微波信號頻率檢測技術的研究進展

楊 國

（滁州學院，安徽 滁州 239000）

1 外差法

外差法，也稱差頻法，是利用模擬電路獲得被測信號和標準信號的差頻結果，進而間接測量被測信號的頻率，被測信號?x與標準信號?s疊加后加到非線性元件上混頻，可產(chǎn)生大量高次諧波，其中包含了它們自身的各次諧波和其組合頻率諧波 m?x±n?s（m、n是整數(shù)）。經(jīng)帶通濾波器后，取出某一個差頻組合頻率諧波即得到了一路低頻信號，利用計算器即可測量該信號的頻率，并與標準信號相加得到被測信號頻率。為了確定組合頻率諧波的參數(shù)m和n，差頻法測量系統(tǒng)中必須有相應的輔助電路。外差法測量誤差主要取決于標準信號頻率的精度。系統(tǒng)混頻部分的輸出總是信號的整數(shù)倍諧波，因此只要能夠準確判斷諧波次數(shù)m和n就基本沒有誤差。

2 計數(shù)法

常用的數(shù)字頻率測量方法有M法（測頻法）、T法（測周法）、M/T法（測頻+測周法）。M 法是在給定的閘門時間內測量被測信號的脈沖個數(shù)，進行換算得出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于閘門時間和被測信號的頻率。所以這種方法比較適合測量高頻信號的頻率。T法是在被測信號的單個周期內，測量標準頻率信號的周期數(shù)，經(jīng)過換算得到被測信號的頻率。這種測量方法的精度取決于被測信號的周期和計時精度，當被測信號的頻率較高時，對計時精度的要求就很高。這種方法比較適合測量較低頻率的信號。M／T法具有以上兩種方法的優(yōu)點，可兼顧低頻與高頻信號，提高了精度。它的核心思想是通過閘門時間與被測信號同步，將閘門時間控制為被測信號周期的整數(shù)倍。

由于受到器件最高運行速度的限制，直接利用計數(shù)器測量頻率，其測量范圍有限。為了擴大微波計數(shù)器測量頻率的范圍，很多采樣技術得到了應用。目前，在測試儀器設計中廣泛應用的采樣方法有以下幾種：預定標法、外差下倍頻法、置換振蕩法和外差諧波下倍頻法。

3 諧振法

3.1 利用RLC串、并聯(lián)電路的諧振特性

電感、電容、電阻的串聯(lián)、并聯(lián)網(wǎng)絡具有諧振特性，利用這種特性可以將頻率轉化為電感、電容的參數(shù)來間接測量頻率。諧振法測頻范圍為0.5～1500MHz，準確度為±(0.25～1)%。諧振法測頻的誤差來自于電感、電容的參數(shù)誤差，受環(huán)境溫度、濕度以及可調元件磨損等因素變化的影響。電路在諧振點附近時電流的變化很小，不容易找到真正的諧振點，存在讀數(shù)誤差。

3.2 利用諧振腔的選頻特性

廣義而言，凡是能夠限定電磁能量在一定體積內振蕩的結構都可以構成微波諧振腔。微波諧振腔一般是在任意形狀的電壁或磁壁所限定的體積內產(chǎn)生微波電磁振蕩的結構，它是一種具有儲能和選頻特性的微波諧振原件。微波諧振腔測頻的精度取決于腔體的Q值、腔體的尺寸精度、負載影響及環(huán)境影響。

3.3 利用梁結構或者晶振結構的固有頻率進行諧振測量

利用梁結構的諧振特性實現(xiàn)頻率檢測也是比較常見的方法。利用機械結構諧振響應的高Q值，采用MEMS梁結構實現(xiàn)，通過對MEMS梁所加驅動信號的不同，實現(xiàn)傳輸信號頻率的檢測。

4 比相法

比相法是應用較廣的一種瞬時測頻技術，其中心思想是把信號的頻率信息轉換成相位信息，根據(jù)相位所對應的幅度信息推算出信號的頻率。比相法實現(xiàn)瞬時測頻可以達到優(yōu)于1MHz的測量精度。此方法設計的頻率檢測器設計和調試相對簡單、反應快和相對精確，所以現(xiàn)在仍在引用。

5 結論

前文介紹了四種應用較為廣泛的微波頻率檢測方法，現(xiàn)總結如下：

（1）外差法測量誤差主要取決于標準信號頻率的精度。在標準信號頻率精度很高的情況下，測量頻率的誤差很小，一般可以優(yōu)于10-5量級，靈敏度非常高，最低可測信號電壓達0.1～1UV，可以測量很微弱的信號。由于微波信號本身很可能帶有諧波，而且信號頻率經(jīng)過混頻器之后也很容易產(chǎn)生諧波，容易混淆對測量結果的判定，這是外差法的主要缺點。此外，外差法頻率檢測器電路比較復雜。同時，由于外差法頻率檢測器的連續(xù)可變振蕩器在頻率穩(wěn)定性和刻度精確性有所欠缺，在微波頻率的瞬時測量中精度不夠。

（2）計數(shù)法是借助電子計數(shù)器，利用測周、測頻和測周+測頻的等基本原理實現(xiàn)頻率精確測量的方法。由于標準時鐘信號與被測信號不相關，在硬件上無法控制兩路信號同步，因此在實際測量中總存在計數(shù)值為“±1”的計數(shù)誤差，為了消除提高測量精度，可以采用多周期同步測頻法；模擬內插法；游標內插法；平均法等方法。由于受到器件最高運行速度的限制，直接利用計數(shù)器測量頻率，其測量范圍有限，可以采用預定標法、外差下倍頻法、置換振蕩法和外差諧波下倍頻法等來提高其在微波領域的應用。但是計數(shù)法由于需要借助單片機、CPLD、FPGA和嵌入式等硬件設備，電路較為龐大，不適應系統(tǒng)小型化的頻率測量趨勢。

（3）諧振法測頻主要通過諧振電路、諧振腔和MEMS梁的諧振特性來進行選頻，這種方法設計的頻率檢測器的可測帶寬都比較窄，需要設計可調諧的設計結構對寬帶頻率進行檢測，或者使用多頻率點的并行結構進行多頻率點檢測。同時，頻率檢測器何時處于真正的諧振點比較難以判斷，這會導致一定的測量誤差。最后，諧振式檢測器的固有頻率都不太高，難以適用于更高的微波頻段。

（4）比相法是應用較廣的一種瞬時測頻技術，原理比較簡單，通過把信號的頻率信息轉換成相位信息，根據(jù)相位所對應的幅度信息推算出信號的頻率。具有測頻范圍寬、響應時間短、測頻速度快、最小可測脈寬窄等優(yōu)點，同時易于與MEMS技術的集成，能適應當前系統(tǒng)小型化的要求。但它的最大缺點就是測頻精度難以做得很高，這與鑒相器的鑒相誤差、延遲線的長度等緊密相關。

[1]周柯.微波介質檢測系統(tǒng)的研究與設計[D].桂林：電子科技大學, 2009.

[2]孫杰.微波功率自動檢測系統(tǒng)研究[D].桂林：電子科技大學,2013.