微波测量课件：第三章微波信号频率及波长测量.ppt

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1、微波信号频率及波长测量频率定义频率是周期性信号的主要参量之一，也是微波信号源的两大要素之一。它是微波测量中常常需要搞清楚的一个参量，而且也是最容易被准确测量的一个参量。频率是周期的倒数，即每秒中振荡的周期数频率：f=1/T（Hz）角频率：ω=2π/T=2πf(rad/s)瞬时角频率：ω(t)=dψ/dt瞬时频率：f(t)=dψ/2πdt瞬时相位：时间的定义一级频率标准：铯原子的上述跃迁，即成为时间标准，亦成为频率标准。由于其稳定度高，规定为一级频率标准，成为国家或大地区、大单位的计量基准。二级频率标准：稳定度稍低，如采用高水平的石英晶体振荡器、稳定度更高的铷原子频率标准。

2、以前——平均太阳日的1/86400现在——秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年第13届国际计量大会规定）。秒的定义以前——天文秒现在——原子秒频率的测量实际上是时间间隔的测量，其标准应该是时间“秒”石英晶体振荡器石英晶体具有高度稳定的物理特性话化学特性，作为极高Q值的谐振电路，组成高质量的频率标准。利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。石英晶体压电石英片电极支架基本构成：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电

3、极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体振荡器若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振

4、现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。高性能的晶体，大多数工作于5MHz，采用分频或倍频电路可以得到各种频率输出，然而这样相位噪声将会有所增加。正反馈放大晶体盒C0RqLqCq分布电容分布电容ZinYout石英晶体振荡器一般晶体振荡器的频率稳定度：长期频率稳定度——10-10~10-8/日短期频率稳定度<10-11/S石英晶体振荡器信号纯度：-130dBcoffset100Hz；-140dBcoffset1KHz。使用石英晶体振荡器注意事项：经常通电与上级频标校准只能作为二级频标采用LC振荡回路铷原子频率标准原子频标：有源式：铷脉泽，氢脉泽无源

5、式：Q值高的谐振腔铷原子频标特点：稳定度比晶振高1~2个数量级，体积小，重量轻，价格仅有铯频标的一半；铷泡R中，混有惰性气体，以减少铷原子碰撞，会引起频率f变动，不容易测准；铷原子的跃迁还稍受外磁场的影响；仅能作二级频率标准铯原子频率标准利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到500万年才相差1秒。现在国际上，普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然

6、后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。在真空管远端的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲铯原子频率标准铯133则被普遍地选用作原子钟特点：频率稳定度高，基本不受环境因素影响（外电场、

7、磁场等）；一级原子频标；10-12数量级左右稳定度。对于一级频标，对频率或时间以此为基准，理论上说没有误差，但对于单部铯原子频标之复制性不能绝对无差别，温度，外场的影响不能完全避免，因此一级频标的确定应采用统计方法，即用许多部铯原子频标取平均值，因此其稳定度的得来基于此。氢原子频率标准有源谐振器，通常称氢脉泽（原子受激发射器）。受激产生频率为1.420405751GHz，功率为10-12W，Q值极高为2×109。有极高的频率稳定度和谱线纯度。特点：频率可以通过精确计算得到；准确度数量级为10-12；长稳：10-13/年，短稳5