使用石英晶体振荡器注意事 项： •经常通电 •与上级频标校准 •只能作为二级频标
铷原子频率标准
原子频标：
有源式：铷脉泽，氢脉泽 无源式：Q值高的谐振腔
铷原子频标特点：
稳定度比晶振高1~2个数量级，体积小，重量轻，价格仅有铯频标 的一半； 铷泡R中，混有惰性气体，以减少铷原子碰撞，会引起频率f变动， 不容易测准； 铷原子的跃迁还稍受外磁场的影响； 仅能作二级频率标准
计数法
fx 微波混频器 fin 微波数字频率计
fs
频率 综合器 利用微波计数式频率计测量毫米波频率 利用这些改进方法，计数式频率计已容易达到40GHz。随 着取样器技术的发展，正向毫米波更高的频段发展。我们还 可以采用一种变通的测量方法，即利用毫米波基波或谐波混 频技术（外差变频），将毫米波频率变换到通用微波数字频 率计的测频范围进行测试。
频率测量特点
• • • • • • 动态性→稳定度 测量精度高 测量准确度高 应用范围广 自动化程度高 测量速度快
频率测量方法
方法：一般是将被测频率直接或间接地与标准 频率进行比较，可分为有源法和无源法两种。
有源法（比较法）：测量装置中包含有标准频率的 振荡源。 无源法（直接测量法）：将被测的信号频率与一个 可调谐的无源回路的自然频率进行比较，并以谐振 的出现作为频率相等的指示。例如谐振式波长计。
直接计数式频率计特点
• 信号波形 连续正弦波，非正弦波，脉冲波，甚至 可以是调制（调幅、调频）后的载波频率； • 对输入信号自动进行重复测量； • 只能到微波频率低端 当测量较高频率，计数时开 关翻转不过来，导致无法计数。
毫米波频率与波长测量
fx 微波混频器 fs fin 微波数字频率计
频率 综合器
nTx
Tx 则 1 12345678
因此 fx=12345678Hz
如选择闸门开放时间为1ms，如n不变，还是12345678，则
fx=12345678MHz
计数法
注意： 一台计数式频率计所能直接测量（计数）的最高频率上限既不取决于计数器位 数的多少，也不取决于闸门开放时间的长短，而是决定于最末一位数字（个 位）的十进制计数器的最高翻转速度。因此，目前采用此方案也仅能到微波 频率低端。
铯原子频率标准
利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时 辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电 子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳 定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到 500万年才相差 1 秒。现在国际上， 普遍采 用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准 铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先铯原子气 要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波 场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中 一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。 在真空管远端的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经 改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯 原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被 用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。 这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲
外差法
有源法 方法 无源法 计数法 微波谐振腔
间接比较 直接比较
有源法--外差法
fx 混频器 fs 外差振 荡器
低频 放大器
零差法： 测差法： 谐波零拍法：
差频输出
fd f x fs
f d 0, f x f s f d
mf x nf s 0, fx n fs m
标准频率源 将外来未知信号fx与本机的外差振荡器的准确已知频率fs一同加于混频 器，取差频fd=fx-fs。如果fs能够连续变化，则精确调节fs使fd=0，便知道fs=fx， 这个方法称“零差法” 或“零拍法”。
谐振腔
微波谐振器中电磁能量关系和集中参数LC谐振回路中能量 关系有许多相似之处，如图。
石英晶体振荡器
若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若 在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物 理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机 械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机 械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某 一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为 压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割 方式、几何形状、尺寸等有关。 高性能的晶体，大多数工作于5MHz，采用分频或倍频电路可以得到各 种频率输出，然而这样相位噪声将会有所增加。
时基相对误差±1/（闸门时间秒数×被测频率（赫兹））
计数法
该图中，由于一次计数为2个ns， 因此误差为±2ns，即10-9的数 量级。
由
10n Tx mTs
10n 因此 f x mTs
m为计数值，n由开关位置决定。 图中，Ts=2ns。
计数法
改进后，可以到 达微波频段，甚至到 mm波。方法是采用预 分频法、外差变频 法、频率置换法和 谐波外差式等。
谐振腔
微波谐振器又称作微波谐振腔，它广泛应用于微波信号源、微波滤波器 及波长计中。它相当于低频集中参数的 LC谐振回路，是一种基本的微波 元件。谐振腔是速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分。
微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其 上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此，微波谐振 器是具有储能与选频特性的微波元件。 微波谐振器可以定性地看作是由集中参数LC谐振回路过渡而来的，如图 所示。
石英晶体振荡器
采用LC振荡回路
Zin
正反馈放大 晶体盒
Yout
C0 Rq
Cq
Lq
分布电容
分布电容
一般晶体振荡器的频率稳定度： 长期频率稳定度—— 10-10~10-8/日 短期频率稳定度 < 10-11/S 石英晶体振荡器信号纯度：-130dBc offset 100Hz； -140dBc offset 1KHz。
m
1 m Ts fs
而在开放期间通过闸门的未知频率脉冲个数为n，则
因此
mTs nTx
Tx m Ts 或 n
fx
n fs m
则fx=nHz。
如取闸门开放时间
1s
电子计数器测频原理
计数脉冲形成电路
时间基准T产生电路
计数显示电路
计数法
在8位二进制计数器中，例如显示数字为：12345678（计数值n），即选中闸门开放时间为 =1S时，利用
瞬时相位：
时间的定义
频率的测量实际上是时间间隔的测量，其标准应该是时间“秒”
以前——平均太阳日的1/86400 现在—— 秒是铯-133原子基态的两个超精 细能级之间的跃迁所对应的辐射的 9192631770个周期的持续时间（1967年第13 届国际计量大会规定）。 以前——天文秒 现在—— 原子秒 一级频率标准：铯原子的上述跃迁，即成为时间标准，亦成为频率标准。由 于其稳定度高，规定为一级频率标准，成为国家或大地区、大单位的计量基 准。 二级频率标准：稳定度稍低，如采用高水平的石英晶体振荡器、稳定度更高 的铷原子频率标准。
秒的定义
石英晶体振荡器
石英晶体具有高度稳定的物理特性话化学特性，作为极高Q值的谐振电路，组 成高质量的频率标准。利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。
压电石英片 石英晶体 电极 支架
基本构成：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是 正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电 极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器， 简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、 陶瓷或塑料封装的。
闸门时间 的选择：应使8位数字均有显示。 闸门开和关的时间与首末一个信号脉冲到来的时间是没有相互时间配合的，因 此会造成最低一位计数有±1的误差。 因此，对于计数频率计总的误差可表示为： ±时基准确度±1个计数
例如，n=12345678，选择 =1S，则

fx=12345678Hz
±1Hz误差，最后的8Hz不能准确读出 相对测量精度可以表示为
利用微波计数式频率计测量毫米波频率
微波波段：采用闭式谐振腔测波长 毫米波： 采用有闭式、开式和干涉法
无源法测频率
利用微波谐振腔 各种谐振式波长计。 同轴谐振腔
类型Байду номын сангаас
圆柱形谐振腔
λ/2式
一般要求同轴线尺寸满足
同轴谐振腔
工作模式为 TEM模
λ/4式 电容加载式
min (
Dd ) 2
D、d分别代表同轴线内外导体直径；
信号频率的校准
采用前面介绍的四种频标组成鉴相器对压控晶体振荡器进行锁相 稳定，使压控晶体振荡器的输出信号达到所用频标的稳定度，然 后将此信号与被校准信号一同加到一个比相仪进行比较，比相仪 将记录一段时间内的累积相位差所对应的时间差，从而给出被校 准频率的相对误差并进行调校。
一般单位可能没有以上频率标准，因此可以采用一种简单易行的 方法，即采用“电视彩色副载波传播的标准频率”进行校准。副 载波频率稳定度为5×10-12/30分钟，它是由中央电视台发布的， 用铯原子频标直接控制频率合成器产生的。
微波信号频率及波长测量
频率定义
• 频率是周期性信号的主要参量之一，也是微波信号源的两大要素之一。 它是微波测量中常常需要搞清楚的一个参量，而且也是最容易被准确 测量的一个参量。 • 频率是周期的倒数，即每秒中振荡的周期数
频率： f=1/T（Hz） 角频率： ω=2π/T= 2πf(rad/s) 瞬时角频率：ω(t)=dψ/dt 瞬时频率： f(t)= dψ/2 π dt