一样都是分析信号的重要工具。
安泰信AT5011频谱仪使用非常方便。
被测信号从INPUT输入,适当选择衰减档位,在示波管上便能显示出信号的频谱。
当MARKER置于ON,调节MARKER旋纽,示波管有光标表示,该光标的频率数值在数字显示窗中将被显示出来。
因此利用光标能准确地读出被测信号频率。
当MARKER置于OFF时,数字显示窗将显示示波管垂直中轴位置频率。
SCANWIDTH是扫描宽度调节共分十档,每格扫描宽度从0.1MHZ-100MHZ。
当放在大档位时,观察到的频谱范围较宽,当放在较小档位时,对频谱特性能观察得较仔细。
BANDWIDTH是中频带宽选择,分400KHZ、20KHZ两档,当需高频率分辨率时应选择20KHZ档。
在测量信号幅度时,中频带宽应选择400KHz档。
VideoFilter是视频滤波,在测量微弱信号时,放在ON,可以减小本机噪声对测量的影响,在测量信号幅度时,该视频滤波应放在OFF。
另外AT5011频谱仪带有跟踪振荡器,它是扫频振荡器,扫频频率与频谱仪扫描频率同步,故取名为跟踪振荡器。
扫频范围为0.15-1.50MHZ。
如测量滤波器或放大器的频率响应,它可用来作为信号源。
该扫频振荡器输出幅度可用衰减器调节。
(0-40db调节范围)。
安泰信AT5011频谱仪用来进行微波实验时的电路连接请参见以下各章节。
实验一70MHZ中频振荡器
一、实验目的
1.测量70MHZ中频振荡器特性,为以后实验作准备;
2.学习振荡器测量方法及仪表使用方法。
二、实验内容
1.观察70MHZ振荡器信号频谱;
2.测量信号频率;
3.测量信号功率;
4.测量杂波频率及衰减;
5.测量频谱纯度(各次谐波衰减);
6.测量相位噪声;
7.测量频率稳定度。
三、相关部件及仪表连接
70MHZ中频振荡器,是有源部件,测量时必须按下中频振荡器的12V电源开关,相应的绿色指示灯亮,将频谱仪输入接在中频振荡器输出测量的50Ω同轴接头上。
四、参考测量结果
信号频谱为线谱
输出频率:
69MHZ
输出幅度:
-10db(中频带宽400KHZ,视频滤波OFF位)
各次谐波功率:
2次谐波-40db
3次谐波-38db
4次谐波-45db
5次谐波-34db
6次谐波-45db
7次谐波-34db
8次谐波-35db
9次以上谐波≤-45db
其它杂波<-40db
相位噪声:
偏离0.1MHz;衰减50db以上。
(中频带宽20KHZ,视频滤波ON位)
频率稳定度因需长时间测量,如每隔一小时测量一次,每次测出频率,求出频率的平均值则记为f,再求出每次测得的频率与f之差,并找出最大的偏差记为△f,则频率稳定度为△f/f。
此项实验所需时间长,通常不进行测试。
五、实测频谱图形
六、实验方法及注意事项
本实验的方法请参考第一部分频谱仪使用方法。
实验中请特别注意:
1、“中频振荡器输出测量”接头上测得的信号,并非中频振荡器实际输出信号,因该测量点是经耦合电路与中频振荡器输出连接,其耦合衰减约为10db,因此计算中频振荡器实际输出与各次谐波实际输出时,应将在“中频振荡器输出测量”接头上测得的值增加10db,才是中频振荡器输出端真正的输出信号功率。
2、接入频谱仪,开始频谱仪输入衰减应置于较大的衰减位,然后逐步调整衰减大小,至合适位置,分辩率也可根据屏幕显示情况合理调节,直至能正确读出频率的数值。
3、进行中频振荡器模块测量时其它模块电源应切断,以免造成相互干扰,实验室中有多组实验同时进行时,也应注意避免相互之间干扰。
4、实测结果与参考测量结果可能会稍有差别,但差别不应太大。
若差别过大,应分析其原因。
5、相位噪声测量,使用不同仪表或使用同一仪表不同频偏,其测量结果会不相同(试分析说明原因)。
6、由于中频振荡器标称频率为70MHZ,因此,使用安泰信AT5011频谱仪测量时,无需加扩展器。
仪表连接请参见照片。
实验二压控振荡器
一、实验目的
1.测量压控振荡器特性,为以后实验作准备;
2.学习了解压控振荡器工作原理及电压改变频率之特性,计算调整斜率。
二、实验内容
1.测量压控振荡器频率最大可调范围和2.4GHz对应的电压;
2.测量压控振荡器电压——频率——功率控制特性;
3.测量杂波衰减;
4.测量相位噪声。
三、相关部件和仪表连接
做压控振荡器实验时,首先要将面板压控/扫频开关置于压控位,按下压控振荡器12V电源开关,相应的绿色指示灯亮。
将频谱仪输入接在“压控振荡器输出测量”的50Ω同轴接头上,并将电压表“+”接“压控电压测量”孔,而电表“一”接组件外壳(如任一镀金的连接接头)。
当改变“压控频率调节”旋钮时,测量压控振荡器频率和压控电压,并将结果填入下述的表格中。
四、参考实验结果
中心频率:
2.4GHZ电压9.31伏
频率可调范围:
2.170GHZ-2.570GHZ
输出幅度:
-11dbm
(该值为“压控振荡器输出测量”点上测得的幅度,它比实际输出幅度低10db)。
相位噪声:
偏离1MHZ衰减≥50dbm(实测40dbm,中频带宽400KHZ带宽,视频滤波OFF位)
杂波:
f=2.772G幅度<-40dbf=2.856G幅度<-40db。
加屏蔽盖后,杂频衰减改善3—5db,其频率漂移约2.5MHZ。
电压频率功率特性测试数据表
压控电压(V)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
9.31
频率(GHZ)
2.227
2.243
2.253
2.273
2.287
2.304
2.325
2.348
2.372
2.341
2.423
2.448
2.473
2.400
输出功率dbm
-5
-5
-5
0
-4
-5
-5
-5
-6
-5
-6
-3
-6
-6
每隔1V,测量一次压控振荡器的频率与功率。
并测试频率为2.400G时的压控电压和输出功率。
(此表数值仅供参考)
依据上述表中数据可画出曲线如下:
根据曲线可求得频率电调斜率。
频率电调斜率是与电压大小有关的变量,如V1-V2之间的电调斜率为:
由于压控振荡器频率大于2GHZ,因此使用安泰信AT5011频谱仪测量时需加扩展器。
具体连接方法是将AT5011输入测量探头接至扩展器输入。
使用扩展器时,被测频率应为AT5011频率数字显示窗所示频率与2GHZ之和。
五、实验思考
1.使用AT5011测量压控振荡器与测量中频振荡器时,仪表本身的连接有何不同?
2.测量压控振荡器的频率应如何读数?
3.能否测出压控振荡器的各次谐波?
实验三压控振荡器扫频特性测量
一、实验目的
1.测试压控振荡器扫频特性,为滤波器实验作准备;
2.学习了解扫频信号源工作原理与测量方法。
二、实验内容
1.扫描振荡器测量
(1)扫描振荡器波形观察(用示波器观察);
(2)扫描振荡器频率、幅度测量。
2.压控振荡器扫频特性测量
(1)扫频范围;
(2)扫频频率响应观察;
(3)扫频平均输出功率;
(4)扫频频谱平坦度测量;
三、相关部件和仪表连接
在做压控振荡器扫频特性时,首先将面板压控/扫频开关置于扫频位。
将频谱仪输入接到“压控振荡器输出测量”的50Ω同轴接头上,频谱仪上则能观察到扫频特性轴线。
若要观察扫描振荡器波形,则可用普通示波器,探头接在“压控电压测量”上(地为机壳)便可观察到扫描振荡器输出波形。
四、参考实验结果
1.扫描振荡器为正弦波振荡器;
振荡频率约为300KHZ;
振荡幅度为0-11.5V作正弦变化。
2.压控振荡器扫频特性
扫频范围:
2.230—2.500GHZ(中频400KHZ带宽,视频滤波器OFF位)
扫频频率响应基本为矩形。
输出平均幅度-40db(中频400KHZ带宽,视频滤波器on位)
输出平坦度±6db
杂波衰减平均约40db
最大杂波f=3G衰减>35db
加屏蔽盖后,杂波衰减能改善3-5db。
五、实测扫频频谱特性(照片)
六、实验注意事项
1.本实验,压控振荡器与扫描振荡器的电源开关都要接通,并且压控/扫频开关要置于扫频位。
2.扫描振荡器是与70MHZ低通滤波器做在一个模块内。
七、实验思考
1.扫描振荡器幅度对扫频特性有何影响?
2.扫描振荡器幅度相同,但波形不同对扫频特性有无影响?
3.采用正弦波形与锯齿波形扫描振荡器时压控扫频振荡器工作有何差异?
实验四上变频器
一、实验目的
1.了解变频器工作原理;
2.掌握上变频器的测量,为微波通信系统测量打下基础。
二、实验内容
1.观察上变频器各端口信号的频谱特性;
2.测量上变频器两输入信号幅度;
3.测量载漏幅度;
4.测量泄漏信号幅度;
5.测量输出信号(边频)幅度。
三、相关部件和仪表连接
上变频器测试电路
(一)
上变频器测试电路
(二)
上变频器实验的电路如上图
(一)和图
(二),实验时首先按下微波压控振荡器和中频信号源电源开关,相应的绿色指示灯亮。
压控振荡器压控/扫频开关应置于压控位,仔细调节压控频率调节使压控振荡器频率为2.4GHZ,上下边频为2.4GHZ±70MHZ。
由于本实验箱对上变频器输入、输出信号不能直接测量,而是从耦合的测量接头间接测量,因为各耦合接头对信号衰减各不相同,即使是同一接头对不同频率信号耦合衰减也不相同,因此,根据测量数值很难计算真正的变频增益,故变频增益没有列为实验内容。
四、实验任务
测出实验输入信号功率、载漏、信号泄漏、信号功率。
电路
(一)实测
幅度-35db
幅度-8db
幅度-12db
幅度-38db
幅度-29db
幅度-28db
幅度-33db
其它组合频率幅度<-40db
电路
(二)实测
幅度-65db加屏蔽盖后<-68db
幅度-30db加屏蔽盖后幅度不变
其它杂波幅度<-70db
(下边频频率为2.328GHZ,上边频频率为2.462GHZ,载漏频率为2.4GHZ)
五、实验思考及说明
1.上变频器有两个测试电路,这是因为:
电路
(一)可以测量出上变频器部件特性,可对上变频器设计提供参考数据。
电路
(二)是实际的上变频器,本实验箱是取出上变频后的下边带(即差频),它是微波发信机的核心部分。
其输出信号通常经微波功放加到天馈系统从天线发送出去。
对它进行测试是很有意义的。
2.从实测的频谱特性曲线图中,分析计算出实验内容中所列的那些项目的测量结果。
3.为什么要仔细调节压控振荡器频,使之为2.4GHZ,上下边频为2.4GHZ±70MHZ。
实验五滤波器
一、实验目的
1.掌握滤波器测量方法;
2.测试滤波器特性,为以后实验打下基础。
二、实验内容
1.滤波器频率响应特性观察;
2.滤波器通带最高、最低频率测量;
3.滤波器通带平坦度及最大衰减测量;
4.滤波器阻带最小衰减测量;
5.寄生通带观察及测量。
三、相关部件和仪表连接及说明
微波滤波器是微波工程中重要的部件之一,理想的滤波器应该是这样一种二口网络,在所要求的频率范围内,能使微波信号无衰减地传输,此频带范围称为通带,在其余的频率范围内使微波信号完全不能传输,这其余的频率范围称为阻带。
一个实际的滤波器只能尽可能地接近理想滤波器的特性。
实际滤波器的通带与阻带频率是逐渐过渡的,因此需定义通带截止频率和阻带边界频率。
通带截止频率可定义为半功率点频率。
阻带边界频率可定义为功率衰减80%的频率点。
(也可定义其它衰减值,如90%等等。
)
通带最大衰减与阻带最小衰减定义明确,这儿就不多述了。
寄生通带是由于微波滤波器是由微波传输线、分布参数元件构成,所以当频率变化时,这些分布参数元件的数值,甚至电抗性质都将发生变化,使得本应是阻带的频段出现了通带,称为寄生通带。
微波滤波器的寄生通带应尽可能远离滤波器通带。
微波滤波器多采用腔体或微带电路制作,本实验箱微波滤波器为腔体滤波器,滤波器模块上的螺杆不能随便旋动,否则会影响滤波特性。
由于本实验箱采用了一体化镀金钢性接头,扫频振荡器只能经上变频器才加到滤波器,因此测试电路如下图:
做滤波器实验时,应按下中频信号源电源和压控振荡器电源开关,绿色指示灯亮,压控/扫频开关置于扫频位。
扫频信号经上变频器会漏到滤波器的输入端,以此作为滤波器输入的测试信号。
频谱仪输入接到电调衰减器输入测量接头上(该接头与滤波器输出是同一点),因此便能观察滤波器频率响应。
为了学生能够观察腔体滤波器内部结构,在RZ9904腔体滤波器的上面板上开了槽。
由于开槽破坏了腔体的几何结构,因此滤波器特性随之改变。
为准确测量腔体滤波器特性,则需在开槽处加金属屏蔽盖板,并且盖板一定要压紧,否则滤波器特性仍会发生改变。
腔体滤波器特性,在盖板压紧后是通过改变两侧螺杆的位置进行调整,出厂前螺杆位置已调整好,因此不能随便调节。
如测得滤波器特性不够理想,通常是屏蔽盖板没有压紧,一般可通过微调屏蔽盖板位置或用手压紧盖板,滤波器特性便可得到改善。
少数机器,因运输等原因可能两册的螺杆回松动,它将严重影响滤波器特性。
遇此情况,应请有经验的技术人员调节螺杆的位置。
若随意调节,不但不能改善滤波特性,甚至因为各螺杆位置调乱,很难恢复原有的滤波特性。
腔体滤波器特性是由腔体几何尺寸、螺杆的几何位置等因素决定。
因此,当把金属物体如小起子等伸到腔体内,但不要触碰到腔体壁,即可改变滤波器特性,随着小起子的伸入的位置和深浅程度的不同,滤波器特性时好时时坏,甚至当手触摸滤波器开槽的上方,或手在开槽上方晃动也会影响对滤波特性。
若小起子触碰到腔体壁,可能会出现短路,使输出信号全无。
通过上述这些实验,我们能更好地理解腔体滤波器的由此可以看出,屏蔽对微波测量是多么重要。
四、实测参考结果(压紧屏蔽盖板)
测出下表中各项参数
下载止频率
上载止频率
通带最大衰减(db)
阻带最小衰减(db)
通带△f(GMHZ)
寄生通带
△f(MHZ)
2.290
2.350
2dbm
测不出
0.06
测不出
滤波器频率响应特性(照片)
五、实验注意事项
1.测量腔体滤波器特性时,必须去掉有机玻璃盖板,并加屏蔽盖板。
2.腔体滤波器的螺杆请勿旋转,否则影响频率响应;
3.做滤波器实验是必须要把70MHZ中频信号源电源接通,否则测量滤波器特性有偏差。
4.本实验实际是利用上变频器的信号作为滤波器输入的扫频信号源,因此输入信号幅度较小,故频谱仪输入的衰减器应去掉,以便提高频谱仪的灵敏度。
六、实验思考题
1.为什么做滤波器实验时必须接下中频信号源电源?
2.利用扫频压控振荡器经上变频器后的信号作滤波器特性测试的信号源有何优缺点
3.如何计算通带、阻带衰减?
(提示:
滤波器的输入信号,可在“上变频器输出测量”的50Ω同轴接头上测量。
)
实验六电调衰减器
一、实验目的
1.了解电调衰减器工作原理;
2.掌握电调衰减器测量方法为以后实验作准备。
二、实验内容
1.测量电调衰减器电压—衰减特性;
2.测量电调衰减器最大与最小衰减。
三、相关部件和仪表连接
电调衰减器是用来调节传输系统功率电平的微波组件,并且它的衰减大小可用电压来控制,测量电路如下所示:
测试时请接通压控振荡器、70MHZ中频信号源、和电调衰减器电源。
三个绿色电源指示灯亮,压控/扫频开关置于压控位,并微调频率调节旋钮,使上变频器输出信号频率落在微波滤波器通带内。
将频谱仪输入先接在“电调衰减器输入测量”。
应能测量到该信号频谱。
此后在实验过程中频率调节旋钮不应再转动。
将频谱仪输入接在“电调衰减器输出测量”,并顺时针旋转“电调衰减调节”旋钮到最大,并将电压表+接在”电调电压测量“孔上,电表“—”接在模块外壳(如任一镀金连接接头)电表指示约为12V,记录下此时“电调衰减器输出测量”处的输出信号功率,并以此电平作为计算电调衰减的参考电平。
逆时针慢慢转动电调衰减调节,每隔1伏测量一次“电调衰减器输出测量”处的输出信号功率,并计算出相对的衰减数值,填入下面的表格中。
四、实测参考结果
根据实验测得的“电调衰减器输出测量”处输出幅度,计算出电调衰减器在各电压下的衰减,并填入下表(仅供参考):
电压(V)
0
0.5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
衰减(db)
30
30
18
14
12
11
10
9
8
7
6
6
6
6
根据列表,电调衰减器最大衰减约为24db.
五、实验注意事项:
1.由于RZ9904采用一体化镀金钢性电缆接头连接,模块间不能随意拆卸,因此,电调衰减器的输入信号只能由压控振荡器和中频信号源经上变频后提供,由于压控振荡器频率可调范围较宽,因此上变频后的信号可能落在微波带通滤波器通带之外,因此要微调压控频率调节旋钮,使上变频信号落在滤波器带内。
2.与上述实验相似,“电调衰减器输入或输出测量”处的电平,并不是电调衰减器实际的输入输出电平,它们之间存在一固定的耦合衰减,但这不会影响对电调衰减器衰减的计算。
六、实验思考题
1.70MHZ中频信号源不加电,利用上变频器的载漏能否进行电调衰减器的衰减测试?
2.如何计算电调衰减器的衰减?
3.改变电调衰减器电调衰减调节,观察“电调衰减器输入测量”处的电平与频率有无变化,并作解释。
实验七低噪声放大器
一、实验目的
1.了解低噪声放大器测量方法;
2.测量低噪声放大器性能,为以后实验作准备。
二、实验内容
1.测量放大器增益
2.观察放大器频谱特性
3.定性观察频率响应平坦度
4.测量增益线性(增益增量)
5.测量噪声系数(选做)
三、相关部件和仪表连接
做低噪声放大器实验时,应将上框图中各相关部件均调整好。
按下中频信号源、压控振荡器、电调衰减器、低噪声放大器等电源,相应指示灯亮。
压控/扫频开关置于压控位,电调衰减调节通常置于衰减较大的位置(逆时针旋转,衰减增加),频谱仪接在“下变频器输入测量”接头上,仔细调整压控频率调节旋钮使低噪声放大器输出信号频率为2.33GHZ。
用频谱仪测量下变频器输入测量和电调衰减器输出测量的信号电平。
改变电调衰减器的衰减,测量低噪声放大器的增益线性。
改变压控振荡器频率在上述两测量点测量信号电平及频率,并计算分析低噪声放大器的频谱特性。
四、实验结果及实验方法
放大器增益20db
噪声系数测量比较困难,因为它取决于测量仪表的精度(仪表的噪声性能)普通仪一般很难准确测量,因此噪声系数通常不列为测量指标。
五、实测频谱特性(附照片)
六、实验思考
1.本放大器增益实际是大于18db,为什么测量时只有12db,试分析原因?
(提示,是否考虑测量点衰减)
2.增益线性是放大器重要指标,即输入信号增大,输出信号相应增大,但放大器不是理想的线性部件,它受电源电压、晶体管特性等影响,在幅度较小时一般为线性放大,幅度增大到一定程度,则变为非线性。
因此增益线性的要求,限制了放大器不能工作在较大幅度的状态,这
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