微波频率测量.docx

《微波频率测量.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波频率测量.docx（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、微波频率测量摘要：频率是微波仪器的重要参数,频率测量是检测微波仪器是否正常运行的有效 手段，而提高频率测量精度是微波频率测量牢靠性的保证。本文概述了微波频率测量的基 本原理，列举了目前常用的频率测量方法，并给出了每种方法的基本原理，最终给出了光 频测量的基本概念。关键词：频率测量，测量方法，光频测量1引言现代科学技术的进展是建立在精密测量基础上的，目前人们所涉及到的物理量和物理 常数中，频率和时间是最精密、最精确 的计量单位，其他很多测量可以转化为频率 和时间的测量。频率时间测量在测量和计量领域中有着重要的作用，它的精确 与拒 绝定着其它很多物理量及基本物理常数的精度及定义。计量精度的提高，不

2、仅为人们更精 确的熟悉和发觉物质世界供应了机会，而且也是一个我国战略竞争力的重要标志之一。目 前以微波频率标准为核心的原子钟除了作为全世界时间频率的基准外，同时也在全球定位 系统、信息高速大路等方面起着关键的作用，在信息科技日益发达的今日，高精度频率测 量的争论是关系经济进展、科技创新和我国平安的重要内容。本文在介绍微波频率测量基 本原理的基础上，分析了常用的微波频率测量方法。2基本频率测量方法测量频率的方法无非是设法将被测频率直接或间接地与标准频率进行比较。依据具体 进行比较的方式不同，频率测量可分为很多种不同的方法。频率测量所能达到的精度，主 要取决于作为标准器使用的频率源的精度以及所使用

3、的测量设施和测量方法。依据测量装 置中是否包含有作为标准频率的振荡源，可以分为有源法和无源法两大类。有源法是将未 知频率fx的信号与仪器内部产生的或外加的频率fs为已知的信号直接比较频率。比较的方 法最常用的有外差法和计数法两种。外差法就是将外来未知信号fx与本机的外差振荡器及精确已知频率fs 一同加于混频器，在混频器输出端取得差频。通常依据已知频率fs的状况可将外差法分为“零差法、 恒差法和测差法三种类型。计数法是指以计数式频率计为代表的计数测频法，实质上仍是将未知频率fx与标准频 率fs相比较。当今全部的微波计数式频率计是靠预分频技术和更多的是采纳各种向下变频 技术，将被测微波频率变成数百

4、兆赫以下的频率，再由直接计数器测量之，并能设法直接 显示出被测微波频率值。依据不同的变频原理，可将微波技术频率计分为预分频式、外差 变频式、频率转换式和谐波外差式等。无源法主要是以众所周知的谐振式波长计为代表。它是将被测信号频率与一个可调谐 的无源回路的自然频率相比较，并以谐振的消失作为频率相等的指示。在微博范围内，谐 振波长计大都采纳同轴式或波导式谐振腔。这种波长计由于结构简洁，价格低廉，使用便 利等，使得其在日常粗测中获得了广泛的使用。3微波频率计数器的基本原理由于受到器件最高运行速度的限制，直接采用计数器测量频率，其测量范围有限。为 了扩大微波计数器测量频率的范围，很多采样技术得到了应用

5、。目前，在测试仪器设计中 广泛应用的采样方法有以下几种：预定标法、外差下倍频法、置换振荡法和外差谐波下倍频法。3.1 预定标法预定标法是采用分频器来扩展微波计数器频率测量的范围，若使用N分频的计数器， 则计数器可以测量的频率范围可以扩展至N倍。该法的主要优点是微波计数器结构简洁， 成本低；主要缺点是微波计数器辨别率低，可测量的最高频率有限。3.2 外差下倍频法采用混频法将输入信号与高稳定标准时钟混频，混频器差频输出频率达到一般频率计 可以测量的频率范围。图3-1为外差下倍频法计数器的方框图。图3-1外差下倍频法计数器的方框图电子计数器送出高精度的标准频率工，在谐波发生器中产生它的各次谐波。被测

6、信号工 输入时，谐波滤波器由低到高选出标准时钟信号的谐波重量V%被选出的第N次谐波使 差频力=一,处在计数器的计数频率范围内时，计数器开头计数得到差频值，则输入的微波信号人的频率为:Q)置换振荡法被测频率人与压控扫描振荡器频率力的谐波以进行混频,其差频信号输出频率为 力=力一%。当力落在差频放大器的通频带内时，鉴相器的输出电压掌握压控振荡器,使 它停止扫频，并由锁相环路保证与,锁定。当锁相环锁定时，被测信号频率：4 =收+工 （2）由于置换振荡法应用了锁相电路，其环路增益和整机智敏度很高，但闸门时间需扩展 N倍，因而在同样测量时间状况下其辨别率比外差下倍频法低，图3-2为置换振荡法原理 图。图

7、3-2置换振荡法原理图3.4 外差谐波下倍频法外差谐波下倍频法是置换振荡法和外差下倍频法相结合的一种频率测量方法，即应用 置换振荡法捕获微波输入频率，然后采用外差下倍频法进行频率测量，输入被测频率经 谐波混频器与混频，得到差频为 ；用其次取样环确定谐波数N ,则微波信号人的频率:fx=Nfs+ %(3)图3-3外差谐波下倍频法原理图3.5 提高微波频率计数器测量精度的方法由微波频率计数器基本原理可知，微波频率测量的最终实现都要通过测频法和测周期 法来完成。由于标准时钟信号与被测信号不相关，在硬件上无法掌握两路信号同步，因此 在实际测量中总存在计数值为1的计数误差。为减小误差，提高测量精度，以下

8、几种 方法在实际的频率计数器设计中得到广泛应用：多周期同步测频法、模拟内插法、游标内 插法和平均法。3.5.1 多周期同步测频法测频的量化误差是由闸门与被测信号不同步引起的，为减小量化误差，必需使闸门时 间等于被测信号整周期数。图3-4为多周期同步测频法原理图。其设计原理是采纳预置闸 门,用力对预置闸门同步，在同步闸门时间内对力计数得到被测信号整周期数乂。为确定 同步闸门时间，用另一计数器对标准频率/。计数得到M ,闸门开启时间为N。/人,测量得 到的频率为工=乂4/乂。由于闸门的开启与被测信号完全同步，所以M无1误差， M有1误差，但一般M较大，1/乂较小。此方法可以采用微处理器掌握闸门来

9、实现不同闸门时间内频率的等精度测量，此方法在被测信号频率低于标准时基最高频率时 可以很好的减小误差，但是当被测信号频率高于标准时基最高频率时，此方法失效。图3-4多周期同步测频法原理图4光频测量新方法的概述传统的时间频率基准采纳的是微波量子基准，如秒的定义就是依据僚原子能级的跃迁 频率而定义的。但是，近年来越来越多的争论成果表明，光频标具有更高的频率精确 度和稳定度。其潜在的频率精确 度为1X1。，而稳定度为以1-6/尸:这些指标比微 波量子原子频标的精度高了三个数量级。由于对光频标的争论对人类具有特别重要的意义, 美国、德国等我国在光频标的争论方面已经投入了大量的人力和物力，也有了 20多年

10、的 争论积累。光频标的争论进展上的困难主要是由于它较之微波频标在频率值方面要高5个 数量级，因此造成了测量和采用方面的极大困难。近年来在光频标技术方面的突破性的进 步主要表现在：特别稳定的激光源和新的、能对光学频率进行测量的实际方法。在稳定的光源方面，代表性的有：使用了激光冷却的Ca原子的657的标准和使用了 单个被囚禁并用激光冷却的Hg+离子的282nm的标准。在光频测量的方法上,最初采纳 光源链混频的方案，结构特别简单，测量系统的造价很高；近几年，飞秒锁模的光梳为在 不同光频标之间或微波及射频与光频之间相互比对供应了一个很便利的工具，使得光频标 的争论和光频测量获得了突破性的进展。能否找到

11、一个新的方法测量光频成为今后测量领 域的进展方向。目前取得的基于光学技术的微波频率测量大致可以分为三类：一是时间参数，通过测 量微波调制光载波的两个边带在经过一段色散介质后产生的时延差的大小来获得频率值； 其次种方法是基于空间参数，采用光载波通过一些特别的光学通道时，经过的通道不同来 测量微波频率大小；第三类方法基于频率和功率的对应关系，是目前光子学频率测量技术 的主要争论方向。这类方法通常引入一个幅度比较函数(Amplitude comparison function , ACF),通过对由色散引起的微波功率衰减后的比值函数的分析得到微波信号频 率值。5结论本文争论了微波频率测量的基本方法，

12、具体说明白微波频率计数器的工作原理及改进 技术方案，提高了频率测量的精度，保证了测试数据的有效性。光学频标准被认为是更高 频率精度的新型频率标准，随着科技的进步必将进一步得到重视和争论，从而推动频率测 量技术的新进展。参考文献1张九才，杨显志,王文祥，孙嘉鸿.提高微波频率测量精度的方法几中国测试技7,2006,32(2).2吴彭生，韩秀友,谷一英，胡墅，李善锋，赵明山.基于可调光延迟线的光子学微波频率 测量几发光学报,2022,32(9).3袁杰，伊林，陈文兰,齐向辉，汪中，沈乃澈，陈徐宗.采用锁相飞秒激光对碘分子 R(59)8-4超精细跃迁的肯定频率测量几量子电子学报,2022,25(1).4张慧君.高精度时间频率信号测量与分析平台的设计D.北京:中国科学院我国授 时中心,2003.5于建国.优于皮秒(Ps)量级的频标比对技术和高精度频率测量方法的争论D.西 安:西北工业高校,2003.6王海.精密时频侧量和掌握技术争论D.西安:西安电子科技高校,2007.7唐世贤.微波测量M.北京:国防工业出版社,1991.