由于微波在現(xiàn)代技術(shù)和日常生活中的巨大影響，使用微波測(cè)量或工程術(shù)語在今天是相當(dāng)普遍的，因此 值得花一點(diǎn)時(shí)間來定義微波技術(shù)及其在當(dāng)今社會(huì)中的作用。 讓我們從簡(jiǎn)單的科學(xué)定義開始，微波作為交流信號(hào)，頻率在300MHz-300G Hz范圍內(nèi)，這對(duì)應(yīng)于大約1米-1毫米的自由空間波長(zhǎng)。如圖1所示的電磁頻譜的圖形表示和對(duì)應(yīng)于微波頻率的部分， 也許能幫助我們想象這個(gè)概念。

對(duì)于歷史感興趣的讀者，在電磁波的背景下第一次引用“微波”一詞我們可以追溯到到1931年。 國(guó)際電話和電報(bào)公司發(fā)表的一篇論文描述了利用波長(zhǎng)為0.18m的電磁波輻射從美國(guó)多佛到法國(guó)加萊的無線電聯(lián)系。 輻射稱為微波，無線電系統(tǒng)稱為微射線。在1933年的一份出版物中，微波一詞指的是波長(zhǎng)約0.5米，并以微波一詞出現(xiàn)，就像它的現(xiàn)代形式一樣。 在1935年，微波被稱為波長(zhǎng)小于10米的輻射，1940年的業(yè)余無線電手冊(cè)提到微波的波長(zhǎng)低于1米。 仔細(xì)觀察微波所用的“微(Micro)”一詞，并將其與物理波長(zhǎng)聯(lián)系起來，我們意識(shí)到這不是一個(gè)合適的選擇，因?yàn)閷?shí)際波長(zhǎng)在1米到1毫米之間，并不算小。 然而，它們?cè)谖覀冊(cè)谕ㄐ拧o線傳感和電子領(lǐng)域目睹的技術(shù)發(fā)展中的重要性是無可爭(zhēng)議的，我們應(yīng)該原諒這一小小的誤解。 有很多更詳細(xì)的出版物在講解微波的歷史，他們的電磁旅程，和重要的里程碑。 在這里關(guān)注微波技術(shù)的歷史并不是我們的興趣；我們寧愿給出一個(gè)時(shí)間戳，并強(qiáng)調(diào)微波在我們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾浴?微波曾經(jīng)是雷達(dá)和衛(wèi)星通信等軍事應(yīng)用的主要興趣所在。 如今，作為主流文化一部分的無線通信的主要方面是基于微波理論和技術(shù)的。 此外，基于微波的傳感應(yīng)用已達(dá)到如此技術(shù)成熟，以至于它們對(duì)汽車?yán)走_(dá)等大批量大眾市場(chǎng)具有吸引力。 甚至安全相關(guān)的應(yīng)用，如無創(chuàng)微波和毫米波成像解決方案應(yīng)用相當(dāng)普遍. 換句話說，微波在日常生活中圍繞著我們，并對(duì)我們的現(xiàn)代生活方式做出了巨大貢獻(xiàn)。

圖1 、電磁頻譜

檢測(cè)、測(cè)量和顯示不同頻率的交流信號(hào)的概念從早期起就是微波傳輸測(cè)量的核心。 在這種情況下使用的一個(gè)基本原理是測(cè)量某一參數(shù)的未知量(例如交流信號(hào)功率)，并將其與當(dāng)時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)的已知參數(shù)進(jìn)行比較。 測(cè)量是通過將未知值與先前由已知標(biāo)準(zhǔn)確定的已知值進(jìn)行比較來進(jìn)行的。 這是對(duì)傳輸系統(tǒng)測(cè)量的要求， 因此，從早期的儀器開始，我們就遇到了作為測(cè)量?jī)x器核心組成部分的術(shù)語如信號(hào)源、檢測(cè)器和指示器等。

I.1 交流信號(hào)分析的基礎(chǔ)

我們將在器件表征的背景下處理微波頻率范圍內(nèi)的交流信號(hào)。 為此，我們需要介紹一些與交流信號(hào)分析相關(guān)的基本術(shù)語，并了解它們對(duì)我們進(jìn)一步討論的重要性。 從我們的教科書中，我們知道頻率f的一般周期交流信號(hào)有一種時(shí)變行為，表示為：

上式中V0是交流電壓信號(hào)的幅值，ω=2πf=2π/T是與信號(hào)周期T有關(guān)的角頻率。 這個(gè)交流電壓信號(hào)施加在一定電阻的負(fù)載R上，這允許我們計(jì)算相關(guān)的射頻功率P = V2 /R。

在微波設(shè)計(jì)中，對(duì)交流信號(hào)的功率水平的審視是非常常見的，原因是微波信號(hào)的傳播通常是由傳輸線和我們需要考慮波形信號(hào)，如圖2所示。 具有某種內(nèi)部阻抗Rs的信號(hào)源用于在特性阻抗Z的傳輸線的端子上激發(fā)電壓波形V0 ，傳輸線的負(fù)載阻抗為RL 。 在低頻下，電壓和電流測(cè)量是簡(jiǎn)單的，并遵循歐姆定律P = V*I = V^ 2/RL = I ^2/RL。 然而，隨著頻率的增加，測(cè)量變得困難，因?yàn)殡娏骱碗妷喝Q于沿信號(hào)線的位置。 阻抗失配和反射可能由于入射信號(hào)Vinc和反射波Vref的疊加而引起駐波 。 然而，沿傳輸線路的功率保持不變，因此在微波頻率下首選的是測(cè)量信號(hào)的功率就不難理解了。

圖2(a)交流信號(hào)傳播，(b)交流信號(hào)波形。 交流信號(hào)沿傳輸線傳播

對(duì)于交流信號(hào)分析和微波測(cè)量，我們通常使用電壓或功率比進(jìn)行比較。 這方面最常見的單位之一是以分貝(dB)表示的信號(hào)比率單位：

上面的方程是考慮相同的負(fù)載阻抗R時(shí)的情況。 除了表示相對(duì)信號(hào)比外，我們還可以使用與已知功率電平相關(guān)的絕對(duì)功率電平單位(例如，對(duì)于1mW的參考功率，我們得到dB m功率單位)。 作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，考慮1W的功率電平，它等于10log(1W/1m W)=30dBm。 考慮分貝比(dB)為單位的原因簡(jiǎn)單地說，對(duì)于交流信號(hào)分析，我們通常需要在大信號(hào)存在下分辨出小信號(hào)，并在同一圖形中同時(shí)顯示它們。 對(duì)數(shù)標(biāo)度將壓縮大信號(hào)幅度并擴(kuò)展小信號(hào)幅度，允許同時(shí)顯示所有信號(hào)，如圖3所示。

圖3. 交流信號(hào)的線性和對(duì)數(shù)度量

在這個(gè)例子中，我們考慮了功率電平分別為P1=2W和P2=10mW的兩個(gè)交流信號(hào)，并在線性和對(duì)數(shù)尺度上顯示它們。 可以很容易地看到，在線性標(biāo)度中，功率電平P2幾乎看不見，而對(duì)于對(duì)數(shù)標(biāo)度中相同的信號(hào)比，我們可以很容易地讀取這兩個(gè)交流信號(hào)的功率電平。

對(duì)數(shù)標(biāo)度是RF域中用于頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀的默認(rèn)表示，我們將在所有的相關(guān)文章中采用它。

當(dāng)涉及到微波工程中的交流信號(hào)分析時(shí)，更熟悉的讀者將清楚地認(rèn)識(shí)到兩種分析方法，即時(shí)域分析法和頻域分析法。 在此背景下，引入信號(hào)頻譜用于頻域分析的術(shù)語和用于時(shí)域分析的時(shí)變信號(hào)。 信號(hào)頻譜定義為功率與頻率的關(guān)系，它是考慮頻域分析時(shí)的基本表示。 用于捕獲頻譜的測(cè)量設(shè)備稱為頻譜分析儀。 然而，時(shí)域分析是通過示波器進(jìn)行的，其中電壓信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)顯示。 時(shí)域和頻域通過稱為傅里葉變換(F T)及其逆(IF T)的數(shù)學(xué)變換相互關(guān)聯(lián)的。 傅里葉分析也稱為諧波分析，因?yàn)樗褂谜液陀嘞胰呛瘮?shù)作為基函數(shù)。 具有周期T和角頻率ω=2π/T的任何周期函數(shù)f(t)都可以擴(kuò)展表示為一系列的三角函數(shù)：

傅里葉分析允許用加權(quán)正弦和余弦函數(shù)展開f(t)。 振幅或傅里葉系數(shù)A k 和B k 以這樣的方式確定無限級(jí)數(shù)與初始函數(shù)f(t)相同。 FT和IFT是周期交流信號(hào)的時(shí)域f(t)和頻域F(ω)表示之間的聯(lián)系：

對(duì)于有效的計(jì)算、數(shù)值解和數(shù)字信號(hào)處理，我們現(xiàn)在使用快速傅里葉變換(FFT)及其離散形式(D FT)，它已經(jīng)被集成在現(xiàn)代微波測(cè)量設(shè)備中了。 讓我們考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的連續(xù)波頻率為f=0.5GHz，周期T=1/f=2ns的正弦信號(hào)，如圖4中的時(shí)域和頻域所示。 直觀地說，正如我們預(yù)期的那樣，純正弦波信號(hào)在相應(yīng)的頻率上有一個(gè)單一的頻譜分量，這在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中是很容易看到。

圖4. 正弦波信號(hào)的時(shí)域和頻域表示

問題是，當(dāng)交流信號(hào)更復(fù)雜，無法直觀地檢查時(shí)，會(huì)發(fā)生什么，如圖5所示。 有經(jīng)驗(yàn)的讀者可以識(shí)別或懷疑疊加在原始正弦信號(hào)上的諧波的存在，但當(dāng)只看時(shí)域信號(hào)時(shí)，定性分析幾乎是不可能的。 在這種情況下，觀察信號(hào)的功率頻譜清楚地揭示了在1GHz和1.5GHz分別存在加權(quán)諧波。

圖5. 交流信號(hào)的時(shí)域和頻域表示

顯然，只有當(dāng)時(shí)域和頻域信號(hào)組合起來才能提供執(zhí)行全面交流分析所需的所有數(shù)據(jù)。 當(dāng)諸如調(diào)制等其他影響發(fā)揮作用時(shí)，這一點(diǎn)就變得更加深刻。 因此，微波工程師應(yīng)該在兩種信號(hào)世界都感到舒適，因?yàn)闀r(shí)域和頻域在某種程度上是合作的兄弟姐妹，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的交流信號(hào)分析。 在現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備中實(shí)施這種分析方法不是一種妥協(xié)，而是執(zhí)行交流信號(hào)測(cè)量的關(guān)鍵促成因素。 在接下來的文章中，我們將重點(diǎn)討論頻域設(shè)備表征的測(cè)量技術(shù)，并使用線性網(wǎng)絡(luò)理論在傳輸系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。

I.2 信號(hào)的頻率域分析

實(shí)現(xiàn)微波頻率范圍頻譜分析儀的傳統(tǒng)方法是圖6所示的掃頻中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)。 類似于無線電接收機(jī)，頻譜分析儀自動(dòng)調(diào)諧在感興趣的波段。 頻譜分析儀(SA)基本上是一種掃描窄帶超外差接收機(jī)。 射頻輸入信號(hào)傳遞給衰減器，用于適當(dāng)調(diào)整輸入功率電平，防止混頻器過度驅(qū)動(dòng)而過載。 在混頻器之前引入一個(gè)低通濾波步驟，以從輸入信號(hào)中切斷鏡像頻率。 混頻器輸入處的射頻信號(hào)通過可變的本地振蕩器(LO)頻率向下轉(zhuǎn)換為中頻(I F)。 掃描發(fā)生器為L(zhǎng)O產(chǎn)生所需的頻率斜坡，并驅(qū)動(dòng)分析器顯示屏上的水平頻率軸。

圖6、簡(jiǎn)化的頻譜分析儀的體系結(jié)構(gòu)

下轉(zhuǎn)換信號(hào)的電平由IF放大器調(diào)整，并由可變I F帶通濾波器濾波，該濾波器決定頻譜分析儀的分辨率帶寬(RBW)。 一個(gè)對(duì)數(shù)放大器跟隨，在功率檢測(cè)器處捕獲射頻信號(hào)的包絡(luò)。檢測(cè)器輸出通過低通濾波器引導(dǎo)，也稱為視頻濾波器，它在顯示信號(hào)之前平滑信號(hào)。 從到目前為止關(guān)于頻域分析的討論中，我們了解到，通過使用頻譜分析儀，我們可以量化信號(hào)功率是如何在頻率上分布的，但我們?nèi)狈﹃P(guān)于信號(hào)相位的信息。 稍后，當(dāng)我們引入網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量時(shí)，我們將討論一種可供選擇的不同于頻域的分析方法，該分析可以產(chǎn)生幅度和相位信息。

I.3 時(shí)域分析

正如前面章節(jié)所討論的，時(shí)域分析是頻域分析的兄弟，對(duì)理解交流信號(hào)關(guān)系有很大的貢獻(xiàn)。 捕獲時(shí)變信號(hào)的最全面的方法是使用示波器，如圖7所示。 在微波時(shí)域分析的早期，示波器是利用陰極射線管和模擬電路捕獲時(shí)域信號(hào)的模擬儀器。 隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和數(shù)字信號(hào)處理占主導(dǎo)地位。 然而，如何捕獲時(shí)變信號(hào)并在顯示器上分析它們的基本原則今天仍然有效。 我們將在這里簡(jiǎn)要介紹模擬示波器的工作原理，以便對(duì)時(shí)域分析概念提供第一印象。

圖7、簡(jiǎn)化的示波器結(jié)構(gòu)

示波器輸入的信號(hào)激發(fā)輸入放大器，直接驅(qū)動(dòng)射線管的陰極，并在熒光屏上引起垂直位移。 輸入信號(hào)的一部分也被饋送到觸發(fā)電路，觸發(fā)電路是比較器，每次比較器檢測(cè)到觸發(fā)事件時(shí)產(chǎn)生電壓爬坡。

電壓坡道用于驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)水平清掃的射線管的陰極。 掃描后，斜坡生成器返回其初始狀態(tài)并等待下一個(gè)觸發(fā)事件。 水平掃描以恒定的速率進(jìn)行，并轉(zhuǎn)化為時(shí)間變量，而垂直位移表示瞬時(shí)信號(hào)振幅。

I.4 總結(jié)

綜上所述，時(shí)至今日，我們?nèi)钥梢员Ａ粑⒉ǖ幕径x及其在上個(gè)世紀(jì)見證的技術(shù)進(jìn)化中的應(yīng)用。 微波技術(shù)克服了作為軍事應(yīng)用的一種特殊技術(shù)的最初的嚴(yán)格障礙，并在我們今天所知道的電信和電子的發(fā)展中作出了巨大貢獻(xiàn)。 我們介紹了信號(hào)分析的兩個(gè)基本領(lǐng)域，即頻域和時(shí)域分析，它們是互補(bǔ)的，可以被認(rèn)為是信號(hào)分析理論的兩個(gè)兄弟姐妹。 了解交流信號(hào)分析的一些基本原理，使我們能夠開始一段更全面的微波旅程，稱為射頻和微波器件表征，特別是晶片器件表征。 在即將到來的文章中，我們將重點(diǎn)討論使用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為小信號(hào)測(cè)量的主要儀器的頻域測(cè)量方法。

總結(jié)

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