CN102721863A - 微波测量线多频率信号的测量方法 - Google Patents

微波测量线多频率信号的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于测试测量领域，具体涉及一种微波测量线多频率信号的测量方法。具体步骤为：在测量线中形成两路频率相同且传输方向相反的信号，用探针检测等间隔各点电场强度，作离散傅里叶变换，得到
Figure 2012102378646100004DEST_PATH_IMAGE002
频谱图，计算波导波长，通过波导波长，计算信号的各个频率。本发明采用传统测量线，使用数字信号处理方法，对检波器采集到的信号进行分析，通过测量得到测量线中多频率信号波导波长，分析微波谐振器输出频率，结构简单，成本低。

Description

微波测量线多频率信号的测量方法
技术领域
本发明属于测试测量领域，具体涉及一种微波测量线多频率信号的测量方法。
背景技术
微波技术是无线电技术的一个分支。它主要包括三部分内容：电磁场理论、微波电路及元件、微波测量。其中，微波测量是测量微波电路、元件及组件的参量。微波测量对微波技术的发展和应用起着重要的位置。为了达到工程中对于微波元器件、组件的高精度要求，需要用准确的测量结果来保证。
测量线是微波系统的一种常用仪器，由三部分组成：开槽线、探头系统和传动系统。测量线结构简单，用途广泛，是微波测量中最基本的仪器之一。
在传统的测量线微波测量中，只能进行单频点测量，也有支持扫频测量的测量线，但结构复杂，成本高。但随着微波技术的发展，多频率测量的需求越来越多，比如测量微波信号源时需要测量信号源的各个频率成分，或者是测试空气中无线信号频率等等。为了节约测试成本，需要一种测试方法，在使用传统测量线的基础上测量不同频率的信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波测量线多频率信号的测量方法。
本发明提出的微波测量线多频率信号的测量方法，具体步骤如下：
（1）：在测量线末端加负载或在测量线两端输入频率相同的信号（如可用两个天线接收无线信号的方式等），在测量线中形成两路频率相同且传输方向相反的信号；
在传输线内（波导、同轴、微带等任意形式），当两路频率相同且传输方向相反的信号互相叠加，将形成驻波，对于任意一驻波场，可用下式表示：
上式中
Figure 24912DEST_PATH_IMAGE002
为测量线中的场强分布函数，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 597714DEST_PATH_IMAGE004
为入射波和反射波场强幅值,
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 141959DEST_PATH_IMAGE006
为入射波和反射波的相位,
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE007
为入射波和反射波的相移常数，
Figure 509224DEST_PATH_IMAGE008
，,
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE009
为波导波长。
设两路信号幅度差为
Figure 138920DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE011
=常数A。
则             
Figure 249833DEST_PATH_IMAGE012
假设信号发生器发射第一个、第二个……第n个频率信号，分别为
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 648584DEST_PATH_IMAGE014
……
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE015
，测量线中场强分布函数为：
Figure 452330DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE017
其中：A1、A2 ……An表示第一个、第二个……第n个常数， 
Figure 569322DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE019
，……，表示第一个、第二个……第n个入射波相位，
，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE023
，……，
Figure 48768DEST_PATH_IMAGE024
表示第一个、第二个……第n个发射波相位，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 321618DEST_PATH_IMAGE026
，……，表示第一个、第二个……第n个入射波和反射波的相移常数。
（2）：用探针检测等间隔（）各点电场强度，数学表示为用抽样函数
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE029
对
Figure 752523DEST_PATH_IMAGE030
进行连续采样，抽样N点，总长度为
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE031
。
（3）：对测量到的电场强度数据作离散傅里叶变换（DFT），得到频谱图，由于
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE033
，可知测量线中各频率波的波导波长。
根据离散傅里叶变换的线性性质，则
Figure 271415DEST_PATH_IMAGE034
推导
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE035
的离散傅里叶变换，可分两步推导，第一步得到
Figure 97419DEST_PATH_IMAGE035
的离散时间傅里叶变换（DTFT），得到连续周期结果，然后对DTFT截取一个周期并作采样后即可得到
Figure 314947DEST_PATH_IMAGE035
的DFT结果。
a)         对作傅里叶变换（FT），结果为：
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE037
，其中。
b)         对
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE039
作FT,结果为
Figure 172547DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE041
Figure 967066DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE043
，
则            
Figure 315001DEST_PATH_IMAGE044
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE045
c)         通过对
Figure 802352DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE047
卷积，得到的DTFT结果
Figure 889574DEST_PATH_IMAGE048
d)         对DTFT结果取一个周期（k=0），
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE049
e)         对
Figure 138022DEST_PATH_IMAGE050
做
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE051
 为周期的采样，数学表示为
Figure 796274DEST_PATH_IMAGE052
f)          对
Figure 271118DEST_PATH_IMAGE035
作DFT的结果为，
最后对
Figure 174483DEST_PATH_IMAGE030
作DFT的结果为：
（4）：通过波导波长，计算信号的各个频率。
在测量线中，波导速率
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE055
，其中
Figure 732689DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 694829DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 634840DEST_PATH_IMAGE059
分别为自由空间的光速和波长，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE060
为电导率，其中空气电导率为1， 
Figure 123460DEST_PATH_IMAGE061
为测量线截止波长，均为已知参数，则
Figure 359400DEST_PATH_IMAGE062
为已知参数。
第n个频率信号的相移常数
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 120420DEST_PATH_IMAGE064
可从谱分布图中得到，计算出
Figure 365588DEST_PATH_IMAGE065
。
由频率
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE066
、波长
Figure 630085DEST_PATH_IMAGE059
和速度
Figure 489457DEST_PATH_IMAGE067
公式，计算得到微波谐振器输出各个频率分量。
本发明采用传统测量线，使用数字信号处理方法，对检波器采集到的信号进行分析，通过测量得到测量线中多频率信号波导波长，分析微波谐振器输出频率，结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为实施例1仿真全图。
图3为实施例1仿真结果局部放大图。
图4为实施例1仿真结果局部放大图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
第一步：被测微波信号源和测量线相连，微波信号源产生三个频率信号，信号频率分别为8.6GHz，9GHz和10GHz，测量线使用BJ100（R100）型矩形波导，截止频率为6577.1MHz，电导率为1。信号源用仿真信号实现。
第二步：对信号进行采样，
Figure 973659DEST_PATH_IMAGE069
,
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE070
,采样N=4000个点。
第三步：对采样点进行离散傅里叶变换得到如图所示结果。
第四步：计算得到各个频率值。
计算过程如下：
a)         在DFT仿真结果图2-图4上可知：
Figure 521052DEST_PATH_IMAGE071
b)        由于
Figure DEST_PATH_IMAGE072
且
Figure 407100DEST_PATH_IMAGE073
，
所以
Figure DEST_PATH_IMAGE074
c)        由于
Figure 624323DEST_PATH_IMAGE075
所以
Figure DEST_PATH_IMAGE076
d)        由于该型号波导特性可得
e)         根据波速波长频率公式计算出该测量线中信号频率分别为：
Figure 619010DEST_PATH_IMAGE079

Claims (1)

1.一种微波测量线多频率信号的测量方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）：在测量线末端加负载或在测量线两端输入频率相同的信号，在测量线中形成两路频率相同且传输方向相反的信号；
在波导、同轴或微带形式的传输线内，当两路频率相同且传输方向相反的信号互相叠加，将形成驻波，对于任意一驻波场，用下式表示：
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE001
上式中
Figure 334651DEST_PATH_IMAGE002
为测量线中的场强分布函数，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 761959DEST_PATH_IMAGE004
为入射波和反射波场强幅值,
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 477105DEST_PATH_IMAGE006
为入射波和反射波的相位,
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE007
为入射波和反射波的相移常数，
Figure 331666DEST_PATH_IMAGE008
，,
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE009
为波导波长；
设两路信号幅度差为
Figure 499474DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE011
=常数A；
则             
Figure 668156DEST_PATH_IMAGE012
假设信号发生器发射第一个、第二个……第n个频率信号，分别为
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 736344DEST_PATH_IMAGE014
……
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE015
，测量线中场强分布函数为：
Figure 200954DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE017
其中：A1、A2 ……An表示第一个、第二个……第n个常数， 
，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE019
，……，表示第一个、第二个……第n个入射波相位，
，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE023
，……，表示第一个、第二个……第n个发射波相位，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE025
，，……，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE027
表示第一个、第二个……第n个入射波和反射波的相移常数；
（2）：用探针检测等间隔（
Figure 978636DEST_PATH_IMAGE028
）各点电场强度，数学表示为用抽样函数
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE029
对进行连续采样，抽样N点，总长度为；
（3）：对测量到的电场强度数据作离散傅里叶变换（DFT），得到
Figure 643153DEST_PATH_IMAGE032
频谱图，由于
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE033
，可知测量线中各频率波的波导波长；
根据离散傅里叶变换的线性性质，则
Figure 275997DEST_PATH_IMAGE034
推导的离散傅里叶变换，可分两步推导，第一步得到
Figure 905693DEST_PATH_IMAGE035
的离散时间傅里叶变换，得到连续周期结果，然后对DTFT截取一个周期并作采样后即可得到
Figure 78923DEST_PATH_IMAGE035
的DFT结果；
对
Figure 539991DEST_PATH_IMAGE036
作傅里叶变换（FT），结果为：
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE037
，其中
Figure 845202DEST_PATH_IMAGE038
；
对
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE039
作FT,结果为
Figure 195149DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE041
Figure 47437DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE043
，
则            
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE045
通过对
Figure 236462DEST_PATH_IMAGE046
和卷积，得到
Figure 276968DEST_PATH_IMAGE035
的DTFT结果
Figure 168832DEST_PATH_IMAGE048
对DTFT结果取一个周期（k=0），
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE049
对
Figure 40711DEST_PATH_IMAGE050
做
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE051
 为周期的采样，数学表示为
Figure 422145DEST_PATH_IMAGE052
对
Figure 74581DEST_PATH_IMAGE035
作DFT的结果为，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE053
最后对
Figure 832452DEST_PATH_IMAGE030
作DFT的结果为：
Figure 496521DEST_PATH_IMAGE054
（4）：通过波导波长，计算信号的各个频率；
在测量线中，波导速率
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE055
，其中
Figure 314435DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 126271DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 422254DEST_PATH_IMAGE059
分别为自由空间的光速和波长，
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE060
为电导率，其中空气电导率为1， 
Figure 206408DEST_PATH_IMAGE061
为测量线截止波长，均为已知参数，则
Figure 991962DEST_PATH_IMAGE062
为已知参数；
第n个频率信号的相移常数
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 291094DEST_PATH_IMAGE064
从谱分布图中得到，计算出
Figure 390768DEST_PATH_IMAGE065
；
由频率、波长和速度公式
Figure 2012102378646100001DEST_PATH_IMAGE068
，计算得到微波谐振器输出各个频率分量。
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