微波信号频率检测技术的研究进展

杨 国

（滁州学院，安徽 滁州 239000）

1 外差法

外差法，也称差频法，是利用模拟电路获得被测信号和标准信号的差频结果，进而间接测量被测信号的频率，被测信号ƒx与标准信号ƒs叠加后加到非线性元件上混频，可产生大量高次谐波，其中包含了它们自身的各次谐波和其组合频率谐波 mƒx±nƒs（m、n是整数）。经带通滤波器后，取出某一个差频组合频率谐波即得到了一路低频信号，利用计算器即可测量该信号的频率，并与标准信号相加得到被测信号频率。为了确定组合频率谐波的参数m和n，差频法测量系统中必须有相应的辅助电路。外差法测量误差主要取决于标准信号频率的精度。系统混频部分的输出总是信号的整数倍谐波，因此只要能够准确判断谐波次数m和n就基本没有误差。

2 计数法

常用的数字频率测量方法有M法（测频法）、T法（测周法）、M/T法（测频+测周法）。M 法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号的频率。所以这种方法比较适合测量高频信号的频率。T法是在被测信号的单个周期内，测量标准频率信号的周期数，经过换算得到被测信号的频率。这种测量方法的精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号的频率较高时，对计时精度的要求就很高。这种方法比较适合测量较低频率的信号。M／T法具有以上两种方法的优点，可兼顾低频与高频信号，提高了精度。它的核心思想是通过闸门时间与被测信号同步，将闸门时间控制为被测信号周期的整数倍。

由于受到器件最高运行速度的限制，直接利用计数器测量频率，其测量范围有限。为了扩大微波计数器测量频率的范围，很多采样技术得到了应用。目前，在测试仪器设计中广泛应用的采样方法有以下几种：预定标法、外差下倍频法、置换振荡法和外差谐波下倍频法。

3 谐振法

3.1 利用RLC串、并联电路的谐振特性

电感、电容、电阻的串联、并联网络具有谐振特性，利用这种特性可以将频率转化为电感、电容的参数来间接测量频率。谐振法测频范围为0.5～1500MHz，准确度为±(0.25～1)%。谐振法测频的误差来自于电感、电容的参数误差，受环境温度、湿度以及可调元件磨损等因素变化的影响。电路在谐振点附近时电流的变化很小，不容易找到真正的谐振点，存在读数误差。

3.2 利用谐振腔的选频特性

广义而言，凡是能够限定电磁能量在一定体积内振荡的结构都可以构成微波谐振腔。微波谐振腔一般是在任意形状的电壁或磁壁所限定的体积内产生微波电磁振荡的结构，它是一种具有储能和选频特性的微波谐振原件。微波谐振腔测频的精度取决于腔体的Q值、腔体的尺寸精度、负载影响及环境影响。

3.3 利用梁结构或者晶振结构的固有频率进行谐振测量

利用梁结构的谐振特性实现频率检测也是比较常见的方法。利用机械结构谐振响应的高Q值，采用MEMS梁结构实现，通过对MEMS梁所加驱动信号的不同，实现传输信号频率的检测。

4 比相法

比相法是应用较广的一种瞬时测频技术，其中心思想是把信号的频率信息转换成相位信息，根据相位所对应的幅度信息推算出信号的频率。比相法实现瞬时测频可以达到优于1MHz的测量精度。此方法设计的频率检测器设计和调试相对简单、反应快和相对精确，所以现在仍在引用。

5 结论

前文介绍了四种应用较为广泛的微波频率检测方法，现总结如下：

（1）外差法测量误差主要取决于标准信号频率的精度。在标准信号频率精度很高的情况下，测量频率的误差很小，一般可以优于10-5量级，灵敏度非常高，最低可测信号电压达0.1～1UV，可以测量很微弱的信号。由于微波信号本身很可能带有谐波，而且信号频率经过混频器之后也很容易产生谐波，容易混淆对测量结果的判定，这是外差法的主要缺点。此外，外差法频率检测器电路比较复杂。同时，由于外差法频率检测器的连续可变振荡器在频率稳定性和刻度精确性有所欠缺，在微波频率的瞬时测量中精度不够。

（2）计数法是借助电子计数器，利用测周、测频和测周+测频的等基本原理实现频率精确测量的方法。由于标准时钟信号与被测信号不相关，在硬件上无法控制两路信号同步，因此在实际测量中总存在计数值为“±1”的计数误差，为了消除提高测量精度，可以采用多周期同步测频法；模拟内插法；游标内插法；平均法等方法。由于受到器件最高运行速度的限制，直接利用计数器测量频率，其测量范围有限，可以采用预定标法、外差下倍频法、置换振荡法和外差谐波下倍频法等来提高其在微波领域的应用。但是计数法由于需要借助单片机、CPLD、FPGA和嵌入式等硬件设备，电路较为庞大，不适应系统小型化的频率测量趋势。

（3）谐振法测频主要通过谐振电路、谐振腔和MEMS梁的谐振特性来进行选频，这种方法设计的频率检测器的可测带宽都比较窄，需要设计可调谐的设计结构对宽带频率进行检测，或者使用多频率点的并行结构进行多频率点检测。同时，频率检测器何时处于真正的谐振点比较难以判断，这会导致一定的测量误差。最后，谐振式检测器的固有频率都不太高，难以适用于更高的微波频段。

（4）比相法是应用较广的一种瞬时测频技术，原理比较简单，通过把信号的频率信息转换成相位信息，根据相位所对应的幅度信息推算出信号的频率。具有测频范围宽、响应时间短、测频速度快、最小可测脉宽窄等优点，同时易于与MEMS技术的集成，能适应当前系统小型化的要求。但它的最大缺点就是测频精度难以做得很高，这与鉴相器的鉴相误差、延迟线的长度等紧密相关。

[1]周柯.微波介质检测系统的研究与设计[D].桂林：电子科技大学, 2009.

[2]孙杰.微波功率自动检测系统研究[D].桂林：电子科技大学,2013.