微波和微波旗子暗记的分析方法介绍

对付历史感兴趣的读者，在电磁波的背景下第一次引用“微波”一词我们可以追溯到到1931年。

国际电话和电报公司揭橥的一篇论文描述了利用波长为0.18m的电磁波辐射从美国多佛到法国加莱的无线电联系。
辐射称为微波，无线电系统称为微射线。
在1933年的一份出版物中，微波一词指的是波长约0.5米，并以微波一词涌现，就像它的当代形式一样。
在1935年，微波被称为波长小于10米的辐射，1940年的业余无线电手册提到微波的波长低于1米。
仔细不雅观察微波所用的“微（Micro）”一词，并将其与物理波长联系起来，我们意识到这不是一个得当的选择，由于实际波长在1米到1毫米之间，并不算小。
然而，它们在我们在通信、无线传感和电子领域目睹的技能发展中的主要性是无可争议的，我们该当体谅这一小小的误解。
有很多更详细的出版物在讲解微波的历史，他们的电磁旅程，和主要的里程碑。
在这里关注微波技能的历史并不是我们的兴趣；我们甘心给出一个韶光戳，并强调微波在我们日常生活中的主要性。
微波曾经是雷达和卫星通信等军事运用的紧张兴趣所在。
如今，作为主流文化一部分的无线通信的紧张方面是基于微波理论和技能的。
此外，基于微波的传感运用已达到如此技能成熟，以至于它们对汽车雷达等大批量大众市场具有吸引力。
乃至安全干系的运用，如无创微波和毫米波成像办理方案运用相称普遍. 换句话说，微波在日常生活中环绕着我们，并对我们的当代生活办法做出了巨大贡献。

图1 、电磁频谱

检测、丈量和显示不同频率的互换旗子暗记的观点从早期起便是微波传输丈量的核心。
在这种情形下利用的一个基本事理是丈量某一参数的未知量（例如互换旗子暗记功率），并将其与当时作为标准的已知参数进行比较。
丈量是通过将未知值与先前由已知标准确定的已知值进行比较来进行的。
这是对传输系统丈量的哀求， 因此，从早期的仪器开始，我们就碰着了作为丈量仪器核心组成部分的术语如旗子暗记源、检测器和指示器等。

I.1 互换旗子暗记剖析的根本

我们将在器件表征的背景下处理微波频率范围内的互换旗子暗记。
为此，我们须要先容一些与互换旗子暗记剖析干系的基本术语，并理解它们对我们进一步谈论的主要性。
从我们的教科书中，我们知道频率f的一样平常周期互换旗子暗记有一种时变行为，表示为：

上式中V0是互换电压旗子暗记的幅值，=2f=2/T是与旗子暗记周期T有关的角频率。
这个互换电压旗子暗记施加在一定电阻的负载R上，这许可我们打算干系的射频功率P = V2 /R。

在微波设计中，对互换旗子暗记的功率水平的核阅是非常常见的，缘故原由是微波旗子暗记的传播常日是由传输线和我们须要考虑波形旗子暗记，如图2所示。
具有某种内部阻抗Rs的旗子暗记源用于在特性阻抗Z的传输线的端子上引发电压波形V0 ，传输线的负载阻抗为RL 。
在低频下，电压和电流丈量是大略的，并遵照欧姆定律P = VI = V^ 2/RL = I ^2/RL。
然而，随着频率的增加，丈量变得困难，由于电流和电压取决于沿旗子暗记线的位置。
阻抗失落配和反射可能由于入射旗子暗记Vinc和反射波Vref的叠加而引起驻波 。
然而，沿传输线路的功率保持不变，因此在微波频率下首选的是丈量旗子暗记的功率就不难明得了。

图2(a)互换旗子暗记传播，(b)互换旗子暗记波形。
互换旗子暗记沿传输线传播

对付互换旗子暗记剖析和微波丈量，我们常日利用电压或功率比进行比较。
这方面最常见的单位之一因此分贝(dB)表示的旗子暗记比率单位：

上面的方程是考虑相同的负载阻抗R时的情形。
除了表示相对旗子暗记比外，我们还可以利用与已知功率电平干系的绝对功率电平单位(例如，对付1mW的参考功率，我们得到dB m功率单位)。
作为一个大略的例子，考虑1W的功率电平，它即是10log(1W/1m W)=30dBm。
考虑分贝比（dB）为单位的缘故原由大略地说，对付互换旗子暗记剖析，我们常日须要在大旗子暗记存不才分辨出小旗子暗记，并在同一图形中同时显示它们。
对数标度将压缩大旗子暗记幅度并扩展小旗子暗记幅度，许可同时显示所有旗子暗记，如图3所示。

图3. 互换旗子暗记的线性和对数度量

在这个例子中，我们考虑了功率电平分别为P1=2W和P2=10mW的两个互换旗子暗记，并在线性和对数尺度上显示它们。
可以很随意马虎地看到，在线性标度中，功率电平P2险些看不见，而对付对数标度中相同的旗子暗记比，我们可以很随意马虎地读取这两个互换旗子暗记的功率电平。

对数标度是RF域中用于频谱剖析仪和网络剖析仪的默认表示，我们将在所有的干系文章中采取它。

当涉及到微波工程中的互换旗子暗记剖析时，更熟习的读者将清楚地认识到两种剖析方法，即时域剖析法和频域剖析法。
在此背景下，引入旗子暗记频谱用于频域剖析的术语和用于时域剖析的时变旗子暗记。
旗子暗记频谱定义为功率与频率的关系，它是考虑频域剖析时的基本表示。
用于捕获频谱的丈量设备称为频谱剖析仪。
然而，时域剖析是通过示波器进行的，个中电压旗子暗记在一定韶光内显示。
时域和频域通过称为傅里叶变换(F T)及其逆(IF T)的数学变换相互关联的。
傅里叶剖析也称为谐波剖析，由于它利用正弦和余弦三角函数作为基函数。
具有周期T和角频率=2/T的任何周期函数f(t)都可以扩展表示为一系列的三角函数：

傅里叶剖析许可用加权正弦和余弦函数展开f(t)。
振幅或傅里叶系数A k 和B k 以这样的办法确定无限级数与初始函数f(t)相同。
FT和IFT是周期互换旗子暗记的时域f(t)和频域F（）表示之间的联系：

对付有效的打算、数值解和数字旗子暗记处理，我们现在利用快速傅里叶变换(FFT)及其离散形式(D FT)，它已经被集成在当代微波丈量设备中了。
让我们考虑一个大略的连续波频率为f=0.5GHz，周期T=1/f=2ns的正弦旗子暗记，如图4中的时域和频域所示。
直不雅观地说，正如我们预期的那样，纯洁弦波旗子暗记在相应的频率上有一个单一的频谱分量，这在这个大略的例子中是很随意马虎看到。

图4. 正弦波旗子暗记的时域和频域表示

问题是，当互换旗子暗记更繁芜，无法直不雅观地检讨时，会发生什么，如图5所示。
有履历的读者可以识别或疑惑叠加在原始正弦旗子暗记上的谐波的存在，但当只看时域旗子暗记时，定性剖析险些是不可能的。
在这种情形下，不雅观察旗子暗记的功率频谱清楚地揭示了在1GHz和1.5GHz分别存在加权谐波。

图5. 互换旗子暗记的时域和频域表示

显然，只有当时域和频域旗子暗记组合起来才能供应实行全面互换剖析所需的所有数据。
当诸如调制等其他影响发挥浸染时，这一点就变得更加深刻。
因此，微波工程师该当在两种旗子暗记天下都感到舒适，由于时域和频域在某种程度上是互助的兄弟姐妹，以实现强大的互换旗子暗记剖析。
在当代丈量设备中履行这种剖析方法不是一种妥协，而是实行互换旗子暗记丈量的关键匆匆成成分。
在接下来的文章中，我们将重点谈论频域设备表征的丈量技能，并利用线性网络理论在传输系统中利用网络剖析仪进行丈量。

I.2 旗子暗记的频率域剖析

实现微波频率范围频谱剖析仪的传统方法是图6所示的扫频中频吸收机构造。
类似于无线电吸收机，频谱剖析仪自动调谐在感兴趣的波段。
频谱剖析仪(SA)基本上是一种扫描窄带超外差吸收机。
射频输入旗子暗记通报给衰减器，用于适当调度输入功率电平，防止混频器过度驱动而过载。
在混频器之前引入一个低通滤波步骤，以从输入旗子暗记中割断镜像频率。
混频器输入处的射频旗子暗记通过可变确当地振荡器(LO)频率向下转换为中频(I F)。
扫描发生器为LO产生所需的频率斜坡，并驱动剖析器显示屏上的水平频率轴。

图6、简化的频谱剖析仪的体系构造

下转换旗子暗记的电平由IF放大器调度，并由可变I F带通滤波器滤波，该滤波器决定频谱剖析仪的分辨率带宽(RBW)。
一个对数放大器跟随，在功率检测器处捕获射频旗子暗记的包络。
检测器输出通过低通滤波器勾引，也称为视频滤波器，它在显示旗子暗记之前平滑旗子暗记。
从到目前为止关于频域剖析的谈论中，我们理解到，通过利用频谱剖析仪，我们可以量化旗子暗记功率是如何在频率上分布的，但我们缺少关于旗子暗记相位的信息。
稍后，当我们引入网络剖析仪丈量时，我们将谈论一种可供选择的不同于频域的剖析方法，该剖析可以产生幅度和相位信息。

I.3 时域剖析

正如前面章节所谈论的，时域剖析是频域剖析的兄弟，对理解互换旗子暗记关系有很大的贡献。
捕获时变旗子暗记的最全面的方法是利用示波器，如图7所示。
在微波时域剖析的早期，示波器是利用阴极射线管和仿照电路捕获时域旗子暗记的仿照仪器。
随着数字电路技能的发展，模数转换(A/D)和数字旗子暗记处理占主导地位。
然而，如何捕获时变旗子暗记并在显示器上剖析它们的基本原则本日仍旧有效。
我们将在这里简要先容仿照示波器的事情事理，以便对时域剖析观点供应第一印象。

图7、简化的示波器构造

示波器输入的旗子暗记引发输入放大器，直接驱动射线管的阴极，并在荧光屏上引起垂直位移。
输入旗子暗记的一部分也被馈送到触发电路，触发电路是比较器，每次比较器检测到触发事宜时产生电压爬坡。

电压坡道用于驱动卖力水平清扫的射线管的阴极。
扫描后，斜坡天生器返回其初始状态并等待下一个触发事宜。
水平扫描以恒定的速率进行，并转化为韶光变量，而垂直位移表示瞬时旗子暗记振幅。

I.4 总结

综上所述，时至今日，我们仍可以保留微波的基本定义及其在上个世纪见证的技能进化中的运用。
微波技能战胜了作为军事运用的一种分外技能的最初的严格障碍，并在我们本日所知道的电信和电子的发展中作出了巨大贡献。
我们先容了旗子暗记剖析的两个基本领域，即频域和时域剖析，它们是互补的，可以被认为是旗子暗记剖析理论的两个兄弟姐妹。
理解互换旗子暗记剖析的一些基本事理，使我们能够开始一段更全面的微波旅程，称为射频和微波器件表征，特殊是晶片器件表征。
在即将到来的文章中，我们将重点谈论利用网络剖析仪作为小旗子暗记丈量的紧张仪器的频域丈量方法。