微波测量技术的未来发展方向

随着雷达、卫星通信、移动通信、卫星导航、电子战、精确制导等电子设备的快速发展，微波毫米波测试仪器迎来了千载难逢的发展机遇，助推国防电子装备和电子信息产业快速发展，为产品开发、批量生产、运营管理、维修检测提供了强有力的支撑。但微波毫米波测试仪器发展也面临着巨大的挑战，一是随着毫米波、亚毫米波和太赫兹频谱资源综合利用的需要，急需提高测试频率，填补测试空白，解决基本测试手段问题；二是新体制电子装备和移动通信的跨代发展，急需拓展测试新领域，增加测试新功能，解决测试新难题；三是随着电子设备的精细化发展，对测试仪器的性能指标提出了越来越高的要求，不断挑战极限参数，需进一步提高测试保障能力；四是随着大规模集成电路和微波多层电路工艺的应用，使测试的可达性和可接入性变得越来越差，传统测试手段难以满足要求，急需新的测试解决方案。采用新原理、新技术、新工艺的新产品不断涌现，打破了信号发生器、信号分析仪、网络分析仪、噪声系数测试仪、功率计和频率计等传统六大类仪器各自独立发展的局面，一方面各类仪器之间呈交叉与融合态势，仪器之间界限开始模糊，相互渗透，不但性能指标不断攀升，应用范围与领域也在不断拓展；另一方面标准化、系列化、多样化发展趋势十分明显，相位噪声测试仪和测试接收机发展很快，数字存储示波器、调制域分析仪和多功能综合测试仪工作频率不断提高，也加入微波毫米波测试仪器行列。

1）从微波测试到太赫兹测试

随着军用电子装备和民用移动通信的快速发展，微波频谱资源越来越紧张，开发利用毫米波、亚毫米波和太赫兹频谱资源的呼声越来越高，毫米波、亚毫米波和太赫兹测试仪器已成为新的竞争热点。一是宽频带同轴测试仪器初步实现常用频段的频率覆盖，采用小型化的3.5 mm、2.4 mm和2.92 mm连接器的同轴测试仪器，测试频率全面覆盖到40 GHz，常用的矢量网络分析仪、信号发生器、频谱分析仪和功率计等产品采用1.85 mm连接器，已把测试频率上限扩展到67 GHz，未来几年其他仪器产品也将全面覆盖到67 GHz，同时国外还推出了基于1 mm连接器的矢量网络分析仪，测试频率上限进一步拓展到110 GHz。二是波导测试仪器向太赫兹频段持续推进，波导测试仪器跨越了毫米波与亚毫米波频段，已开始深入太赫兹频段，国外波导测试仪器工作频率已发展到750 GHz，部分仪器超过1 THz，国内波导测试仪器工作频率达到325 GHz，能够提供矢量网络分析仪、信号发生器、频谱分析仪和功率计四种仪器产品，以及电磁材料、天线和RCS自动测试系统，初步解决了相应频段基本测试手段问题。

对于同轴测试仪器，继续开发基于1 mm连接器的测试仪器，实现了从几十兆赫兹到110 GHz一次拉通，好处非常明显，但必须面对设计仿真、机械加工、表面处理等问题。目前采用的50 GHz或67 GHz同轴测试仪器外加毫米波波导扩频模块的拼接方案，实现难度却大大降低，似乎也能够满足毫米波频段测试要求。对于太赫兹波导测试仪器，同样面临着设计仿真、工艺、材料、器件、计量和标准问题，随着工作频率的不断提高，波导尺寸越来越小，传统的机械加工方法、加工精度难以满足要求，似乎走到传统机械加工的极限。太赫兹测试仪器发展急需解决矩形波导成型问题，或者开发新的太赫兹传输线，也许未来3D打印能够解决太赫兹波导成型问题，共同期待。

2）从信号发生到电磁环境模拟仿真

现代电磁环境是由各种电子设备辐射的电磁波共同组成，具有频率密集、波形复杂、状态变化的特点。构建真实的电磁环境，是考核电子装备抗干扰能力的重要手段。但是要模拟各种设备辐射的电磁信号，构建复杂电磁环境，实现难度非常大。目前大多数电磁环境试验设备是由雷达发射机和电子干扰机等设备改造而成，多种多台设备共同产生所需的电磁波环境，应该说这是最直接的方法，但并不是最经济的方法。现代信号发生器的发展，不仅追求高输出功率、高频率分辨率、低相位噪声、高频谱纯度等高性能指标，更追求产生信号的多样性。主要有以下几个方面的进展：一是电磁信号发生器向可编程和平台化发展，以任意波形合成、宽带矢量调制、频率捷变和功率捷变等硬件为基础，配上电磁环境构造及模拟仿真软件，能够产生工作频率达到40 GHz、支持多种雷达和通信信号样式、频率捷变时间达100 ns量级的电磁信号，通过软件编辑实现多参数实时编辑及播放，可以逼真地再现“真实”电磁环境，为构建复杂电磁环境奠定了技术基础；二是电磁信号发生器向多通道和多载波方向发展，采用模块化体系结构，每个模块就是一个独立的信号发生器，具有独立的模拟调制和数字调制能力，可单独工作，模拟一种雷达或通信信号，也可以多路联合工作实现多通道相位相干输出，也可以通过合路器将多路电磁信号合并成一路输出，模拟不同工作频率、不同调制方式的多种电磁信号同时存在的电磁环境。复杂电磁环境模拟仿真是个非常复杂的科学问题，利用现代信号发生器构建电磁环境，一代硬件平台可以搭载多种电磁信号模拟仿真软件，也可以搭载多代模拟仿真软件，升级换代比较容易，通用性好，配置灵活，成本低。

3）从稳态信号测试到瞬态时变信号捕获

现代微波毫米波信号分析仪器不再局限于对稳态信号或周期信号的频率、功率、频谱、相位噪声、调制特性等常规参数的测试，而是重点发展对稍纵即逝的非稳态、非周期、低概率电磁信号捕获与测试分析技术，并且已取得重要进展。一是频域测试仪器瞬态信号的捕获能力大大增强，以实时频谱分析仪为代表电磁信号分析仪器，把数字存储示波器的采集存储功能引入了频域测试仪器，除具有传统的频谱分析仪的测试功能外，还具有实时触发、无缝采集、时间相关的多域联动分析能力，采用软硬结合的FFT算法，使运算速度远大于信号采样速度，实现了边采样、边处理、边存储、边显示，确保有用瞬态信号不丢失。实时频谱分析仪通过颜色、灰度等级等表征信号出现的概率，记录时间演变的过程，目前实时分析带宽可达40 MHz、80 MHz、110 MHz和200 MHz，100%截获信号的最短持续时间达到微秒量级。二是数字存储示波器取得了突破性进展，数字存储示波器已不甘心于低频时域波形的测试分析，进军微波毫米波频段只是时间问题。到目前为止，有效位数为8位的数字采样速率已突破160 GSa/s，信号测试带宽已超过60 GHz，微波毫米波信号时域波形可视化已成为可能，但波形分辨率还显得太低，预计不远的将来，有效采样位数超过12位的高分辨率数字存储示波器将应用于工程实际，使微波毫米波信号看起来更加细腻。数字存储示波器虽然发展很快，但难以取代频域测试仪器，因为现代被测设备技术指标体系大多数集中于频域，长期以频域测试仪器为基础构建技术指标体系，用频域测试仪器对这些指标测试似乎更直接一些。三是多域联动分析能力大大增强，频谱分析仪和数字存储示波器分别属于频域与时域测试仪器，调制域分析仪在频域与时域之间建立了关联关系。现代信号分析仪的一个很重要的进展，就是从时域、频域和调制域对被测电磁信号进行关联分析，构建电磁信号的幅度、时间、频率三维模型，从不同的侧面对电磁信号进行快速分析和有效解读。四是从信号测试到信息测试的转变，信号分析仪进一步发展不仅可以获得电磁信号在不同域当中的波形，而且还可以提取电磁信号当中承载的信息，可以从复杂电磁环境当中分辨出人们感兴趣的语音、照片、视频图像、数据等信息，使测试从信号空间进入到信息空间。

4）从线性网络测试到非线性网络建模

几十年来，S参数已成为微波毫米波网络建模与电路设计的工业标准、技术交流的共同语言。以S参数为理论基础的矢量网络分析仪助推相控阵技术快速发展，做出了重要贡献。现代矢量网络分析仪一方面不断提升自身的性能指标，使测试能力大大增强，另一方面不断地拓展应用领域。一是多端口网络测试问题基本解决，基于S参数的线性矢量网络分析仪采用更先进的专用集成电路，系统动态范围进一步增大，使高性能滤波器阻滞衰减浮出噪声电平之上，同时多端口网络测试获得突破，一次连接即可获得以T/R组件为代表的多端口网络的全部S参数，不仅提高了测试速度，而且还提高了测试精度，4端口矢量网络分析仪已属于基本配置，8端口和16端口矢量网络分析仪已有成功的解决方案。二是非线性网络测试取得重要进展，随着宽禁带半导体功率器件的快速发展，器件建模和电路设计都需要一个比较准确的数学模型，来统领功率放大器、混频器、倍频器、分频器、振荡器等有源部件建模，以及连接器、电缆、天线、滤波器、功分器、耦合器等无源部件互调失真测试，非线性网络模型已成为矢量网络分析仪发展的关键。现有的非线性网络模型对功率放大器和倍频器这样单频工作、输入与输出具有谐波关系的非线性网络比较有效，能够比较准确地表征器件的非线性特性。但对于混频器变频损耗和无源部件互调失真等参数测试，需要两个及两个以上频率信号同时工作，并且输出与输入之间并非谐波关系，现有非线性网络模型都无能为力。

5）从单参数测试到多功能多参数综合测试(www.xing528.com)

现代微波毫米波测试仪器的技术发展的一个显著特征是测试选件越来越丰富，有效地拓展了仪器应用领域。比如矢量网络分析仪增加一个选件就可以测试噪声系数，频谱分析仪可以测试电磁信号的大小及工作频率，取代了部分功率计和频率计的功能，但这些只是工程上的近似，不能作为精确的测试方法，更不能作为计量标准。微波综合测试仪具有多种仪器功能以及多种参数测试能力，实现了一体化设计，达到了一机多用的目的，一般具有信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、功率计和频率计的测试能力，工作频率已达到18 GHz，国内还推出了工作频率达到40 GHz的微波综合测试仪。微波综合测试仪器发展的一个重要支撑技术是微波多层电路工艺，微波多层电路工艺助推手持式和便携式仪器发展，在体积、重量和低成本设计方面具有明显优势。

本章小结

本章介绍了射频微波元器件测量技术方案，低噪声放大器测量，功率放大器的测量，射频功率的测量，变频器和混频器测试技术方案，频综及振荡器测试，电子系统半实物仿真技术，微波仿真及测试系统应用，微波测量发展方向。

习题作业

1.射频微波元器件发展及测试要求有哪些？

2.如何对低噪声放大器的增益进行测量？

3.功率放大器有哪些基本指标？如何进行测量？

4.如何对变频器和混频器进行测试？

5.如何对频率综合器及振荡器测试？

6.解释电子系统半实物仿真技术。