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1、电子测量原理电子测量原理本讲稿第一页，共六十三页10.1 线性系统频率特性测量线性系统频率特性测量u10.1.1 幅频特性测量幅频特性测量u10.1.2 扫频测量与扫频源扫频测量与扫频源u10.1.3 相频特性测量相频特性测量本讲稿第二页，共六十三页引引 言言u什么是线性系统的频率特性？什么是线性系统的频率特性？线性网络线性网络正弦信号正弦信号稳态响应稳态响应H(j)：频率响应频率响应 或频率特性或频率特性幅度幅度|H(j)|：幅频特性幅频特性相位相位()：相频特性相频特性u u频域中的两个基本测量问题频域中的两个基本测量问题频域中的两个基本测量问题频域中的两个基本测量问题信号的频谱分析：可由
2、频谱分析仪完成信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成线性系统频率特性的测量：可由网络分析仪完成线性系统频率特性的测量：可由网络分析仪完成本讲稿第三页，共六十三页10.1.1 幅频特性测量幅频特性测量点频测量法点频测量法线性系统频率特性的经典测量法线性系统频率特性的经典测量法 每每每每次次次次只只只只能能能能将将将将加加加加到到到到被被被被测测测测线线线线性性性性系系系系统统统统的的的的信信信信号号号号源源源源的的的的频频频频率率率率调调调调节节节节到到到到某某某某一一一一个个个个频频频频点点点点。依依依依次次次次设设设设置置置置调调调调谐谐谐谐到到到到各各各各指指指指定定定定频频频频点点点点上上上
3、上，分分分分别别别别测测测测出出出出各各各各点点点点处处处处的的的的参参参参数数数数，再再再再将将将将各各各各点点点点数数数数据据据据连连连连成成成成完完完完整整整整的的的的曲曲曲曲线线线线，从而得到频率特性测量结果。从而得到频率特性测量结果。从而得到频率特性测量结果。从而得到频率特性测量结果。所得频率特性是所得频率特性是所得频率特性是所得频率特性是静态静态静态静态的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；测测测测量量量量频频频频点点点点的的的的选选选选择择择择对对对对测测测测量量量量结结结结果果果果有有有有很很很很大大大大
4、影影影影响响响响，特特特特别别别别对对对对某某某某些些些些特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线的的的的锐锐锐锐变变变变部部部部分分分分以以以以及及及及失失失失常常常常点点点点，可可可可能能能能会会会会因因因因频频频频点点点点选选选选择不当或不足而漏掉这些测量结果。择不当或不足而漏掉这些测量结果。择不当或不足而漏掉这些测量结果。择不当或不足而漏掉这些测量结果。本讲稿第四页，共六十三页幅频特性扫频测量法幅频特性扫频测量法 频频率率源源的的输输出出能能够够在在测测量量所所需需的的范范围围内内连连续续扫扫描描，因因此此可可以以连连续续测测出出各各频频率率点点上上的的频频率率特特性性结结果果并立即显示特性曲
5、线。并立即显示特性曲线。优优优优点点点点：扫扫扫扫频频频频信信信信号号号号的的的的频频频频率率率率连连连连续续续续变变变变化化化化，扫扫扫扫频频频频测测测测量量量量所所所所得得得得的的的的频频频频率特性是率特性是率特性是率特性是动态动态动态动态频率特性，也不会漏掉细节。频率特性，也不会漏掉细节。频率特性，也不会漏掉细节。频率特性，也不会漏掉细节。不不足足：如如果果输输入入的的扫扫频频信信号号频频率率变变化化速速度度快快于于系系统统输输出出响响应应时时间间，则则频频率率的的响响应应幅幅度度会会出出现现不不足足，扫扫频频测测量量所所得得幅幅度度小小于于点点频频测测量量的的幅幅度度；电电路路中中LC
6、元元件的件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。本讲稿第五页，共六十三页两种幅频特性测量法的比较两种幅频特性测量法的比较u扫扫频频测测量量所所得得的的动动态态特特性性曲曲线线峰峰值值低低于于点点频频测测量量所所得得的的静静态态特特性性曲曲线线。扫扫频频速速度度越越快快，下下降降越越多；多；u动动态态特特性性曲曲线线峰峰值值出出现现的的水水平平位位置置（频频率率）相相对对于于静静态态特特性性曲曲线线有有所所偏偏离离，并并向向频频率率变变化化的的方方向
7、移动。扫频速度越快，偏离越大；向移动。扫频速度越快，偏离越大；本讲稿第六页，共六十三页u当当静静态态特特性性曲曲线线对对称称时时，随随着着扫扫频频速速度度加加快快，动动态态特特性性曲曲线线明明显显出出现现不不对对称称，并并向向频频率率变变化化的的方方向一侧倾斜；向一侧倾斜；u动动态态特特性性曲曲线线较较平平缓缓，其其3dB带带宽宽大大于于静静态态特特性性曲线的曲线的3dB带宽；带宽；u小小结结：测测量量系系统统动动态态特特性性，必必须须用用扫扫频频法法；为为了了得得到到静静态态特特性性，必必须须选选择择极极慢慢的的扫扫频频速速度度以以得得到到近似的静态特性曲线，或采用点频法。近似的静态特性曲线
8、，或采用点频法。两种幅频特性测量法的比较（续）两种幅频特性测量法的比较（续）本讲稿第七页，共六十三页10.1.2 扫频测量与扫频源扫频测量与扫频源基本工作原理基本工作原理扫频源的主要特性扫频源的主要特性扫频源的主要特性扫频源的主要特性获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法频率标记频率标记频率标记频率标记宽频段扫频方法宽频段扫频方法宽频段扫频方法宽频段扫频方法本讲稿第八页，共六十三页扫频源的基本工作原理扫频源的基本工作原理 能能产产生生扫扫频频输输出出信信号号的的频频率率源源称称为为扫扫频频信信号号发发生生器器或或扫扫频频信信号号源源，简简称称扫扫频频源源。它它
9、既既可可作作为为独独立立的的测测量量用用信信号号发发生生器器，又又可可作作为为频频率率特特性性测测量量类类仪仪器器的的前前端。端。本讲稿第九页，共六十三页 典型的扫频源应具备下列三方面功能：典型的扫频源应具备下列三方面功能：产生产生产生产生扫频信号扫频信号（通常是等幅正弦波）；（通常是等幅正弦波）；（通常是等幅正弦波）；（通常是等幅正弦波）；产生同步输出的产生同步输出的扫描信号扫描信号，可以是三角波、正弦波，可以是三角波、正弦波，可以是三角波、正弦波，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；或锯齿波等；或锯齿波等；或锯齿波等；产生同步输出的产生同步输出的产生同步输出的产生同步输出的频率标志频率标志频率
10、标志频率标志，可以是等频率间隔的通，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。扫频源的基本工作原理（续）扫频源的基本工作原理（续）本讲稿第十页，共六十三页扫频源的主要特性扫频源的主要特性 对扫频源通常的对扫频源通常的技术要求技术要求：在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳定，在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳定，以获得最大的动态范围；以获得最大的动态范围；调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定调频线性好，并有经过校正的频率标记，
11、以便确定频带宽度和点频输出；频带宽度和点频输出；频带宽度和点频输出；频带宽度和点频输出；为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和谐为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和谐波均应很小；波均应很小；扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节；扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节；扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节；扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节；频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。本讲稿第十一页，共六十三页 有效扫频宽度有效扫频宽度有效扫频宽度有效扫频宽度
12、扫频线性扫频线性扫频线性扫频线性输出振幅平稳性输出振幅平稳性扫频源的主要特性（续）扫频源的主要特性（续）f0：扫频输出中心频率：扫频输出中心频率f1：扫频起点；：扫频起点；f2：扫频终点：扫频终点k0：压控特性：压控特性f-V曲线的斜率曲线的斜率A1：寄生调幅最大幅度：寄生调幅最大幅度A2：寄生调幅最小幅度：寄生调幅最小幅度本讲稿第十二页，共六十三页获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法变容二极管电调扫频变容二极管电调扫频 常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适中、常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适中、常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适中、常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适中
13、、扫频速度较快；扫频宽度小，在宽带扫频时线性差，需扫频速度较快；扫频宽度小，在宽带扫频时线性差，需扫频速度较快；扫频宽度小，在宽带扫频时线性差，需扫频速度较快；扫频宽度小，在宽带扫频时线性差，需额外进行扫频线性补偿。额外进行扫频线性补偿。额外进行扫频线性补偿。额外进行扫频线性补偿。YIGYIG（钇铁石榴石钇铁石榴石）电调扫频电调扫频电调扫频电调扫频 常用于产生常用于产生常用于产生常用于产生GHzGHz以上以上以上以上频段的信号，利用下变频可实频段的信号，利用下变频可实频段的信号，利用下变频可实频段的信号，利用下变频可实现宽带扫频。可覆盖高达现宽带扫频。可覆盖高达现宽带扫频。可覆盖高达现宽带扫频
14、。可覆盖高达1010倍频程的频率范围，扫频线倍频程的频率范围，扫频线倍频程的频率范围，扫频线倍频程的频率范围，扫频线性好、损耗低、稳定性好。性好、损耗低、稳定性好。性好、损耗低、稳定性好。性好、损耗低、稳定性好。合成扫频源合成扫频源合成扫频源合成扫频源 实实实实际际际际上上上上是是是是一一一一种种种种自自自自动动动动跳跳跳跳频频频频的的的的连连连连续续续续波波波波工工工工作作作作方方方方式式式式，频频频频率率率率不不不不完完完完全连续变化，输出频率准确。全连续变化，输出频率准确。全连续变化，输出频率准确。全连续变化，输出频率准确。本讲稿第十三页，共六十三页频率标记频率标记 频频率率标标记记是是
15、扫扫频频测测量量中中的的频频率率定定度度 。产产生生频频标标的的基基本本方方法法是是差差频频法法，利利用用差差频频方方式式可可产产生生一一个个或或多多个个频频标标，频频标标的的数数目目取取决决于于和和扫扫频频信信号号混混频频的的基基准准频频率的成分。率的成分。所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高 频标幅度应基本一致、显示整齐频标幅度应基本一致、显示整齐 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要多种频标形式以满足不同的显示
16、和测量需要多种频标形式以满足不同的显示和测量需要多种频标形式以满足不同的显示和测量需要 电路时延尽可能小以减小频率定度误差电路时延尽可能小以减小频率定度误差电路时延尽可能小以减小频率定度误差电路时延尽可能小以减小频率定度误差本讲稿第十四页，共六十三页频率标记（续）频率标记（续）菱形菱形菱形菱形频标频标频标频标 利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为基准利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为基准利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为基准利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖脉冲，再频率进行限幅、
17、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖脉冲，再频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖脉冲，再频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖脉冲，再和扫频信号混频。和扫频信号混频。和扫频信号混频。和扫频信号混频。脉冲脉冲脉冲脉冲频标频标频标频标 由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并产生由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并产生由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并产生由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。宽度较菱输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。宽度较菱输出，整形
18、后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。宽度较菱输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。宽度较菱形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。线形线形线形线形频标频标频标频标 状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的频标形式。状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的频标形式。状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的频标形式。状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的频标形式。本讲稿第十五页，共六十三页宽频段扫频方法宽频段扫频方法u差频式宽频段
19、扫频差频式宽频段扫频 定定 频频振荡器振荡器扫频本振扫频本振低通低通滤波滤波宽带宽带放大放大宽带宽带输出输出 将将固固定定频频率率的的振振荡荡器器与与作作为为本本振振信信号号的的扫扫频频振振荡荡源源在在混混频频器器上上取取差差频频。只只要要使使定定频频振振荡荡器器的的输输出出电电平平远远小小于于扫扫频频本本振振的的电电平平，则则差差频频信信号号的的幅幅度度便便由由定定频频振振荡荡器器的的幅幅度度决定，扫频过程中差频幅度可基本保持不变。决定，扫频过程中差频幅度可基本保持不变。本讲稿第十六页，共六十三页宽频段扫频方法（续宽频段扫频方法（续1）u全基波多频段联合式扫频全基波多频段联合式扫频 本讲稿第
20、十七页，共六十三页全基波多频段联合式扫频全基波多频段联合式扫频 将频段相衔接的几个单频段基波扫频振荡器组件将频段相衔接的几个单频段基波扫频振荡器组件封装起来，用逻辑电路控制微波开关，因此可以任意封装起来，用逻辑电路控制微波开关，因此可以任意选用某个频段的振荡器输出，也可使几个振荡器依次选用某个频段的振荡器输出，也可使几个振荡器依次产生连续的输出频率，实现宽频带扫频。产生连续的输出频率，实现宽频带扫频。在在上上图图所所示示的的宽宽频频带带扫扫频频方方案案中中，多多个个输输出出频频率率相相接接的的YIG调调谐谐基基波波扫扫频频源源结结合合在在一一起起，由由控控制制信信号号通通过过PIN开开关关进进
21、行行选选择择、组组合合，按按需需提提供供单单频频段段或或多多频频段段联联合合的的扫扫频频输输出出。两两个个定定向向耦耦合合器器与与两两个个检检波波器器的组合用于对高、低频段稳幅信号取样。的组合用于对高、低频段稳幅信号取样。本讲稿第十八页，共六十三页宽频段扫频方法（续宽频段扫频方法（续2）u多倍频程宽带扫频多倍频程宽带扫频 以以较较宽宽频频带带的的基基波波扫扫频频振振荡荡器器为为基基础础，除除了了直直接接输输出出这这个个低低频频段段信信号号外外，还还可可将将它它加加到到可可选选倍倍率率n的的倍倍频频器器中中以以产产生生若若干干个个较较高高频频段段。基基波波回回路路与与倍倍频器是同时调谐的。频器是
22、同时调谐的。这这种种倍倍频频式式（谐谐波波式式）宽宽带带扫扫频频源源较较全全基基波波式式构构造造简简单单，但但在在高高频频段段输输出出时时可可能能夹夹杂杂来来自自低低频频段段的的部部分分谐谐波波频频率率寄寄生生信信号号；另另外外，倍倍频频之之后后的的信信号号寄生调频及噪声也随之倍增。寄生调频及噪声也随之倍增。本讲稿第十九页，共六十三页10.1.3 相频特性测量相频特性测量 测测量量线线性性系系统统的的相相频频特特性性时时，常常以以被被测测电电路路输输入入端端的的信信号号作作为为参参考考信信号号，输输出出端端信信号号作作为为被被测测信信号，所测的输入号，所测的输入/输出相位差就是电路的相频特性点
23、。输出相位差就是电路的相频特性点。输出相位差就是电路的相频特性点。输出相位差就是电路的相频特性点。相相相相位位位位测测测测量量量量同同同同样样样样可可可可采采采采用用用用点点点点频频频频或或或或扫扫扫扫频频频频法法法法以以以以获获获获得得得得相相相相频频频频特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线：扫扫扫扫频频频频法法法法所所所所得得得得的的的的相相相相频频频频特特特特性性性性主主主主要要要要是是是是被被被被测测测测网网网网络络络络的的的的相相相相位位位位和和和和时时时时延延延延特特特特性性性性的的的的动动动动态态态态测测测测量量量量；本本本本节节节节主主主主要要要要讨讨讨讨论论论论对对对对单单单单频
24、频频频点点点点上上上上的的的的网网网网络络络络时时时时延延延延特特特特性性性性和和和和相相相相位位位位差差差差进进进进行行行行点点点点频频频频测测测测量量量量，以以以以及及及及用用用用于于于于点点点点频频频频测测测测量量量量的的的的相相相相频频频频特特特特性性性性测测测测量量量量仪仪仪仪器器器器，常常见见的的有有如如低低频频段段的的模模拟拟式式相相位位计、数字式相位计，高频段的矢量电压表等。计、数字式相位计，高频段的矢量电压表等。本讲稿第二十页，共六十三页双稳型鉴相器双稳型鉴相器 也也称称双双稳稳型型鉴鉴相相器器，是是模模拟拟式式相相位位计计。采采用用“过过零零时时间间法法”实实现现相相位位差
25、差测测量量，即即测测量量两两个个同同频频信信号号波波形形的的同同向向过过零零点点之之间间的的时时间间间间隔隔并并与与被被测测信信号号周周期期相相比，从而得到相位差值。比，从而得到相位差值。本讲稿第二十一页，共六十三页数字式相位计数字式相位计 有有两两种种：相相位位-时时间间变变换换型型将将两两个个信信号号的的相相位位差差转转换换成成时时间间差差，再再用用计计数数器器测测量量该该时时间间间间隔隔；相相位位-电电压压变变换换型型将将相相位位差差转转换换成成相相应应的的电电压压值值，然然后后用用数字电压表完成测量。数字电压表完成测量。瞬瞬时时值值型型数数字字相相位位计计属属于于相相位位-时时间间变变
26、换换型型。由由于于被被测测信信号号在在传传输输过过程程中中的的干干扰扰会会直直接接影影响响计计数数门门的的开开启启和和关关闭闭时时间间，因因此此瞬瞬时时值值型型相相位位计计的的测测量量结结果果较较不不稳稳定定。可可以以采采用用多多次次测测量量求求平平均均的的办办法法以以提提高测量精度。高测量精度。本讲稿第二十二页，共六十三页瞬时值型数字相位计瞬时值型数字相位计 u u1 1作作作作为为为为参参参参考考考考的的的的信信信信号号号号在在在在通通通通道道道道1 1中中中中，用用用用作作作作计计计计数数数数门门门门的的的的启启启启动动动动信信信信号号号号。u u1 1、u u2 2间间间间的的的的相相
27、相相位位位位差差差差首首首首先先先先被被被被处处处处理理理理成成成成两两两两个个个个过过过过零零零零脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔 T T，其其其其中中中中由由由由u u1 1产产产产生的过零脉冲启动主计数门，由生的过零脉冲启动主计数门，由生的过零脉冲启动主计数门，由生的过零脉冲启动主计数门，由u u2 2产生的过零脉冲负责关闭计数门。产生的过零脉冲负责关闭计数门。产生的过零脉冲负责关闭计数门。产生的过零脉冲负责关闭计数门。若计数门的计数值为若计数门的计数值为N，则相位差的计算式为，则相位差的计算式为:本讲稿第二十三页，共六十三页矢量电压表矢量电压表 矢矢量量电电压压
28、表表是是一一种种能能同同时时测测量量信信号号幅幅度度和和相相位位的的测量仪器，本质上属于矢量网络分析仪。测量仪器，本质上属于矢量网络分析仪。本讲稿第二十四页，共六十三页矢量电压表（续）矢量电压表（续）矢矢量量电电压压表表较较多多采采用用的的相相频频特特性性测测量量方方法法是是脉脉冲冲触触发发式式。上上图图是是一一种种宽宽频频带带双双通通道道矢矢量量电电压压表表，其相位差测量范围为其相位差测量范围为-180o+180o。高高频频信信号号u1、u2分分别别加加到到两两个个取取样样头头变变换换为为固固定定的的中中频频信信号号，同同时时保保持持了了高高频频输输入入原原有有的的波波形形、幅幅度度及及信信
29、号号间间的的相相位位关关系系。取取样样后后的的中中频频信信号号经经过过带带通通滤滤波波器器进进行行电电压压幅幅度度测测量量，同同时时被被整整形形为为方方波波，然然后后进进入入双双稳稳态态触触发发型型相相位位计计中中实实现现相相位位测测量量。固固定定的的中中频频信信号号单单独独输输出出还还可可用用于于调调幅幅度度及及波波形形失失真真等参数的测量。等参数的测量。本讲稿第二十五页，共六十三页10.2 网络分析仪网络分析仪u10.2.1 网络分析的基本概念网络分析的基本概念u10.2.2 网络分析系统网络分析系统u10.2.3 反射参数测量反射参数测量u10.2.4 传输参数测量传输参数测量u10.2
30、.5 S参数的全面测量及误差修正参数的全面测量及误差修正本讲稿第二十六页，共六十三页10.2.1 网络分析的基本概念网络分析的基本概念网络分析概述网络分析概述网络分析概述网络分析概述微波网络微波网络微波网络微波网络S S参数参数参数参数S参数的流图表示及计算参数的流图表示及计算q网网络络对对实实际际物物理理电电路路和和元元件件进进行行的的数数学学抽抽象象，主主要研究外部特性。要研究外部特性。q网网络络分分析析在在感感兴兴趣趣的的频频率率范范围围内内，通通过过线线性性激激励励-响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程。响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程。q网网络络分分析析仪仪通通过过正
31、正弦弦扫扫频频测测量量获获得得线线性性网网络络的的传传递递函数以及阻抗函数的仪器。函数以及阻抗函数的仪器。q频频谱谱测测量量表表征征电电路路单单元元的的信信号号特特性性，而而网网络络测测量量表表征征电电路单元组成的系统特性。路单元组成的系统特性。本讲稿第二十七页，共六十三页网络分析概述网络分析概述u线性网络与非线性网络线性网络与非线性网络线线线线性性性性网网网网络络络络（系系系系统统统统）：仅仅仅仅改改改改变变变变输输输输入入入入信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度和和和和（或或或或）相相相相位，不会产生新的频率信号；位，不会产生新的频率信号；位，不会产生新的频率信号；位，不会产生新的频率
32、信号；非非线线性性网网络络（系系统统）：改改变变输输入入信信号号的的频频率率，或或产生其他频率成分。产生其他频率成分。网网络络分分析析总总是是假假定定被被分分析析网网络络是是线线性性的的，因因而而可可以以基基于于正正弦弦扫扫频频法法进进行行频频率率特特性性的的定定量量分分析析。非非线性网络通常使用频谱仪进行测量。线性网络通常使用频谱仪进行测量。本讲稿第二十八页，共六十三页网络分析概述（续）网络分析概述（续）u网络分析参数网络分析参数标量反射参数：标量反射参数：标量反射参数：标量反射参数：标量传输参数：标量传输参数：标量传输参数：标量传输参数：矢量反射参数：矢量反射参数：矢量反射参数：矢量反射参
33、数：矢量网络参数：矢量网络参数：矢量网络参数：矢量网络参数：矢量相位：矢量相位：矢量相位：矢量相位：品质因数品质因数品质因数品质因数QQ本讲稿第二十九页，共六十三页微波网络微波网络S参数参数 微微波波网网络络常常用用散散射射参参数数（S参参数数）表表示示。任任何何网网络络都都可可用用多多个个S参参数数表表征征其其端端口口特特性性，对对n端端口口网网络络需要需要n2个个S参数。参数。S10、S21、S12、S22：表表示示双双端端口口网网络络的的四四个个S参参数数，即散射参量。即散射参量。本讲稿第三十页，共六十三页微波网络微波网络S参数（续）参数（续）u散射方程散射方程u S S参数的物理意义参
34、数的物理意义参数的物理意义参数的物理意义b1、b2:端口端口1、2上的所有出射波上的所有出射波 a1、a2:端口端口1、2上的入射波上的入射波 S10:端口端口2匹配时端口匹配时端口1的反射系数的反射系数S21:端口端口2匹配时的正向传输系数匹配时的正向传输系数S22:端口端口1匹配时端口匹配时端口2的反射系数的反射系数S12:端口端口1匹配时的反向传输系数匹配时的反向传输系数本讲稿第三十一页，共六十三页S参数的流图表示及计算参数的流图表示及计算u 信流图信流图 使用节点代表信号，用支路和箭头代表信号及其使用节点代表信号，用支路和箭头代表信号及其流动的方向，并用支路旁标代表支路的传递函数即信流
35、动的方向，并用支路旁标代表支路的传递函数即信号大小。上图所示的双端口网络可用流图表示如下：号大小。上图所示的双端口网络可用流图表示如下：本讲稿第三十二页，共六十三页S参数的流图表示及计算（续参数的流图表示及计算（续1）u梅森（梅森（Mason）不接触环路法则）不接触环路法则T：信流图所代表的网络的增益或传输函数：信流图所代表的网络的增益或传输函数Tk：第：第k条路径上所有支路系数的乘积条路径上所有支路系数的乘积：信信流流图图行行列列式式，即即信信流流图图所所代代表表的的网网络络的的联联立立方方程程组的行列式组的行列式k：与第与第k条开路不接触的子信流图的行列式条开路不接触的子信流图的行列式 本
36、讲稿第三十三页，共六十三页S参数的流图表示及计算（续参数的流图表示及计算（续2）uu 信流图计算举例信流图计算举例信流图计算举例信流图计算举例 在双端口网络的端口在双端口网络的端口在双端口网络的端口在双端口网络的端口2 2上终接一个反射系数为上终接一个反射系数为上终接一个反射系数为上终接一个反射系数为 L L的负载：的负载：的负载：的负载：由梅森法则：由梅森法则：故有：故有：本讲稿第三十四页，共六十三页10.2.2 网络分析系统网络分析系统 网网络络分分析析仪仪是是通通过过测测定定网网络络的的反反射射参参数数和和传传输输参参数数，从从而而对对网网络络中中元元器器件件特特性性的的全全部部参参数数
37、进进行行全全面面描描述述的的测测量量仪器，用于仪器，用于实现对线性网络的频率特性测量实现对线性网络的频率特性测量。网网络络分分析析仪仪能能够够完完成成反反射射、传传输输两两种种基基本本测测量量，从从而而确确定几乎所有的网络特性，定几乎所有的网络特性，S参数是其中最基本的特性。参数是其中最基本的特性。标量网络分析仪标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；：只测量线性系统的幅度信息；矢矢量量网网络络分分析析仪仪：可可同同时时进进行行幅幅度度传传输输特特性性和和相相位位特特性性测测量。量。本讲稿第三十五页，共六十三页系统组成原理系统组成原理 基本的网络分析仪主要由信号源、基本的网络分析仪主要由信号
38、源、S参量测参量测量装置及矢量电压表组成。量装置及矢量电压表组成。本讲稿第三十六页，共六十三页信号源信号源：向被测网络提供入射信号或激励；：向被测网络提供入射信号或激励；S参参量量测测量量装装置置：实实际际上上是是反反射射测测量量电电路路与与传传输输测测量量电电路路的的组组合合，首首先先将将入入射射、反反射射及及传传输输信信号号分分离开，然后通过转换开关分别进行测量；离开，然后通过转换开关分别进行测量；矢矢量量电电压压表表：测测量量入入射射、反反射射和和传传输输信信号号的的幅幅值值及及它它们们之之间间的的相相位位差差。也也可可以以通通过过幅幅相相接接收收机机实实现此功能。现此功能。本讲稿第三十
39、七页，共六十三页标量网络分析仪标量网络分析仪 a1为为入入射射波波、b1为为反反射射波波、b2为为传传输输波波，它它们们的的测测量量通通道道分分别别为为R（参参考考）、A、B。通通过过这这些些信信号号可可确确定定正正向向S参参数数|S10|、|S21|。将将被被测测网网络络的的激激励励端端与与测试端反接，同理可测得测试端反接，同理可测得|S22|、|S12|。本讲稿第三十八页，共六十三页矢量网络分析仪矢量网络分析仪一种一种外差式外差式矢量网络分析仪的组成框图如下：矢量网络分析仪的组成框图如下：本讲稿第三十九页，共六十三页 上上图图中中PFD为为相相频频检检波波器器，H(s)为为环环形形滤滤波波
40、器器，BPF为为带带通通滤滤波波器器。基基本本结结构构与与外外差差式式接接收收机机类类似似：扫扫频频源源一一方方面面为为DUT提提供供激激励励，一一方方面面可可以以作作为为单单独独的的扫扫频频源源输输出出通通道道S。参参考考信信号号即即入入射射波波，通通过过R通通道道进进行行测测量量。反反射射波波、传传输输波波所所在在的的测测试试通通道道分分别别为为A、B。为为获获得得复复S参参数数而而进进行行的的复复数数除除法法可可用用硬硬件件完完成成，现现在在多多采采用用对对混混频频所所得得的的中中频频信信号号采采样样和和数数字字化化，然然后后通通过过数数字字处处理理的的方方法来实现。法来实现。本讲稿第四
41、十页，共六十三页矢量网络分析仪（续）矢量网络分析仪（续）两种网络分析仪的简单比较：两种网络分析仪的简单比较：标量网络分析仪矢量网络分析仪主要测量装置主要测量装置反射传输S参数或反射传输信号分离器件信号分离器件标量电桥、定向耦合器定向耦合器检测方式二极管检波锁相接收激励源扫频信号源合成扫频信号源可测参数标量幅度幅度、相位、群时延特性成本、精度低高本讲稿第四十一页，共六十三页网络分析仪与频谱分析仪网络分析仪与频谱分析仪u 在在电电路路结结构构方方面面，矢矢量量网网络络分分析析仪仪与与外外差差式式频频谱谱分分析析仪仪相相似似：在在预预定定频频率率范范围围内内自自动动测测量量电电路路幅幅度度增增益益与
42、与相相位位，使使用用内内部部扫扫频频源源或或可可程程控控的的外外部部信信号号源作激励，测量被激励电路的幅度增益与相位；源作激励，测量被激励电路的幅度增益与相位；u 不不同同之之处处：频频谱谱分分析析仪仪测测量量未未知知或或任任意意的的输输入入频频率率，而而矢矢量量网网络络分分析析仪仪只只测测量量自自身身或或受受控控的的已已知知频频率率；外外差差式式频频谱谱分分析析仪仪测测量量输输入入信信号号的的幅幅度度（标标量量仪仪器器），矢矢量量网网络络分分析析仪仪测测量量输输入入信信号号的的幅幅度度和和相相位（矢量仪器）。位（矢量仪器）。本讲稿第四十二页，共六十三页10.2.3 反射参数测量反射参数测量反
43、射参数（反射参数（S S10、S S2222）测量的实现）测量的实现 设设信信号号源源出出射射波波为为ES、功功分分器器分分配配系系数数分分别别是是c1、c2，DUT反反射射系系数数为为S10，定定向向耦耦合合器器将将DUT的的反反射射波波耦合到测试通道的耦合系数为耦合到测试通道的耦合系数为c3。有。有本讲稿第四十三页，共六十三页反射参数测量的实现（续）反射参数测量的实现（续）用矢量网络分析仪测量反射参数：用矢量网络分析仪测量反射参数：本讲稿第四十四页，共六十三页反射参数测量中的误差来源反射参数测量中的误差来源 用含有功率分配器、定向耦合器等微波器件的系用含有功率分配器、定向耦合器等微波器件的
44、系统进行反射参数测量将必然存在系统误差，这些误差统进行反射参数测量将必然存在系统误差，这些误差来自系统本身的频响特性以及端口特性。来自系统本身的频响特性以及端口特性。定向耦合器作为一个三端口网络，可用信流图表定向耦合器作为一个三端口网络，可用信流图表示如下：示如下：本讲稿第四十五页，共六十三页反射参数测量中的误差来源（续）反射参数测量中的误差来源（续）u方向性误差方向性误差D 实实际际的的定定向向耦耦合合器器方方向向性性D=S32/S310，因因此此使使耦耦合端的信号包含了额外泄露出来的成分。合端的信号包含了额外泄露出来的成分。u反射频响误差反射频响误差TR 由由系系统统本本身身的的频频响响误
45、误差差引引起起实实测测的的系系统统频频响响轨轨迹迹上上有有若若干干起起伏伏或或小小毛毛刺刺，即即引引入入了了频频响响误误差差(或或频频率率跟踪误差跟踪误差)。u源失配误差源失配误差MS 由由阻阻抗抗失失配配导导致致从从DUT向向源源方方向向看看过过去去的的等等效效源源反反射射系系数数不不完完全全为为零零。反反射射信信号号中中有有一一部部分分将将在在DUT和源之间被来回反射，因而产生和源之间被来回反射，因而产生S10A的测量误差。的测量误差。本讲稿第四十六页，共六十三页反射参数测量误差模型反射参数测量误差模型u反射参数测量误差模型的信流图表示反射参数测量误差模型的信流图表示S10A：DUTDUT
46、的实际反射系数的实际反射系数的实际反射系数的实际反射系数（近似真值）（近似真值）（近似真值）（近似真值）S10M10M：反射系数测量值：反射系数测量值：反射系数测量值：反射系数测量值D D：方向性误差：方向性误差：方向性误差：方向性误差TR R：反射频响误差：反射频响误差MMS：源失配误差：源失配误差：源失配误差：源失配误差由梅森法则，可得由梅森法则，可得本讲稿第四十七页，共六十三页u讨论：测量值讨论：测量值S10M与实际反射系数与实际反射系数S10A之差为之差为 反射参数测量误差模型（续）反射参数测量误差模型（续）结结论论：当当DUT的的反反射射系系数数S10A较较小小时时，方方向向性性误误
47、差差D的的影影响响占占主主导导地地位位；当当S10A较较大大时时，源源失失配配误误差差MS是是影影响响反反射测量精度的主要因素射测量精度的主要因素 本讲稿第四十八页，共六十三页反射参数测量误差修正反射参数测量误差修正u误差修正：在已知系统误差来源并建立误差模型之误差修正：在已知系统误差来源并建立误差模型之后，对已知参数真值的后，对已知参数真值的校准件校准件进行测量，并根据测进行测量，并根据测量值和误差模型求出各项误差，最后将它们的影响量值和误差模型求出各项误差，最后将它们的影响从测量值中扣除。从测量值中扣除。u常用方法：使用三个校准件依次作为常用方法：使用三个校准件依次作为DUT进行反进行反射
48、参数测量，分别得到三个以射参数测量，分别得到三个以D、TR、MS系统误系统误差为未知数的方程，然后由该方程组求解三项误差。差为未知数的方程，然后由该方程组求解三项误差。微波测量中，同轴系统一般选用微波测量中，同轴系统一般选用开路器开路器、短路器短路器和和匹配负载匹配负载Z0作为校准件。作为校准件。本讲稿第四十九页，共六十三页反射参数测量误差修正（续反射参数测量误差修正（续1）步骤如下：步骤如下：1.1.接入开路器接入开路器（反射系数反射系数=1）此时此时S10A=1，记测量值为，记测量值为SM1，有，有2.2.接入短路器接入短路器（反射系数反射系数=1）此时此时S10A=1，记测量值为，记测量
49、值为SM2，有，有3.3.接入匹配负载接入匹配负载Z Z0 0（反射系数反射系数=0）此时此时S10A=0，记测量值为，记测量值为SM3，有，有本讲稿第五十页，共六十三页反射参数测量误差修正（续反射参数测量误差修正（续2）4.联立上三式，解得三项系统误差分别为：联立上三式，解得三项系统误差分别为：5.测量测量DUT，并将测量值与校准所得的误差代入误，并将测量值与校准所得的误差代入误差模型公式：差模型公式：即可得即可得S10A。校校 准准修修 正正本讲稿第五十一页，共六十三页10.2.4 传输参数测量传输参数测量 S S2121、S S1212测量的实现测量的实现测量的实现测量的实现 下图所示为
50、传输参数测量系统。传输测量与反射测量的下图所示为传输参数测量系统。传输测量与反射测量的下图所示为传输参数测量系统。传输测量与反射测量的下图所示为传输参数测量系统。传输测量与反射测量的原理基本相同，区别在于原理基本相同，区别在于原理基本相同，区别在于原理基本相同，区别在于DUTDUT必须必须必须必须串接串接串接串接在测试信号通路中。在测试信号通路中。在测试信号通路中。在测试信号通路中。DUT 设设信信号号源源出出射射波波为为ES，功功率率分分配配器器的的分分配配系系数数分分别别是是c1、c2，DUT的传输系数为的传输系数为S21，有：，有：本讲稿第五十二页，共六十三页传输参数测量的实现（续）传输