现代微波测量技术ppt.ppt
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1、现代微波测量技术汪海洋汪海洋 83202103逸夫楼逸夫楼416课程性质与教学安排课程性质与教学安排专业选修课专业选修课(电子(电子科学与技术、物理科学与技术、物理电子学)电子学)综合性强,理论与综合性强,理论与实践结合,强调基实践结合,强调基本概念与方法、技本概念与方法、技能掌握能掌握课堂讲学(课堂讲学(30学时)学时)讲授讨论讲授讨论先导课程:电磁场与先导课程:电磁场与波、微波技术基础、波、微波技术基础、电子测量技术电子测量技术教材:教材:教材:教材:现代微波与天线测量技术现代微波与天线测量技术现代微波与天线测量技术现代微波与天线测量技术 戴晴戴晴戴晴戴晴 黄纪军黄纪军黄纪军黄纪军 莫锦军
2、莫锦军莫锦军莫锦军 电子工业出版社,电子工业出版社,电子工业出版社,电子工业出版社,2008/20122008/2012参考教材:参考教材:参考教材:参考教材:微波测量微波测量微波测量微波测量汤世贤,国防工业出版社汤世贤,国防工业出版社汤世贤,国防工业出版社汤世贤,国防工业出版社 19911991微波测量技术微波测量技术微波测量技术微波测量技术 董树义董树义董树义董树义 电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社 19951995现代微波工程测量现代微波工程测量现代微波工程测量现代微波工程测量 王培章王培章王培章王培章 朱卫刚朱卫刚朱卫刚朱卫刚 电子工业出版社电子工业出版社电子工
3、业出版社电子工业出版社 20142014微波器件测量手册微波器件测量手册微波器件测量手册微波器件测量手册 Joel P.Joel P.DunsmoreDunsmore 电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社 20142014 原原Agielnt 教材与参考资料教材与参考资料 本课程考核方式:本课程考核方式:平时考核(平时考核(30%)(考勤)(考勤+课堂提问)课堂提问)期末考试(期末考试(70%)(开卷)(开卷)理论授课内容理论授课内容微波信号源微波信号源微波信号频率与频谱测量微波信号频率与频谱测量微波信号功率测量微波信号功率测量微波信号噪声测量微波信号噪声测量网络反射参量测
4、量网络反射参量测量网络传输参量测量网络传输参量测量网络参数的全面测定网络参数的全面测定微波信号时域测量微波信号时域测量综合性微波测试实例综合性微波测试实例单重入式微波谐振腔设计与参数测试单重入式微波谐振腔设计与参数测试腔体滤波器的仿真、优化及测试腔体滤波器的仿真、优化及测试阻抗阻抗频率频率功率功率表征微波信号的三个重要基本参数表征微波信号的三个重要基本参数 测量测量测量测量测量测量 低频电子电路低频电子电路电压电压电流电流微波测量与低频电子测量比较微波测量与低频电子测量比较 微波传输线中微波传输线中 电压、电流参数使用不方便,特别是在非电压、电流参数使用不方便,特别是在非TEM波传输线系统中电
5、压、电流的定义失去了波传输线系统中电压、电流的定义失去了唯一性,如唯一性,如单导体单导体传输线波导模式电压,模传输线波导模式电压,模式电流。式电流。而在而在TEM波传输线系统工作于主模且在波传输线系统工作于主模且在行波条件下,行波电压行波条件下,行波电压V、电流、电流I和传输功率和传输功率P仍满足与低频电路相同关系式。仍满足与低频电路相同关系式。典型代表同轴线典型代表同轴线测量、误差、计量一些基本概念测量、误差、计量一些基本概念中国的标准时间和授时中国的标准时间和授时 课程补充知识课程补充知识狭义测量的定义狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量是为了确定被测对象的量
6、值而进行的实验过程。测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在在测测量量过过程程中中,人人们们借借助助专专门门的的设设备备,把把被被测测对对象象直直接接或或间间接接地地与与同同类类已已知知单单位位进进行行比比较,取得用数值和单位共同表示的测量结果。较,取得用数值和单位共同表示的测量结果。广义测量的定义广义测量的定义 广义地讲,测量不仅对被测的物理量进行定量的广义地讲,测量不仅对被测的物理量进行定量的广义地讲,测量不仅对被测的物理量进行定量的广义地讲,测量不仅对被测的物理量进行定量的测量,而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定测量,而且还包括
7、对更广泛的被测对象进行定性、定测量,而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定测量,而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。位的测量。位的测量。位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。地震源测定、卫星定位等。地震源测定、卫星定位等。地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的
8、一维信息,还可以用二维或多维的图形、图像来显示被维信息,还可以用二维或多维的图形、图像来显示被维信息,还可以用二维或多维的图形、图像来显示被维信息,还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明,包括信息广义测量原理可以从信息获取过程来说明,包括信息广义测量原理可以从信息获取过程来说明,包括信息广义测量原理可以从信息获取过程来说明,包括信息的感知和信息识别两个环节。的感知和信息识别两个环节。的感知和信息识别两
9、个环节。的感知和信息识别两个环节。测量的基本要素测量的基本要素被被被被测对测对象、象、象、象、测测量量量量仪仪器、器、器、器、测测量技量技量技量技术术、测测量人量人量人量人员员和和和和测测测测量环境量环境量环境量环境 测量过程测量过程基本要素之间的互动关系基本要素之间的互动关系 *选择测试仪选择测试仪器,器,器,器,组组建建建建测试测试系系系系统统。制定出制定出制定出制定出测试测试策略(策略(策略(策略(测测量算法)和操作步量算法)和操作步量算法)和操作步量算法)和操作步骤骤(测测 试试程序)程序)程序)程序)*分析分析分析分析测测量量量量误误差并差并差并差并显显示示示示测测量出量出量出量出结
10、结果。果。果。果。测量环境测量环境 测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘,霉菌以及有关电磁量(工作电压、化学气雾和粉尘,霉菌以及有关电磁量(工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等)的数值、范围源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等)的数值、范围及其变化。及其变化。环境对测量的影响环境对测量的影响 环境对被测对象的影响:某些被测对象客体(如器件、电路或环境对被测对象的影响:某些被
11、测对象客体(如器件、电路或系统)的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感,因此,原系统)的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感,因此,原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。环境对仪器系统的影响:环境可能直接或间接地影响到仪器系环境对仪器系统的影响:环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性,进而影响测量结果,造成测量误差。统本身的某个工作特性,进而影响测量结果,造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽,而内部的元器件数目特别是某些测量器具的量程广、频段宽,而内部的元器件数目甚多,且对外界影响相当敏感,错综复杂的影响量所
12、产生的不甚多,且对外界影响相当敏感,错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。良效应有时会成为测量的严重问题。环环境境对对测测量量人人员员的的影影响响:高高温温、严严寒寒、潮潮湿湿、闷闷气气、嘈嘈杂杂、照照明明不不适适当当等等不不良良工工作作环环境境,会会对对测测量量人人员员的的身身心心产产生生不不良良影影响响,从而引起不同程度的人身误差乃至差错。从而引起不同程度的人身误差乃至差错。海拔海拔温度温度湿度湿度测量误差的定义测量误差的定义 测量误差测量误差的基本概念的基本概念 测量的目的测量的目的:获得被测量的真值。获得被测量的真值。真值真值:在一定的时间和空间环境条件下,被测量本
13、身所在一定的时间和空间环境条件下,被测量本身所 具有的真实数值。具有的真实数值。测量误差测量误差:所有测量结果都带有误差所有测量结果都带有误差所有测量结果都带有误差所有测量结果都带有误差 。测量误差的来源测量误差的来源 (2)影响误差)影响误差 由于各种环境因素(温度、湿度、振动、电源电压、由于各种环境因素(温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等)与测量要求的条件不一致而引起的误差。电磁场等)与测量要求的条件不一致而引起的误差。(1 1)仪器误差)仪器误差 由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善,以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因不完善,以及仪
14、器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。素而使仪器带有的误差。测量误差的来源测量误差的来源 (3)理论误差和方法误差)理论误差和方法误差 由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。的误差。(4)人身误差)人身误差 由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因,而在测量中使用操劳、固有习惯、缺乏责任心等原因,而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。(5)测量对象变化误差:)测量对象
15、变化误差:测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准 确,如引起动态误差等。确,如引起动态误差等。测量误差的表示方法测量误差的表示方法 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。由测量所得到的被测量值与其真值之差,称为绝由测量所得到的被测量值与其真值之差,称为绝对误差,对误差,有大小,又有符号和量纲。有大小,又有符号和量纲。实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值 A A A A(高一级以上的(高一级以上的(高一级以上的(高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值)来代替
16、真值。测量仪器或计量器具测量所得之值)来代替真值。测量仪器或计量器具测量所得之值)来代替真值。测量仪器或计量器具测量所得之值)来代替真值。与绝对误差的绝对值大小相等,但符号相反的量与绝对误差的绝对值大小相等,但符号相反的量值,称为修正值值,称为修正值 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出,修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形出,修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。式。相对误差相对误差 一个量的准确程度,不仅与它的绝对误差的大小,一个量的准确程度,不仅与它的绝对误差的大小,而且与这个量本身的大小有关。而且与这个量本身的大小有关。相
17、对误差:绝对误差与被测量的真值之比相对误差:绝对误差与被测量的真值之比 实际相对误差实际相对误差 示值相对误差示值相对误差 相对真误差相对真误差 计量仪器的示值与被测量(约定)真值之差计量仪器的示值与被测量(约定)真值之差 计量的定义和意义计量的定义和意义 为使在不同的地方,用不同的手段测量同为使在不同的地方,用不同的手段测量同一量时,所得的结果一致,就要求一量时,所得的结果一致,就要求统一的单位、统一的单位、基准、标准和测量器具基准、标准和测量器具。计量的定量的定义测量标准的传递测量标准的传递 计量的定义和意义计量的定义和意义 u计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量的三个主要特征
18、是统一性、准确性和法制性。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动,如计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动,如计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动,如计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动,如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。理、测量方法及其手段的研究等。理、测量方
19、法及其手段的研究等。理、测量方法及其手段的研究等。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。确可靠的测量。计量是一种特殊形式的测量,它把被测量与国家计量部门作计量是一种特殊形式的测量,它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较,以确定合格与否,并给为基准或标准的同类单位量进行比较,以确定合格与否,并给出具有法律效力的出具有法律效力的检定证书检定证书。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。计量是测量的基础和依据。没有计量,也谈不上测量。没有计量,也谈不上测量。测量发展
20、的客观需要才出现了计量。测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。测量是计量应用的重要途径。没有测量,计量将失去价值没有测量,计量将失去价值计量和测量的联系计量和测量的联系 为了保证测量结果的准确性,必须定期对仪器进行检定和校准,为了保证测量结果的准确性,必须定期对仪器进行检定和校准,这个过程就是计量。这个过程就是计量。基准用来复现某一基本测量单位的量值,只用于鉴定各种量基准用来复现某一基本测量单位的量值,只用于鉴定各种量具的精度,不直接参加测量。具的精度,不直接参加测量。根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量
21、具或仪器,简称标准。或仪器,简称标准。检定:检定:是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较,以达到全面评定被检计量器具的计计量器具进行比较,以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的被检者的1/3到到1/10。比对:比对:在规定条件下,对相同准确度等级的同类基在规定条件下,对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较,其目的准、标准或工作计量器之间的量值进行比较,其目的是考核量值的一致性。是考核量值的一致性。校准:校准:校准是指被
22、校的计量器具与高一等级的计量标校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较,以确定被校计量器具的示值误差(有时也准相比较,以确定被校计量器具的示值误差(有时也包括确定被校器具的其他计量性能)的全部工作。包括确定被校器具的其他计量性能)的全部工作。量值的传递:量值的传递:指一个物理量单位通过各级基准、标准指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具,以保证量值统一的全过程。测量仪器、量具,以保证量值统一的全过程。例:以太阳为基准,时间测量的精确度例:以太阳为基准,时间测量的精确度1 1天内可达到天
23、内可达到1 1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过也不超过1 1秒。秒。如果时间测量精度不能突破百万分之一秒,目前如果时间测量精度不能突破百万分之一秒,目前如果时间测量精度不能突破百万分之一秒,目前如果时间测量精度不能突破百万分之一秒,目前的的的的GPSGPSGPSGPS系统将不可能应用系统将不可能应用系统将不可能应用系统将不可能应用?。一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平。学水平。北京时间从何而来?北京时间从何而来?中国的标准时间和授时中国的标准时间和授时 中国的标准时间和授
24、时中国的标准时间和授时 时间是一个基本物理量,任何一个大国都拥有自己时间是一个基本物理量,任何一个大国都拥有自己独立的,并力图保持同时代最好水平的时间标准和服独立的,并力图保持同时代最好水平的时间标准和服务系统。务系统。n 转动体的自由旋转地球自转(世界时,转动体的自由旋转地球自转(世界时,msms级)级)n 天体开普勒运动地球公转(历书时,精度不高)天体开普勒运动地球公转(历书时,精度不高)n 原子谐波振荡运动铯原子钟(原子谐波振荡运动铯原子钟(19671967年年1010月,国际月,国际时间标准)时间标准)中国的标准时间和授时中国的标准时间和授时 一个原子时秒的长度是铯原子跃迁振荡一个原子
25、时秒的长度是铯原子跃迁振荡一个原子时秒的长度是铯原子跃迁振荡一个原子时秒的长度是铯原子跃迁振荡9192631770919263177091926317709192631770周期所持续的时间,更长的时间单位由秒的累加而得。周期所持续的时间,更长的时间单位由秒的累加而得。周期所持续的时间,更长的时间单位由秒的累加而得。周期所持续的时间,更长的时间单位由秒的累加而得。(谐振频率(谐振频率(谐振频率(谐振频率f f f f9.192631770GHz9.192631770GHz9.192631770GHz9.192631770GHz,频率基准,频率基准,频率基准,频率基准)国际原子时由设在法国巴黎的
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