CN102721863B - 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
、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
，……，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE021
表示第一个、第二个……第n个入射波相位，
Figure 31396DEST_PATH_IMAGE022
，
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
，……，
Figure 2012102378646100002DEST_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 237490DEST_PATH_IMAGE028
）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的DFT结果。
a)         对
Figure 605114DEST_PATH_IMAGE036
作傅里叶变换（FT），结果为：，其中
Figure 921563DEST_PATH_IMAGE038
。
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 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE045
c)         通过对
Figure 802352DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE047
卷积，得到
Figure 602949DEST_PATH_IMAGE035
的DTFT结果
Figure 889574DEST_PATH_IMAGE048
d)         对DTFT结果取一个周期（k=0），
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，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE053
最后对
Figure 174483DEST_PATH_IMAGE030
作DFT的结果为：
Figure 667650DEST_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 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE055
，其中，，
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 634840DEST_PATH_IMAGE059
分别为自由空间的光速和波长，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
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE068
，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
且
Figure 407100DEST_PATH_IMAGE073
，
所以
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE074
c)        由于
Figure 624323DEST_PATH_IMAGE075
所以
Figure 2012102378646100002DEST_PATH_IMAGE076
d)        由于该型号波导特性可得
Figure 94357DEST_PATH_IMAGE077
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 407567DEST_PATH_IMAGE001
上式中
Figure 911360DEST_PATH_IMAGE002
为测量线中的场强分布函数，
Figure 524613DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 9821DEST_PATH_IMAGE004
为入射波和反射波场强幅值,
Figure 521574DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 16009DEST_PATH_IMAGE006
为入射波相位和反射波相位,
Figure 48817DEST_PATH_IMAGE007
为入射波和反射波的相移常数，，
Figure 703975DEST_PATH_IMAGE009
为波导波长；
设两路信号幅度比值为
Figure 2101DEST_PATH_IMAGE010
,=常数A；
则             
Figure 230006DEST_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 263821DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 287009DEST_PATH_IMAGE014
……，测量线中场强分布函数为：
其中
其中：A1、A2 ……An表示第一个、第二个……第n个常数， 
Figure 441642DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 551550DEST_PATH_IMAGE019
，……，
Figure 985942DEST_PATH_IMAGE020
表示第一个、第二个……第n个入射波相位，
Figure 181300DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 359340DEST_PATH_IMAGE022
，……，表示第一个、第二个……第n个反射波相位，
Figure 985505DEST_PATH_IMAGE024
，，……，
Figure 197361DEST_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（
Figure 16281DEST_PATH_IMAGE027
）各点电场强度，数学表示为用抽样函数
Figure 792476DEST_PATH_IMAGE028
对
Figure 962426DEST_PATH_IMAGE029
进行连续采样，抽样N点，总长度为
Figure 544586DEST_PATH_IMAGE030
；
（3）：对测量到的电场强度数据作离散傅里叶变换，得到
Figure 218013DEST_PATH_IMAGE031
频谱图，由于
Figure 430689DEST_PATH_IMAGE032
，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 828215DEST_PATH_IMAGE033
推导
Figure 964798DEST_PATH_IMAGE034
的离散傅里叶变换，可分两步推导，第一步得到
Figure 492732DEST_PATH_IMAGE034
的离散时间傅里叶变换，得到连续周期结果，然后对离散时间傅里叶变换截取一个周期并作采样后即可得到的离散傅里叶变换结果；
对
Figure 755272DEST_PATH_IMAGE035
作傅里叶变换，结果为：，其中
Figure 327253DEST_PATH_IMAGE037
；
对
Figure 881731DEST_PATH_IMAGE038
作傅里叶变换,结果为
Figure 795461DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 460797DEST_PATH_IMAGE040
Figure 246480DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 706280DEST_PATH_IMAGE042
，
则            
Figure 622153DEST_PATH_IMAGE043
Figure 825601DEST_PATH_IMAGE044
通过对
Figure 448212DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 891963DEST_PATH_IMAGE046
卷积，得到
Figure 232814DEST_PATH_IMAGE034
的离散时间傅里叶变换结果
Figure 239954DEST_PATH_IMAGE047
对离散时间傅里叶变换结果取一个周期（k=0），
Figure 717071DEST_PATH_IMAGE048
对
Figure 790113DEST_PATH_IMAGE049
做
Figure 414998DEST_PATH_IMAGE050
 为周期的采样，数学表示为
Figure 897932DEST_PATH_IMAGE051
对
Figure 557452DEST_PATH_IMAGE034
作离散傅里叶变换的结果为，
最后对作离散傅里叶变换的结果为：
（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 193522DEST_PATH_IMAGE054
，其中
Figure 602506DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 196124DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 83178DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 389394DEST_PATH_IMAGE058
分别为自由空间的光速和波长，
Figure 782329DEST_PATH_IMAGE059
为电导率，其中空气电导率为1， 
Figure 806786DEST_PATH_IMAGE060
为测量线截止波长，均为已知参数，则
Figure 497530DEST_PATH_IMAGE061
为已知参数；
第n个频率信号的相移常数
Figure 720570DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 471357DEST_PATH_IMAGE063
从谱分布图中得到，计算出
Figure 983110DEST_PATH_IMAGE064
；
由频率
Figure 25016DEST_PATH_IMAGE065
、波长
Figure 311684DEST_PATH_IMAGE058
和速度
Figure 233372DEST_PATH_IMAGE066
公式
Figure 966842DEST_PATH_IMAGE067
，计算得到微波谐振器输出各个频率分量。
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