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Case 射频微波技术教学实验系统

射频微波技术教学实验系统

Date: 2017-11-21
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一、 系统概述

射频微波技术教学实验系统包括射频微波仪器、射频微波教学实验箱、主控计算机三部分组成,实物图如图1所示。是一套用于开展仪器操作使用实验、射频微波基础部件测试实验、信号发生与分析实验、信号链路幅频特性实验、信号频域测量实验、信号频域测量实验的应用型教学实验系统,满足高校加强实践教学和卓越工程师计划的教学需求。

 射频微波技术教学实验系统

图1 射频微波技术教学实验系统组成图

根据微波与电磁场相关专业的教学实验需要,本系统设计目标是能够开展0.01~1GHz频段内各种常用射频微波基础部件功能与参数测试实验、信号链路幅频特性实验;并开展0.01~3GHz频段内信号发生与分析实验、信号频域测量实验、信号频域测量实验。使学生通过实验学习加强对射频微波相关基础知识的正确理解,掌握射频微波部件原理及其在工程技术中的作用,熟悉射频微波测量仪器的工作原理、功能及其正确使用方法,为推进卓越工程师计划、使优秀学生成长为卓越工程师打下坚实的实践基础。

二、 系统特点

(1)实用性

射频微波测量仪器是科学技术研究和工程应用的基础,认识并熟练掌握测量仪器使用操作是顺利开展技术研究和工程应用的必经之路,通过射频微波教学实验,可加速优秀学生成长为卓越工程师。

(2)专业性、实践性

射频微波实验箱发射通道信号采用DDS、频率合成、倍频、调制等多种方式产生,接收通道主体基于超外差接收通道设计,通过部件组合可复现信号发射与接收流程,具有很强的专业性和工程实践性,可加深学生对射频微波部件在工程系统中应用的理解。

(3)部件结构和功能独立性

实验箱部件采用模块化设计,每个部件在结构和功能上相互独立,通过独立地开展部件测试实验,可加深学生对射频微波部件、信号系统的深入理解。

(4)发射、接收通道部件信号关联性

发射与接收通道部件在保持功能独立性的同时,每个部件具有相互关联性,通过部件组合开展组件测试实验,可加深学生对射频微波系统各部分之间相关性的理解。

(5)部件种类齐全、实验内容丰富

实验箱部件种类齐全,涵盖了常用的有源、无源部件多,实验内容丰富,知识覆盖面广。

(6)部件拆卸方便

独立部件采用螺钉装配结构,拆卸方便,有利于开展课程设计和创新性实验。

三、 主要功能与技术参数

3.1 主要功能

射频微波技术教学实验系统的功能是开展0.01~3GHz频段内各种常用射频微波部件功能与参数测试实验、信号发生与分析实验、信号链路幅频特性实验、信号频域测量实验、信号频域测量实验。

3.2系统配置及主要技术参数

射频微波技术教学实验系统完整的配置包括射频微波仪器、射频微波教学实验箱和主控计算机,其中仪器主要有信号源、频谱分析仪、矢量网络分析仪(含校准件)、示波器、功率计、噪声系数分析仪,优化的配置建议配置前四种仪器,即可完成绝大部分的实验项目。主要技术参数如表1所示。

表1 射频微波技术教学实验系统配置清单(单套)

序号

名称

型号

描述

数量

备注

1

矢量网络分析仪

AV36580A

频率范围:300kHz~3GHz

1台

41所

3.5mm校准件

AV31121A

频率范围:DC~6GHz

1套

41所

2

信号源

AV1441A

频率范围:10MHz~3GHz

1台

41所

3

频谱分析仪

AV4037MB

频率范围:10kHz~6.8GHz

1台

41所

4

数字示波器

AV7102

带宽:100MHz,采样率1GSa/s

1台

41所

5

射频微波教学实验箱

AV6532

频率范围:1MHz~1GHz

1套

41所

6

测试电缆N/SMA-JJ


频率范围:DC~12.8GHz

2根

41所

7

主控计算机

——

主流配置

1套

外购

 

3.3 射频微波实验箱配置及主要技术参数

射频微波实验箱配置了二十余种各种常用部件或组件,并配置了实验工具件,以保证实验的开展。实验箱详细配置及主要技术参数见表2。

表2 射频微波实验箱部件配置及主要技术参数

序号

实验箱详细配置

主要技术参数

数量

备注

1、 接

收通道部件

30dB程控步进衰减器

1MHz~1GHz

1件


低通滤波器1

截止频率1GHz

1件


上变频器

中频1810.7MHz

1件


中频放大器

1810.7MHz

1件


中频滤波器

1810.7MHz带通

1件


下变频器及中频组件1

370.7MHz带通

1件


下变频器及中频组件2

10.7MHz带通

1件


VCO集成锁相振荡器1

1811.7MHz~2810.7MHz

1件


本振放大器

1811.7MHz~2810.7MHz

1件


低通滤波器2

截止频率3GHz

1件


VCO集成锁相振荡器2

输出信号:1440MHz/360MHz

1件


本振放大滤波组件1

1440MHz带通

1件


本振放大滤波组件2

360MHz带通

1件


10MHz晶振


1件


2、 发

射通道部件

VCO

200MHz~500MHz

1件


锁相环

——

1件


/N分频器

分频比:2~30

1件


DDS

1MHz~200MHz

1件


2倍频器


1件


电调衰减器

50MHz~1000MHz

1件


脉冲调制器

脉宽、周期可调

1件


PIN调制器


1件


可调带通滤波器

200MHz~500MHz

1件


3、 其

它通用部件

功率分配器

DC~3000MHz

1件


定向耦合器

2300MHz~2500MHz

1件


环形器

1000MHz~1200MHz

1件


移相器

DC~2000MHz

1件


匹配负载

DC~3000MHz

1件


开路器

DC~3000MHz

1件


短路器

DC~3000MHz

1件


失配负载

1500MHz

1件


同轴检波器

频率范围:10MHz~4000MHz

1件


4、 配件

电源适配器


1个


三芯电源线


1根


3.5mm力矩扳手


1件


无感起子


1件


实验作业指导书


2本


实验箱安装光盘


1张

软件

 四、 系统方案及实验室建设方案

4.1系统方案

射频微波测量仪器是教学实验系统的基础硬件设备,也是开展射频微波实验箱部件测试实验、信号发生与分析测试实验及构建专业技术教学实验系统开展相应的专业技术教学实验的必要条件。

射频微波实验箱主体按信号发生、信号接收流程采用开放式模块化部件设计,同时体现出部件的独立性及各部件在信号发射与接收系统中的关联性,使教学实验从独立部件实验自然过渡到信号收发系统实验,使实验教学与工程实践紧密结合。

通过组合信号源、频谱分析仪和示波器,开展仪器操作使用实验、信号发生与分析实验、信号频域测量实验、信号频域测量实验的教学实验系统;通过组合射频微波仪器和射频微波教学实验箱,开展射频微波部件测试实验、信号链路幅频特性实验。

主控计算机是射频微波技术教学实验系统的主控中心及教学实验管理中心。它通过USB接口控制AV6532射频微波教学实验箱,并用于记录测试数据、管理教学实验课件及实验作业指导书等教学实验资源。

4.2射频微波实验箱方案

AV6532射频微波实验箱基于射频收发系统按信号收发流程设计,如图2所示。具有模块独立性测试功能、链路测试功能、信号发生和频谱还原功能,将信号发生技术、信号发射与接收技术、频谱还原技术贯穿于射频微波教学实验中,使教学实验从最基本的部件实验自然过渡到信号发射与接收系统、信号幅频特性分析的深层次学习和理解。

射频微波技术教学实验系统

图2 射频微波教学实验箱原理框图

4.3 实验室建设方案

教学实验室建设根据学生规模不同,需求的实验设备数从几套(台)到十几套(台)甚至更多不等。完整的射频微波实验室建设方案为每一个实验台配置射频微波仪器一套(信号源、频谱仪、矢网、示波器各一台)和射频微波实验箱一台,同时开展相同实验项目。考虑到射频微波仪器价格较高,为减少实验室建设投入,并充分利用射频仪器,建议每两个实验台配置一套射频微波仪器(信号源、频谱仪、矢网、示波器各一台)和两台射频微波实验箱,同一时间段分组交替开展信号发生与频谱分析、部件传输反射两大类实验,如图3所示。


射频微波技术教学实验系统 

图2 射频微波教学实验室分组布局图

采用这种配置方案既可大幅缩减实验室建设的资金投入,也可提高昂贵的射频仪器的利用率,这样可使仪器设备资源节省一半,即配置5套仪器和10个射频微波实验箱可组建10个实验台,同时开展10组学生实验。

4.4 射频微波技术教学实验配置方案

射频微波技术教学实验系统教学实验方案分两大部分,一部分是仪器使用操作实验部分,主要为使学生认识并熟悉掌握射频微波测量仪器的使用方法;另一部分为部件测试实验,旨在让学生通过部件测试实验认识各种部件,了解各种部件的性能参数、参数测试方法及其在信号系统中的作用。

4.4.1仪器使用操作及测试实验方案

设置合理的射频微波教学实验,使学生通过实验过程掌握射频微波技术相关理论知识,同时熟悉并掌握射频微波仪器的使用操作方法,为学生毕业后的职业选择铺平道路,并为其职业生涯的科学研究或工程应用打下坚实的基础。射频微波仪器操作测试实验项目见表3。

表3 射频微波仪器操作测试实验项目

序号

仪器操作实验项目配置

备注

1、 仪器操作基础实验

单频信号发生

需配信号源

矢量网络分析仪校准实验

需配矢网

频谱分析仪校准实验

需配频谱仪

信号频谱分析实验

信号波形分析实验

需配示波器

示波器校正与自检实验

功率计归零与校准实验

需配功率计

噪声仪校准实验

需配噪声仪

2、 仪器操作进阶实验

扫频信号发生与频谱测量实验

需配信号源和频谱仪

调幅信号发生与解调测量实验

调频信号发生与解调测量实验

脉冲射频发生与解调测量实验

谐波失真测量实验

交调失真测量实验

1-dB压缩点测量实验

相位噪声测量实验

网络反射参数测量实验

需配矢网

网络传输参数测量实验

信号相对对功率测量实验

需配频谱仪

信号绝对功率测量实验

需配功率计

频谱仪本机噪声系数测量实验

需配频谱仪

4.4.2射频微波实验箱实验方案

部件测试实验在射频微波实验箱中开展,通过部件测试实验不仅可使学生认识各种部件,了解其性能参数、参数测试方法及其在信号系统中的作用,同时可提高学生对射频微波测量仪器的使用能力和微波及电磁场、信号系统的理解能力。本教学实验系统可开展的部件测试实验项目见表4.

表4 射频微波基础部件测试实验项目

教学系统射频微波实验箱实验项目配置

备注

3、 接收通道部件实验

30dB程控步进衰减器实验


低通滤波器实验


上变频器实验


放大器实验


带通滤波器实验


下变频器及中频组件实验


集成锁相VCO振荡器实验


本振放大器实验


本振放大滤波组件实验


10MHz晶振实验


4、 发射通道部件实验

VCO及锁相环实验


/N分频器实验


DDS实验


2倍频器实验


电调衰减器实验


脉冲调制器实验


PIN调制器实验


跟踪预选/可调带通滤波器实验


5、 其它通用部件实验

功率分配器实验


定向耦合器实验


环形器实验


移相器实验


匹配负载实验


开路器实验


短路器实验


失配负载实验


同轴检波器实验


6、 超外差接收实验

接收通道信号上变频实验


接收通道信号下变频实验


超外差接收通道实验


7、 发射通道实验

信号发射通道实验


AM信号发射实验


脉冲调制信号发射实验


发射信号功率测量实验


8、 常用工程测量实验

谐波失真测量实验


交调失真测量实验


1-dB压缩点测量实验


相位噪声测量实验


脉冲射频测量实验


调幅信号测量实验


 

4.5 环境适应性要求

射频微波技术教学实验系统中所用仪器设备主要为实验室设备,为了保证系统稳定工作,同时得到稳定精确的测量结果,建议在稳定的温湿度环境下进行测试,并要求采用稳定的电源网络供电。仪器设备总功耗小于1500W,建议选择交流净化电源供电,输出功率大于5000VA,输出电压净化能力要求为220V±10%。系统工作的理想环境为温度23±3℃、相对湿度30%~70%。

五、 进度

射频微波技术教学实验系统进度如表3所示,进度的主要取决于射频微波仪器设备的生产进度和射频微波实验箱的生产进度,在系统所有实验仪器设备齐套的情况下,预计调试时间在1个月左右。

表3关键整部件时间进度

时间进度

主要整部件

(合同签订后第X个月)

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

AV36580A矢网








AV31121A校准件








AV1441A信号源








AV4037MB频谱分析仪








AV7102数字示波器








AV6532射频微波实验箱








电缆、连接器








调试








 六、 配置清单

本系统应用对象为开展0.01~1GHz频段内各种常用射频微波部件功能与参数测试实验、信号链路幅频特性实验;并开展0.01~3GHz频段内信号发生与分析实验、信号频域测量实验、信号频域测量实验。建议按单套设备配置两个实验箱分组交替开展实验的方案,完成上述教学实验项目所需要用到的仪器清单见表4所示。

表4 射频微波技术教学实验系统详细配置

序号

仪器名称

型号

数量

1

矢量网络分析仪

AV3656A

1台

2

3.5mm校准件

AV31121A

1套

3

信号源

AV1442A

1台

4

频谱分析仪

AV4037B

1台

5

数字示波器

AV7102

1台

6

射频微波实验箱

AV6532

2台

7

N/SMA-JJ低损耗电缆

——

2对

8

主控计算机

主流配置

2台

七、 风险评估

射频微波技术教学实验系统的主要风险是时间进度,由于仪器和实验箱内部所用元器件需外购、印制电路板需外协加工,其供货或加工周期存在一定不确定度,仪器和实验箱需在元器件到货、印制板加工回所后进行生产调试,因此将对教学实验系统供货期造成一定风险。

八、 四十一所技术保障

中国电科41所隶属中国电子科技集团公司,是国内唯一的专业化电子测量仪器研究所,主要从事微波毫米波、光电、通信、通用基础等专业门类的中高端电子测量仪器、综合电子与自动测试系统等技术保障新装备以及宽带微波毫米波功能部件、组件等装备专用关键功能单元的研发和生产,是目前国内规模最大、产品系列最全的电子测量仪器研制生产单位,是打破西方技术封锁、实现电子测量仪器和综合电子与自动测试系统自主保障以及推动民族电子测量仪器产业化发展的主要依靠力量,为关键电子元器件、材料以及电子信息装备的研制、生产以及全寿命维护提供测试技术手段与重要支撑。

在集团公司等上级主管部门的大力支持下,中国电科41所科研条件逐步得到改善,在微波毫米波测试仪器几个门类都取得了丰硕的成果。矢量网络分析仪,频谱分析仪、合成扫频信号源、噪声系数分析仪、功率计等六大仪器门类已实现系列化和标准化,并取得经济效益和社会效益的双丰收。同时,在综合电子与自动测试领域,中国电科41所多年来潜心研究先进综合电子与自动测试技术,在技术体系架构、关键组成技术攻关等方面取得长足进步,整体水平已跻身国际先进行列,同时积极实施向产品化、工程化的应用推广转化,已在航天、航空、船舶、电子等诸多测试应用领域为用户提供上百套的各型自动综合测试系统产品,具有丰富的技术积淀,并且可以为用户提供包含设备选型、设计、集成、调试等“一揽子”服务的“交钥匙”工程。

中国电科41所拥有先进的仿真与设计手段,包括CST Microwave Office微波工作室、Ansoft HFSS三维高频结构电磁仿真软件、Ansoft Hamonic 射频微波电路设计分析系统、Ansoft Ense mble两维半电路仿真软件、Ansoft Serenade微波电路设计软件、Mentor Graphic 原理图设计、Altium Designer/Cadence电路设计软件、CAD机械设计软件(含三维立体仿真)、高速PCB设计、热设计、信号完整性分析、电路仿真与优化等EDA开发设计软件、可编程逻辑器件的开发仿真软件和DSP开发软件以及微处理器开发系统和嵌入式开发系统,能够进行系统、整机级的技术指标设计仿真与分解实施,直至整部件级的各种射频、微波、有源、无源、模拟、数字电路的设计、分析、仿真和优化;中国电科41所拥有先进的加工设备,包括引进成套的高性能数控精密加工设备、微组装设备、专用特殊焊接设备、完整的SMT设备和在线测试设备,为各种射频/微波器件、结构件的精密加工以及射频/微波器件、电路板的焊接、组装等工艺提供了可靠的保障;中国电科41所是“电子测试技术重点实验室”、“国防科技工业光电子计量一级站”的挂靠单位,拥有配套先进的测试与计量手段,拥有包含美国Agilent、Tek、德国R&S、日本Anritsu等公司和中国电科41所在内的主流生产厂商的诸多高性能测试仪器以及数十套各类型先进的环境试验设备,为设计开发及实验的测试验证提供全面的保障手段。

综上所述,中国电科41所拥有的先进设计手段、规模化的生产加工中心、坚实的专业技术研发基础、丰富的专业技术经验保障、专业的技术人才队伍和用户至上的专业服务精神,能够为本项目的顺利研发与交付应用提供重要支撑。我们始终以提高中国测量仪器和综合电子与自动测试系统的水平、最大限度满足用户的需求为己任,坚持“创技术新、质量高、服务好、价格低的品牌产品”的宗旨,与各界同仁友好合作,共求发展。

 

 


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