微波有源器件实验报告

实验一压控振荡器（VCO）一、实验目的（1）掌握压控振荡器的工作原理，了解其性能指标。（2）学会用频谱仪对压控振荡器的性能指标进行测试。二、实验原理1.压控振荡器概述压控振荡器是振荡频率受控制电压控制的振荡器，即是一种频率电压变换器。输出频率,K是压控振荡器控制灵敏度或者增益系数，单位为（弧度/秒）/伏。VCO作为一个振荡器，它的频率由电压来控制。压控振荡器实现压控的方法主要有如下两种:（1）直接改变决定振荡频率的振荡回路元件（如R,L,C）的数值;（2）控制多谐振荡器中定时元件的充放电电流或电压。利用上述方法，原则上各种振荡器都可能改造成为一个压控振荡器。VCO首先是一个振荡器，只是多了一个控制端，可以用电压去控制振荡器的振荡频率。压控振荡器主要有如下几种类型:（1）LC压控振荡器（2）RC压控振荡器（3）负阻压控振荡器（4）晶体压控振荡器在应用中究竟采用那种形式的压控振荡器，必须视场合和要求而定。如果只是为了简便和有很宽的调谐范围（即频率覆盖)，而对相位噪声没什么要求，那么可以选用由RC振荡器所构成的VCO；如果要求有较宽的调谐范围和较低的相位噪声，可以选用由LC振荡器构成的VCO;如果对相位噪声指标要求较高，而调谐范围并不要求那么宽，那么可以选用由晶体振荡器所构成的VCO。()cVt()cKVt12.压控振荡器的主要技术指标（1）中心频率及频率变化范围，要求频率覆盖范围大（2）频率稳定度高（短期和长期)压控振荡器的频率相对稳定度一般低于用同样电路构成的固定频率振荡器。一般LC压控振荡器和负阻压控振荡器稳定度可达10-4-10-6/月，晶体压控振荡器可达10-6-10-10/月。一般希望VCO的频率稳定度在长期和短期范围内比较高。（3）相位噪声，要求尽可能低，这是VCO最重要的质量指标。频率源的相位噪声直接影响频率源的短期频率稳定度。频率源的短期频率稳定度有两种表征法，在频域用单边相位噪声功率表征，在时域则用阿伦方差表征。频域表征能较好地反映高频相位噪声对频率稳定度的影响。而时域表征能较好的反应低频相位噪声对频率稳定度的影响。在此只介绍更为常用的频域表征法。频率稳定度的频域表征法是用单边（SSB）相位噪声谱密度表示。单边相位噪声谱密度是指偏离载频cf一定量f处，单位频带内噪声功率SSBP相对于平均载波功率CP比值的分贝值，使用模拟频谱仪测量单边带相位噪声谱密度公式如下：nmBCANflg10)(其中，)(mf为单边带相位噪声谱密度，HzdBc/；N为偏离载频mf处的噪声功率电平，dBm；A为载波电平，dBm；C为频谱测量随机噪声修正值，对模拟频谱仪其值为dB5.2；nB为频谱仪等效噪声带宽。例如，测得载波功率为7dBm,在偏离载频10kHz处在带宽1kHz内的噪声功率-43dBm那么单位频带内的相对单边噪声功率为-43dBm-7dBm-2.5dB-10lg(1000)dB=-82dBc/Hz@10kHz（4）压控线性一般压控振荡器在频率覆盖范围内并不一定能保证很好的压控线性，使用上一般则希望压控振荡器在一定的频率范围内控制线性度越高越好。（5）压控增益（或称压控灵敏度）要求有一定的压控灵敏度K。K的大小根据技术指标要求和实际可能性来确定。从同步带的角度希望K越大越好，从边带抑制的角度希望K越小越好。因此在满足同步范围的前提下尽可能选取较小的K。（6）其他如压控方便，电路宜于集成化、抗机械振动及抗电磁干扰等。02三、实验设备AV4062频谱仪，压控振荡器模块，直流电源，1-20V直流可调电源四、测量内容和实验步骤测量VCO的频率，频率覆盖范围，输出功率，线性度/伏，谐波分量，杂散1）将压控振荡器模块按下图连接2）开启AV4062频谱仪电源和DC电源，调节VCO的调谐电压Vtune至最小，观察AV4062频谱仪上所显示频率、功率、相位噪声（偏移载频1MHz、100KHz）、杂散等并记录。3）调节VCO的调谐电压Vtune至最大（20V），观察AT6030D频谱仪上所显示频率、功率相位噪声（偏移载频1MHz、100KHz）、杂散等并记录。4）调节VCO的调谐电压Vtune，观察AV4062频谱仪上所显示频谱的变化，并用MARKER跟踪，读出不同调谐电压下的频率值和功率值，给出压控线性图（频率/每伏（0-10V表格或曲线）），同时观测VCO的二次谐波分量记录并比较。AV4062VCO+12V1-20V3五、实验数据测量及分析1.压控线性表调谐电压/V频率/GHz调谐电压/V频率/GHz51.348121.70861.388131.77071.455141.84381.500151.92291.545162.001101.607172.074111.669182.101调谐电压超过16V以后，发现VCO输出频谱有误，说明此时已超出工作范围。2.功率相位噪声（偏移载频1MHz）调谐电压/V频率/GHz功率/dBm频偏+1MHz频偏-1MHz101.61117.9-21.0-21.2151.93412.2-25.0-25.081.51216.6-21.0-23.04实验二放大器一、实验目的1、掌握射频放大器的基本原理和设计方法；2、利用实验模块实际测量，了解放大器的特性；3、学会用频谱仪的测试结果提取放大器的主要参数。二、88实验原理射频频带放大器可分为宽带放大器和窄带放大器，其主要的技术指标有：中心频率：中心频率就是放大器的工作频率，一般在几百千赫到几百兆赫。它是放大器的主要指标，是根据设备的整体指标确定的。1.增益：增益是表示放大电路对有用信号的放大能力。通常用在中心频率上电压增益和功率增益两种方法表示：电压增益功率增益式中，、分别为放大电路中心频率上的输出、输入电压幅度，、分别为放大电路中心频率上的输出、输入功率。通常增益用分贝表示。2.通频带：为保证频带信号无失真地通过放大电路，要求放大器的增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。放大电路电压增益频率响应特性中增益由最大值下降3dB时对应的频带宽度，称为放大器的通频带。通常以B或表示。3.选择性：是指对通频带之外干扰信号的衰减能力，有两种描述方法：一是用矩形系数来说明临近波道选择性的好坏；二是用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号抑制能力的大小，其定义为，式中是中心频率上的功率增益；是某特定干扰频率上的功率增益。抑制比用分贝表示则为4.工作稳定性：是指当放大电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要性能的稳定程度。不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变0fiVVVA00iPPPA000ViV0PiP7.02fNf)()(0NPPfAfAd)(0fAP)(NPfANf)()(lg10)(0NPPfAfAdBd5窄、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激振荡，以致使放大器完全不能工作。引起不稳定的原因，主要是寄生反馈作用。为了消除或减少不稳定现象，必须尽力找出寄生反馈的途径，力图消除一切可能产生反馈的因素。5.噪声系数：噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。放大器本身产生噪声电平的大小对所传输的信号，特别是对微弱信号的影响是极其不利的。6.工作频率范围：指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。7.增益平坦度()：指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。增益平坦度由下式表示。dB其中：增益平坦度Gmax：增益—频率扫频曲线的幅度最大值Gmin：增益—频率扫频曲线的幅度最小值上述指标相互之间，既有联系又有矛盾。例如增益和稳定性、通频带和选择性等。需要根据实际决定主次，进行合理设计与调整。8.1dB压缩点输出功率（）放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线性放大器，这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用表示。（见图2-2）G2minmaxGGGG1dBP1dBP图2-1增益平坦度6图2-2放大器的输出功率和互调分量随输入功率的变化典型情况下，当功率超过时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比大3-4dB。9.放大器的动态范围动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的上限取决于放大器的非线性性能，如和IP3。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数Nf给定时，输入信号功率允许最小值是：其中：－微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)；M－微波系统输出端允许的最小信噪比；T0－环境温度，293K。三、实验设备AV4062频谱分析仪、AV1485射频合成信号发生器，射频放大器、直流电源四、实验内容及步骤测量射频放大器的频响曲线、放大增益、1dB压缩点输出功率（）。设置AV4062频谱仪中心频率fc=1500MHz，SPEN为3000MHz，用信号源和频谱分析仪测试放大器的增益及P1dB。被测件输入端连接至信号源；输出端接频谱分析仪。设置频谱仪中心频率1.5GHz；1dBP1dBP1dBPMfkTNPmf)(0minmf1dBP7SPAN为1MHz；同时设置信号源频率为1.5GHz；输出功率-20dBm，给放大器加电，不断改变输入功率大小，观察频谱分析仪上放大器的输出幅度，观察放大器输出幅度，增益要求放大器工作在线性范围内，观察并记录测试值。当增加信号输入到输入与输出信号不呈现线性变化，输出信号与输入信号压缩1dB时放大器输出功率即为放大器的P1dB压缩点，观察并记录；改变射频合成信号发生器AV1485频率，观察100MHz、1GHz、1.5GHz、2GHz、2.5GHz、的增益、输出功率并记录。五、实验数据及分析1.放大器功率增益表（Pin=-30dBm）频率/Hz输出功率/dBm100M-11.11G-141.5G-17.52.0G-20.22.5G-23从上表可以看出，输出功率增益约为13dB，且输出功率随频率增加而减小。AV1485OUT电源放大器AV4062IN82.P1dB压缩点（1.5GHz下）Pin/dBmPout/dBm-103.1-94.3-84.9-76.1-67.1-57.9-48.7-39.3-210.1从上表可以看出，P1dB压缩点约为10.1dB。实验心得与体会本次微波有源器件实验分为两个部分，压控振荡器和放大器。通过压控振荡器的实验，掌握了压控振荡器的工作原理，了解其性能指标。学会了用频谱仪对压控振荡器的性能指标进行测试。通过放大器的实验，掌握了射频放大器的基本原理和设计方法；利用实验模块实际测量，了解放大器的特性；学会了用频谱仪的测试结果提取放大器的主要参数。实验中以学姐的演示为主，期间我们通过观察和部分步骤的实际操作完成了实验。在实验中将课上学习的知识加以巩固，效果很好。