第6章-阻抗與網(wǎng)絡(luò)分析(v60)

1、第六章 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)試與分析本章所說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)是指由若干元器件、電路連接形成的電路網(wǎng)絡(luò)，不是目前常說(shuō)的局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)所指的網(wǎng)絡(luò)概念。網(wǎng)絡(luò)所包含的對(duì)象多種多樣，千差萬(wàn)別，小到一個(gè)在顯微鏡下才能觀察到的管芯或梁式引線二極管，大到一部雷達(dá)或人造衛(wèi)星的電子系統(tǒng)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)進(jìn)行正確的測(cè)試與分析，是電子設(shè)備成功研制、生產(chǎn)乃至驗(yàn)收、維護(hù)維修的基礎(chǔ)。測(cè)量和分析的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)主要分為阻抗特性、網(wǎng)絡(luò)特性和噪聲系數(shù)特性三類(lèi)。阻抗特性測(cè)量按頻段可分為三種，低頻阻抗測(cè)量、射頻阻抗測(cè)量和微波阻抗測(cè)量。低頻阻抗測(cè)量?jī)x器主要是指LCR表，用于測(cè)量30MHz以下元器件的電阻、電感和電容。由于測(cè)量頻率較低，采用四端對(duì)方法即可獲得高的

2、測(cè)量精確度。但隨著測(cè)量頻率的提高（>30MHz），由于雜散和寄生電容電感的存在，精確度會(huì)迅速下降。射頻阻抗分析儀可在更寬的頻率范圍（<3GHz）內(nèi)測(cè)量元器件或電路網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性，主要采用射頻I/V法，可在極寬的阻抗范圍內(nèi)獲得很高的測(cè)量精確度。微波阻抗測(cè)量方法目前主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再轉(zhuǎn)換為阻抗或?qū)Ъ{等其他參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)百kHz到數(shù)百GHz頻率范圍內(nèi)的測(cè)量阻抗。由于微波網(wǎng)絡(luò)分析儀以某一特定阻抗（這一特定阻抗被稱(chēng)為系統(tǒng)阻抗）為基礎(chǔ)測(cè)量S參數(shù)的，一般是50，當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗偏離系統(tǒng)阻抗時(shí)，測(cè)量精度會(huì)降低。網(wǎng)絡(luò)分析儀是將被測(cè)對(duì)象等效成單端口或多端口網(wǎng)絡(luò)，并以單

3、端口和二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)為基礎(chǔ)建立被測(cè)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。網(wǎng)絡(luò)分析儀分為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩大類(lèi)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用基于二極管檢波的寬帶接收方式，僅能對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的幅頻特性進(jìn)行測(cè)試；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用基于同步檢波的窄帶幅相接收方式，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的幅頻特性、相頻特性和群時(shí)延特性進(jìn)行測(cè)試與分析。由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的性能指標(biāo)越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，而價(jià)格卻越來(lái)越低，呈現(xiàn)逐步取代標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的趨勢(shì)。目前商品化的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已覆蓋30kHz300GHz的頻率范圍，實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)到1000GHz。噪聲系數(shù)是指當(dāng)輸入端溫度處于T0

4、=290K時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)噪聲功率比與輸出端信號(hào)噪聲功率比的比值。噪聲系統(tǒng)主要描述線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)信噪比的惡化程度。噪聲系數(shù)指標(biāo)對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)特別重要，它直接影響了接收機(jī)的靈敏度。噪聲系數(shù)分析儀是測(cè)量網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的儀器。目前的噪聲系數(shù)分析儀大都采用Y因子法進(jìn)行噪聲系數(shù)的測(cè)量，其測(cè)量頻率范圍從10MHz到110GHz。6.1 元器件特性的網(wǎng)絡(luò)表征方法電磁場(chǎng)的處理方法是通過(guò)求解在給定邊界條件下的麥克斯韋方程組來(lái)獲得的，盡管計(jì)算機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于求解電磁場(chǎng)問(wèn)題，但不是所有問(wèn)題都能得到麥克斯韋方程組的真實(shí)解。隨著微波CAD技術(shù)的不斷發(fā)展，電路理論中的許多概念和方法在微波技術(shù)領(lǐng)域

5、也同樣有著十分重要的地位，有一些電磁現(xiàn)象可以當(dāng)作場(chǎng)的問(wèn)題來(lái)處理，而有些電磁現(xiàn)象當(dāng)作路的問(wèn)題來(lái)處理則更方便。微波系統(tǒng)中包含有微波傳輸線、連接器或波導(dǎo)法蘭和其他微波部件，也就是說(shuō)存在著各種不連續(xù)性，如把這些不連續(xù)性等效成微波網(wǎng)絡(luò)，那么就可以把場(chǎng)的問(wèn)題用路的方法來(lái)處理和解決。實(shí)際上，分布參數(shù)的電磁場(chǎng)問(wèn)題等效成電路問(wèn)題，其電路形式往往比較簡(jiǎn)單。即使一個(gè)復(fù)雜的電路形式也可以分解為多個(gè)基本網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)，而這些基本網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)其參考面上某種輸入量和輸出量之間的關(guān)系得到一組表征該網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)。所研究的輸入和輸出量稱(chēng)為端口變量，表征網(wǎng)絡(luò)特性的一組量稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。二端口網(wǎng)絡(luò)

6、是最基本的網(wǎng)絡(luò)形式，雖然一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)有多個(gè)端口，但通過(guò)特定的處理方式多端口網(wǎng)絡(luò)可以轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)。二端口網(wǎng)絡(luò)模型有四個(gè)變量，其中兩個(gè)是輸入變量，又稱(chēng)為自變量，為網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號(hào)，而另外兩個(gè)變量為輸出變量，表示網(wǎng)絡(luò)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，又稱(chēng)因變量。6.1.1 單端口網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的表征方法單端口網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)引腳，因此又稱(chēng)雙端器件，如電阻、電容、電感和石英晶體等。在低頻段這些器件的阻抗特性比較穩(wěn)定，隨著工作頻率的提高，器件的分布參數(shù)影響加大，各元器件的阻抗參數(shù)不能用簡(jiǎn)單的元件參數(shù)表示，例如，一只電容的實(shí)際等效電路如圖6.1所示。圖6.1 電容器的等效電路圖6.1中，C為電容器的實(shí)際電容量，Rp為電容器的

7、并聯(lián)損耗電阻，主要由介質(zhì)及封裝材料的損耗和漏電決定；Rs為電容器的串聯(lián)損耗電阻，主要由引線電阻、板極電阻和焊接點(diǎn)接觸電阻決定；Ls為電容器的串聯(lián)分布電感或固有電感，主要由電容引線和板極決定。依據(jù)各寄生參量作用的大小，這個(gè)電路可以簡(jiǎn)化為串聯(lián)和并聯(lián)電路形式。如果Ls和Rs相對(duì)于Rp較小，可忽略不計(jì)，該電路等效為并聯(lián)模型；反之則為串聯(lián)模型。在進(jìn)行元器件阻抗測(cè)量時(shí)，串聯(lián)和并聯(lián)模型可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的紐帶是耗散因子D。表6.1是電容、電感的串并聯(lián)電路模型。在具體應(yīng)用時(shí)，阻抗值高于300的器件宜采用串聯(lián)模型，低于5宜采用并聯(lián)模型。表6.1 串/并聯(lián)電路模型并聯(lián)電容模型串聯(lián)電容模型并聯(lián)電感模型串聯(lián)電感模型實(shí)

8、際電路中，一個(gè)電容器常是由電容、寄生電感和電阻決定的。顯然，串/并聯(lián)模型難以同時(shí)表示這三個(gè)參量，因此常采用表6.2所述的五種等效電路模型。根據(jù)器件的類(lèi)別，可以選擇五種模型中的一種。目前世界上先進(jìn)的阻抗分析儀就使用這種方法進(jìn)行測(cè)量。表6.2 五種等效電路模型等效電路器件類(lèi)型典型頻率特性A損耗較大的電感B電感和電阻C阻值較大的電阻D一般性電容E諧振器6.1.2低頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的表征方法對(duì)于低頻電路采用集總參數(shù)的分析方法，研究電壓V和電流I與阻抗參數(shù)Z、導(dǎo)納參數(shù)Y和級(jí)連參數(shù)ABCD之間的關(guān)系。圖6.2是用于低頻電路的二端口網(wǎng)絡(luò)，有四個(gè)變量，即端口1的電壓V1和電流I1，端口2的電壓V1和電流I1。任意兩

9、個(gè)變量作自變量而另兩個(gè)變量作因變量，有多種組合，其中三種組合是我們常用的三種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，即Z參數(shù)、Y參數(shù)和ABCD參數(shù)。圖6.2 一般二端口網(wǎng)絡(luò)當(dāng)選擇電流I1和I2作自變量、電壓V1和V2作因變量時(shí)，得到一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)稱(chēng)阻抗參數(shù)（Z參數(shù)），公式（6.1）是Z參數(shù)的方程。（6.1） 網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)阻抗參數(shù)通過(guò)將其中一個(gè)端口的電流作激勵(lì)源，而另一個(gè)端口電流為零（即開(kāi)路狀態(tài)）求得。如正向轉(zhuǎn)移阻抗Z21，是端口2處于開(kāi)路狀態(tài)、端口1加激勵(lì)電流源I1時(shí)，端口2的開(kāi)路電壓V2與電流源I1的比值。同理可以求出其他三個(gè)阻抗參數(shù)。 （6.2）當(dāng)選擇電壓V1和V2為自變量，電流I1和I2作因變量時(shí)，得到一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)稱(chēng)導(dǎo)納

10、參數(shù)（Y參數(shù)），公式（6.3）是Y參數(shù)的方程。二端口網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)通過(guò)將其中一個(gè)端口短路，而另一個(gè)端口施加電壓源來(lái)求得。（6.3） Z參數(shù)和Y參數(shù)不能直接應(yīng)用于多個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的情況，對(duì)于級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)常用ABCD參數(shù)。公式（6.4）是ABCD參數(shù)的方程，該網(wǎng)路參數(shù)A和D是無(wú)量綱的，B代表阻抗，C代表導(dǎo)納，四個(gè)參數(shù)仍可以通過(guò)短路和開(kāi)路的方法來(lái)求得。（6.4） 6.1.3微波網(wǎng)絡(luò)的表征方法通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端進(jìn)行短路和開(kāi)路設(shè)置測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法，在低頻電路中是行之有效的。但當(dāng)工作頻率很高時(shí)，由于引線電感和分布電容的影響，要得到理想的短路和開(kāi)路幾乎是不可能的，同時(shí)直接測(cè)量網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出端電壓和電流也是很困

11、難的。1965年K.Kurokawa定義了廣義散射參數(shù)（S參數(shù))，利用散射參數(shù)分析微波電路顯得特別方便，在微波領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其適用于描述晶體管和其他有源器件的特性。主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。（1） 在微波電路中一般有明確的特性阻抗，S參數(shù)特別適用于分析特性阻抗為50的微波網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)。（2） S參數(shù)在微波電路中有明確的物理意義且便于使用。轉(zhuǎn)移參數(shù)代表復(fù)數(shù)的插入損耗或插入增益，反射參數(shù)代表網(wǎng)絡(luò)與源或負(fù)載之間的失配情況。（3） S參數(shù)便于實(shí)際測(cè)量。當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻和負(fù)載的阻抗均為50特性阻抗時(shí)，通過(guò)反射和傳輸測(cè)量即可獲得網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。實(shí)際的信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載阻抗不可能為理想的50，而現(xiàn)代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

12、通過(guò)誤差修正可以將源失配和負(fù)載失配的影響降低到可以忽略的程度。（4） S參數(shù)便于電路設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，現(xiàn)在三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件的生產(chǎn)廠家均給出典型器件的S參數(shù)，以便用戶(hù)更好地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和計(jì)算。并且采用S參數(shù)表征網(wǎng)絡(luò)特性最適于用信號(hào)流圖來(lái)解決復(fù)雜的微波網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。（5） 沿著無(wú)耗傳輸線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)參考面時(shí)，其幅度不變而只是相位發(fā)生變化。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，經(jīng)常把一些低損耗傳輸線近似為無(wú)損耗傳輸線，使網(wǎng)絡(luò)分析和測(cè)量很方便，尤其是只關(guān)心幅頻特性的時(shí)候。對(duì)于微波網(wǎng)絡(luò)采用分布參數(shù)的分析方法則是研究入射波a和出射波b與散射參數(shù)S之間的關(guān)系。圖6.3微波二端口網(wǎng)絡(luò)模型定義了入射波a和出射波b與S參數(shù)之間的關(guān)系

13、，網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)以入射波a為自變量，出射波b為因變量，對(duì)于任意的二端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，四個(gè)參數(shù)表征了網(wǎng)絡(luò)的特性。圖6.3 微波二端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)于線性二端口微波網(wǎng)絡(luò)滿足疊加原理，網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗可用式（6.5）來(lái)表征。入射波a和出射波b以及S參數(shù)的定義式及物理意義見(jiàn)表6.3。表6.3 各參數(shù)定義及物理意義變量或參數(shù)名稱(chēng)物理意義變量或參數(shù)名稱(chēng)物理意義進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)端口1的入射波進(jìn)入二端口網(wǎng)絡(luò)端口1的入射波功率進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)端口2的入射波進(jìn)入二端口網(wǎng)絡(luò)端口2的入射波功率網(wǎng)絡(luò)端口1的出射波（包括反射波和端口2到端口1的傳輸波）網(wǎng)絡(luò)端口1的出射波功率網(wǎng)絡(luò)端口2的出射波（包括反射波和端口1到端口2的傳輸波）網(wǎng)絡(luò)端口2的

14、出射波功率端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的反射系數(shù)網(wǎng)絡(luò)端口1的出射波功率與入射波功率之比端口1接匹配負(fù)載時(shí)，端口2的反射系數(shù)網(wǎng)絡(luò)端口2的出射波功率與入射波功率之比端口2接匹配負(fù)載時(shí)正向傳輸系數(shù)端口2接匹配負(fù)載時(shí)，正向功率增益端口1接匹配負(fù)載時(shí)反向傳輸系數(shù)端口1接匹配負(fù)載時(shí)，反向功率增益對(duì)于互易的二端口網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，對(duì)于對(duì)稱(chēng)互易網(wǎng)絡(luò)只有兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。雖然用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)無(wú)需事先知道網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中往往了解網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)有助于減少測(cè)試次數(shù)，并可利用網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及其正確性。雖然S參數(shù)的表達(dá)式（6.5）中沒(méi)有出現(xiàn)特性阻抗Z，但實(shí)際上所有的變量和參數(shù)都是相對(duì)于一

15、個(gè)簡(jiǎn)單的正實(shí)數(shù)阻抗，該阻抗稱(chēng)為特性阻抗。（6.5） 6.1.4網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)于單端口網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)參數(shù)，Z參數(shù)或Y參數(shù)分別代表網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗或輸入導(dǎo)納，如用S參數(shù)來(lái)表示，則代表反射系數(shù)。二者之間的關(guān)系為式（6.6）。其中，Z和Y分別代表網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗和特性導(dǎo)納。在微波電路中表示網(wǎng)絡(luò)反射特性的技術(shù)指標(biāo)除反射系數(shù)外，還有駐波比和回波損耗。其中反射系數(shù)是復(fù)數(shù)，包含有幅度和相位信息，而駐波比和回波損耗均為實(shí)數(shù)，只包含有幅度信息，三者之間的關(guān)系用式（6.7）和式（6.8）表示。反射系數(shù) （6.6）駐波比 （6.7）回波損耗 （6.8）對(duì)于二端口微波網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)源的內(nèi)阻、負(fù)載阻抗和網(wǎng)絡(luò)之間的匹配狀態(tài)對(duì)反

16、射指標(biāo)和傳輸指標(biāo)有較大的影響，在此只討論輸入和輸出端均處于匹配狀態(tài)的情況?，F(xiàn)代的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有矢量誤差修正的能力，提高了源匹配和負(fù)載匹配的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口時(shí)，源和負(fù)載造成的失配誤差可以被修正，可當(dāng)作輸入和輸出端均達(dá)到匹配狀態(tài)的情況來(lái)處理。1）電壓傳輸系數(shù) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出端的出波和輸入端的入波之比稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)。一般情況下電壓傳輸系數(shù)是矢量不是標(biāo)量，它的幅度稱(chēng)為電壓增益，而它的相位為插入相位。（6.9）正向電壓傳輸系數(shù) 反向電壓傳輸系數(shù) 2）插入損耗插入損耗定義為網(wǎng)絡(luò)從匹配信號(hào)源取得的功率與輸出端負(fù)載匹配時(shí)負(fù)載獲得的功率之比。插入損耗

17、表明了網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)功率的衰減程度，它包含有網(wǎng)絡(luò)吸收損耗和反射損耗兩種，式（6.10）中第一項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)的吸收損耗，第二項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)的反射損耗。對(duì)于不同性質(zhì)的微波網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，如衰減器主要由內(nèi)部吸收損耗所引起，而對(duì)于濾波器，其構(gòu)成的元件要求損耗盡量小，它的阻帶衰減主要由反射損耗所引起。插入損耗 （6.10） 3）反射系數(shù)當(dāng)輸出端處于匹配狀態(tài)時(shí)，輸入端的反射系數(shù)即為S11，同理當(dāng)輸入端處于匹配狀態(tài)時(shí)，輸出端的反射系數(shù)即為S22。對(duì)于任意的信號(hào)源內(nèi)阻Zs和負(fù)載阻抗ZL，輸入輸出端的反射系數(shù)可通過(guò)信號(hào)流圖來(lái)獲得，其中L和S 分別代表負(fù)載和信號(hào)源的反射系數(shù)。輸入端反射系數(shù) （6.11）輸出端反射系數(shù) （6.1

18、2）4）時(shí)延及群時(shí)延對(duì)于非色散的微波網(wǎng)絡(luò)插入相位與頻率成線性關(guān)系，對(duì)于色散的微波網(wǎng)絡(luò)插入相位與頻率成非線性關(guān)系。對(duì)于輸入輸出均為匹配狀態(tài)的微波網(wǎng)絡(luò)，插入相位為電壓傳輸系數(shù)的幅角，用表示。時(shí)延和群延遲的定義為式（6.13），對(duì)于非色散的微波網(wǎng)絡(luò)群時(shí)延等于時(shí)延。（6.13）時(shí)延群時(shí)延6.2 阻抗分析儀6.2.1 阻抗分析儀的發(fā)展歷史 阻抗測(cè)試是對(duì)電子元器件或電子材料的阻抗特性進(jìn)行測(cè)試。隨著電訊事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電子線路的設(shè)計(jì)、材料的選型及器件的性能要求日益提高，了解材料、器件的動(dòng)態(tài)特性已成為目前迫切需要解決的問(wèn)題。阻抗測(cè)試由來(lái)已久，自開(kāi)始第一個(gè)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、元器件的制造、材料的分析之日起，人

19、們始終關(guān)心這方面的工作。早期的阻抗測(cè)試要求的頻段范圍較低，功能比較單一，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，一種儀器不能同時(shí)測(cè)量各種阻抗參數(shù)，因而各種測(cè)量?jī)x應(yīng)運(yùn)而生，比如阻抗電橋、電容器參數(shù)測(cè)量?jī)x、電感參數(shù)測(cè)量?jī)x等。此后，隨著大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的發(fā)展， 采用微處理器的阻抗參數(shù)分析儀得到普及，實(shí)現(xiàn)寬頻帶、多功能、多參量、高精度、高速度、自校準(zhǔn)、自診斷、大屏幕顯示等為特征的智能化阻抗參數(shù)分析儀， 已成為發(fā)展的主流。在軍事領(lǐng)域， 隨著軍事電子技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)電子材料及電子元器件提出了更高的要求。 當(dāng)前，軍事通訊和數(shù)據(jù)處理要求電子元器件具有更好的性能、更小的物理尺寸、更低的成本以及更高的可靠性，因此，精確有效

20、的電子元件的阻抗特性測(cè)試日益成為軍事科研及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要組成部分。阻抗測(cè)量的方法很多，幾十年來(lái)，雖然測(cè)試技術(shù)得到很大發(fā)展，但是阻抗測(cè)量的原理和測(cè)試方法基本沒(méi)有改變，射頻頻段的阻抗測(cè)試則是個(gè)特例。八十年代初Agilent公司的前身HP公司推出了它的第一代智能化阻抗測(cè)試儀HP4191，首次實(shí)現(xiàn)射頻阻抗的智能化測(cè)試。該儀器采用的基本測(cè)量方法（反射法）采用了反射計(jì)電橋作為信號(hào)耦合器，能在1MHz到1000MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量元器件的阻抗特性， 并具有寬量程、多功能等特點(diǎn)。但是，當(dāng)阻抗測(cè)試偏離50時(shí)，測(cè)試精度將變差，且偏離越遠(yuǎn)，精度越差。 針對(duì)這一不足，1994年，HP公司又推出了它第二代射頻阻抗測(cè)試產(chǎn)

21、品HP4291。HP4291改HP4191的反射法為常用的電壓-電流法（V-I法），突破了傳統(tǒng)阻抗測(cè)量方法的局限性， 利用了數(shù)字鑒相、數(shù)字濾波等信號(hào)處理方法，很好的解決了電壓、電流信號(hào)之間的相差測(cè)量，抑制了高次諧波、隨機(jī)噪聲的干擾。HP4291采用了兩種新技術(shù)，一是射頻電流-電壓直接阻抗測(cè)量技術(shù)， 二是高、低阻抗電路技術(shù)， 能夠在保持高精度的同時(shí)， 頻率范圍提高到1.8GHz， 阻抗測(cè)量范圍從0.1到50k，同時(shí)采用彩色CRT顯示，測(cè)量結(jié)果更加直觀，并可以進(jìn)行材料特性測(cè)量，是具有世界先進(jìn)水平的代表產(chǎn)品。HP4291可達(dá)到的測(cè)試精度為84%，測(cè)試頻率分辨率可達(dá)1mHz，在同行業(yè)中獨(dú)占鰲頭。我國(guó)在

22、九五期間也進(jìn)行了射頻阻抗分析儀的研制工作并獲得了成果，產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)已接近（部分達(dá)到）Agilent公司HP4291A的指標(biāo)要求，在國(guó)內(nèi)科研院所取得了一定的應(yīng)用。最近幾年，Agilent公司又推出了改進(jìn)型產(chǎn)品E4991A射頻阻抗材料分析儀，仍然采用射頻I-V測(cè)量技術(shù)，測(cè)試精度和頻率分辨率與HP4291一致，頻率范圍擴(kuò)展到3GHz，能夠在更寬頻段內(nèi)對(duì)元件進(jìn)行精確測(cè)試。6.2.2 阻抗分析儀的基本原理在介紹阻抗分析儀的基本原理時(shí)，首先要明白幾個(gè)阻抗測(cè)試時(shí)常用參數(shù)的定義。（1） 阻抗。符號(hào)Z，ZZRjX，單位是歐姆（），根據(jù)歐姆定律，阻抗定義為在一定頻率下一個(gè)器件的端電壓和流過(guò)該器件的電流之比（ZU

23、/I），阻抗概念比較適合于串聯(lián)電路元器件的電路特性的描述。（2） 導(dǎo)納。符號(hào)Y，YYGjB，單位西門(mén)子（S），是阻抗的倒數(shù)，通常用于描述并聯(lián)電路模型的電路元器件。（3） 串聯(lián)電阻。符號(hào)RS，單位歐姆（），它是導(dǎo)體或電路以發(fā)熱的形式損耗能量的一種特性，是復(fù)數(shù)阻抗的實(shí)數(shù)部分。（4） 并聯(lián)電阻。符號(hào)RP，單位歐姆（），它是電導(dǎo)的倒數(shù)。（5） 電容。符號(hào)C，單位法拉（F），它代表電流超前電壓90°的電路或元件的電場(chǎng)儲(chǔ)能特性。電容在并聯(lián)電路里用正電納（jC）表示，在串聯(lián)電路里用負(fù)電抗（j /C）表示。（6） 電導(dǎo)。符號(hào)G，單位西門(mén)子，用來(lái)描述元件或電路的電能損失特性，它是復(fù)數(shù)導(dǎo)納的實(shí)數(shù)部分。（

24、7） 電納。號(hào)B，單位西門(mén)子，它是復(fù)數(shù)導(dǎo)納的虛數(shù)部分，通常用于描述并聯(lián)電路，如果電路為容性，電納為正，如果電路是感性，電納為負(fù)。（8） 電感。符號(hào)L，單位亨利（H），它代表電壓超前電流90°的電路或元件的磁場(chǎng)儲(chǔ)能特性，電感在串聯(lián)電路里用正電抗（jL）表示，在并聯(lián)電路里用負(fù)電納（j /L）表示。（9） 品質(zhì)因數(shù)。符號(hào)Q，無(wú)量綱，它是電路或元件最大儲(chǔ)能的2乘積與一周期內(nèi)耗能之比。在串聯(lián)電路里，它是電抗與電阻之比，在并聯(lián)電路里，它是電納與電導(dǎo)之比。（10） 耗散因子。符號(hào)D，無(wú)量綱，它是品質(zhì)因素的倒數(shù)。（11） 反射系數(shù)。符號(hào)，在均勻傳輸線上取定一參考面，反射回來(lái)的電磁行波的振幅與入射到參

25、考面上的電磁行波振幅之比定義為反射系數(shù)，反射系數(shù)是矢量，大小在0和1之間，相位角取值范圍0到2。由于頻率范圍、阻抗量程和測(cè)量精度的不同，阻抗分析儀采用多種測(cè)量原理，一般有電橋法、諧振法、I-V法、射頻I-V法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法和自動(dòng)平衡電橋法六種測(cè)試技術(shù)。電橋法的頻率測(cè)量范圍一般為直流到300MHz，電橋法的測(cè)試精度高，配以不同的電橋可以提供較寬的頻率測(cè)量范圍，但測(cè)試時(shí)需要手動(dòng)平衡電橋，單一電橋的測(cè)試頻段窄，在自動(dòng)測(cè)試技術(shù)高度發(fā)展的今天，除了需要進(jìn)行高精度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室外，工業(yè)部門(mén)已很少采用這一測(cè)試技術(shù)。諧振法的頻率測(cè)量范圍一般為10kHz到70MHz，采用諧振法能夠在進(jìn)行高Q值測(cè)試時(shí)獲得很高的

26、測(cè)試精度，但是需要調(diào)諧諧振頻率，采用這種測(cè)試方法進(jìn)行阻抗測(cè)試時(shí)測(cè)試精度較低，因而，目前這種測(cè)試方法只應(yīng)用于單一的高Q值測(cè)試。I-V法的頻率測(cè)量范圍一般為10kHz到100MHz，由于受測(cè)試頭變壓器的頻率限制，相對(duì)與射頻I-V法測(cè)試頻率較低。圖6.4 電橋法 圖6.5 諧振法 圖6.6 I-V法射頻I-V法主要應(yīng)用于射頻元件的測(cè)試，測(cè)試頻率范圍為1MHz3GHz，測(cè)試精度高，測(cè)試頻率范圍寬，但相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀法，受測(cè)試頭變壓器的頻率限制，上限頻率難以有大的擴(kuò)展。網(wǎng)絡(luò)分析儀法的頻率測(cè)量范圍可以從300kHz一直延伸到微波毫米波頻段，測(cè)試值接近特性阻抗時(shí)可以獲得很高的測(cè)試精度，但測(cè)試值偏離特性阻抗測(cè)

27、試精度就大大降低，因而它的阻抗測(cè)試范圍較窄，在不同頻段可能需要多次校準(zhǔn)。圖6.7 射頻I-V法圖 6.8 網(wǎng)絡(luò)分析儀法自動(dòng)平衡電橋法能夠在20Hz到110MHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，具有較高的測(cè)量頻段、很高的測(cè)量精度和寬的阻抗測(cè)量范圍，目前低頻段的阻抗分析儀一般都采用這一測(cè)試技術(shù)。圖6.9 自動(dòng)平衡電橋法6.2.3 射頻阻抗分析儀的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)射頻阻抗分析儀的主要測(cè)量原理有兩種，一種是網(wǎng)絡(luò)分析儀法，即反射系數(shù)法，另一種是目前廣泛采用的射頻電流電壓直接測(cè)量法。6.2.3.1 反射系數(shù)法測(cè)量阻抗不論阻抗Z，還是反射系數(shù)，都可用來(lái)表示器件及電路的特征。是基于均勻傳輸線上傳輸?shù)牟ǎ绻麄鬏斁€的特性

28、阻抗Z0已知，阻抗Z除以Z0即得到歸一化阻抗Zn。Zn和之間可用下式表示： （6.14） 由式（6.14）可見(jiàn)，通過(guò)反射系數(shù)可以求出阻抗。 反射系數(shù)法就是基于上述測(cè)量原理。先求出被測(cè)件的反射系數(shù)，然后由機(jī)內(nèi)微處理器換算出阻抗參數(shù)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗測(cè)量功能基本上都是采用這種方式實(shí)現(xiàn)的，而在射頻阻抗分析儀中，采用這種方法的基本測(cè)量電路由信號(hào)源和矢量電壓比檢測(cè)器組成，框圖如圖6.10所示。 合成源定 向電 橋被測(cè)件參考通道測(cè)量控制程序檢波微處理器數(shù)字控制部分顯示器矢量電壓比檢測(cè)器測(cè)試通道鍵盤(pán)自校準(zhǔn)程序 圖6.10 采用反射系數(shù)法的典型射頻阻抗分析儀原理框圖信號(hào)源是一個(gè)頻率合成器，它產(chǎn)生射頻激勵(lì)信

29、號(hào)，定向電橋的測(cè)試端口連接被測(cè)件，并提供正比于被測(cè)件反射系數(shù)的矢量輸出信號(hào)。測(cè)試信號(hào)從測(cè)試端口加到被測(cè)件上，信號(hào)的一部分從被測(cè)件反射回定向電橋，參考通道和測(cè)試通道輸出的矢量電壓比，反映出被測(cè)件的反射系數(shù)。定向電橋輸出信號(hào)通過(guò)頻率變換器下變頻為中頻信號(hào)，由相敏檢波器分離出矢量的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分。三個(gè)參考終端：0短路器、0S開(kāi)路器和50負(fù)載用來(lái)校準(zhǔn)電橋電路各誤差分量、電長(zhǎng)度和其它不確定度等系統(tǒng)誤差，所獲得的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，以修正被測(cè)件的矢量測(cè)量值。帶微處理器的數(shù)字控制電路按照存儲(chǔ)器中的程序控制儀器的測(cè)量過(guò)程，并完成由測(cè)得的反射系數(shù)轉(zhuǎn)換成其它各種阻抗參量的功能。6.2.3.2 射頻電流電

30、壓直接測(cè)量法運(yùn)用反射系數(shù)法測(cè)量阻抗時(shí)，由于阻抗是從反射系數(shù)換算來(lái)的，當(dāng)阻抗偏離50較遠(yuǎn)時(shí)， 反射系數(shù)值的微小變化將導(dǎo)致很大的阻抗變化，這將降低射頻頻段阻抗測(cè)量的精度。因而，這種方法適合在50附近的阻抗測(cè)量，在遠(yuǎn)離50時(shí)，測(cè)量精度難以保證。為了提高射頻阻抗的測(cè)量精度，出現(xiàn)了采用射頻電流電壓直接阻抗測(cè)量法的射頻阻抗分析儀，這種分析儀根據(jù)電壓和電流之比直接測(cè)量阻抗，即使阻抗明顯大于或小于50，進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)也能保證各參數(shù)的精度。1）射頻電流電壓直接測(cè)量法原理概述復(fù)數(shù)電流電壓法是經(jīng)典的阻抗測(cè)量方法，在頻率低于100MHz時(shí)，這種方法在目前仍廣泛使用。然而，隨著頻率的提高，被測(cè)件不能看作是一個(gè)單純的集總

31、參數(shù)，副參量的影響愈趨嚴(yán)重，特別是這種方法在檢測(cè)電壓時(shí)，一般是通過(guò)低損耗變壓器將電壓耦合到另一回路進(jìn)行檢測(cè)，而變壓器有嚴(yán)格的帶寬限制，使得在射頻頻段傳統(tǒng)電流-電壓法難以采用。拓寬頻帶至射頻頻段有一種新的方法，稱(chēng)為射頻電流-電壓直接阻抗測(cè)量法，基本電路如圖6.11所示。圖6.11 射頻電流-電壓直接阻抗測(cè)量法基本測(cè)量電路這種方法采用了兩個(gè)矢量電壓表Vv和Vi，Vv檢測(cè)加在被測(cè)件兩端的矢量電壓，Vi檢測(cè)通過(guò)被測(cè)件相應(yīng)的矢量電流，假定測(cè)量電路中沒(méi)有分布電導(dǎo)和殘余阻抗，那么被測(cè)件的阻抗ZX可以通過(guò)下列方程計(jì)算求得: （6.15） 典型電原理圖如圖6.12所示，在這里采用巴倫實(shí)現(xiàn)平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換，其變

32、比為1:1，開(kāi)關(guān)采用匹配式單刀雙擲開(kāi)關(guān)，R0為50W匹配負(fù)載，一般為薄膜電阻。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，電壓電流端口結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)，以減少分布參數(shù)的影響，提高測(cè)試的一致性和精度。從圖中可以看出，電流、電壓轉(zhuǎn)換頭為三端口對(duì)稱(chēng)形式，當(dāng)切換開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行電壓電流信號(hào)測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)換頭不影響信號(hào)源及接收機(jī)混頻器的工作，不造成切換誤差。被測(cè)阻抗的失配造成的反射影響也大大減少，由于采用的是電壓電流比的相對(duì)測(cè)量，信號(hào)通道引起的誤差通過(guò)校準(zhǔn)測(cè)試可以減少。該法與反射系數(shù)法相比，不要求嚴(yán)格的阻抗匹配，因而可以進(jìn)行寬量程的阻抗測(cè)試。圖6.12 采用巴倫實(shí)現(xiàn)電流和電壓分離電原理圖2）高、低阻抗測(cè)量法實(shí)際上的測(cè)量電路不能同時(shí)測(cè)量被測(cè)件

33、的電壓和電流，如圖6.11所示，被測(cè)件的電壓測(cè)量是精確的，但電流表并不是直接串接在被測(cè)件上，當(dāng)被測(cè)件的阻抗較大時(shí)，將會(huì)引起一定的測(cè)量誤差。為了擴(kuò)展阻抗測(cè)量的量程，在測(cè)試端口采用可拆卸式高阻抗和低阻抗測(cè)試頭，基本電路如圖6.13所示。 圖6.13 高阻抗及低阻抗測(cè)試頭基本電路圖當(dāng)測(cè)量高阻抗器件時(shí)，被測(cè)件電流的測(cè)量是最為困難的，高阻抗電路直接將電流測(cè)量電路與被測(cè)件串聯(lián)，排除了流經(jīng)電壓指示電路的電流，以確保精確的被測(cè)件電流測(cè)量。另一方面，當(dāng)測(cè)量低阻抗器件時(shí)，跨于被測(cè)件兩端的電壓最難測(cè)量。在這種情況下，低阻抗電路將電壓檢測(cè)電路直接連接到被測(cè)件上，排除了電流指示電路阻抗上的電壓降，以確保精確的電壓測(cè)量。

34、針對(duì)不同的被測(cè)阻抗采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，就可以按給定的測(cè)量精度擴(kuò)展阻抗測(cè)量范圍。對(duì)于高阻抗測(cè)試頭，ZX表示為： （6.16）對(duì)于低阻抗測(cè)試頭，ZX表示為： （6.17）3）射頻阻抗分析儀的校準(zhǔn)原理由于分布電導(dǎo)和殘余阻抗的存在，電路元件的誤差不能忽視，如圖6.13中，測(cè)量電路的四個(gè)匹配電阻(R0)很難做到完全一致，從式（6.16）和式（6.17）計(jì)算出的阻抗值與實(shí)際被測(cè)件的阻抗值仍有差距，怎樣才能縮小差距？這就需要引入校準(zhǔn)。校準(zhǔn)要先建立誤差模型，使用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量，求出誤差模型的各校準(zhǔn)系數(shù)，存入儀器內(nèi)，儀器通過(guò)計(jì)算對(duì)被測(cè)件的測(cè)量結(jié)果自動(dòng)作出修正，以提高測(cè)量精度。射頻阻抗分析儀的誤差因子與矢量網(wǎng)絡(luò)分

35、析儀的S參數(shù)誤差因子是不同的，科研人員對(duì)射頻阻抗分析儀的誤差修正進(jìn)行研究，找出了規(guī)律，一般情況下，如果測(cè)量阻抗值用Zm表示，實(shí)際阻抗值Zx能夠用下列方程修正: （6.18）這里，A、B、C為校準(zhǔn)系數(shù)，采用開(kāi)路器、短路器和匹配負(fù)載三種標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，可以求出這三個(gè)系數(shù)。比如，當(dāng)測(cè)試端口連接短路器時(shí)，Zx0，則BZm，B表示電路的殘余阻抗；當(dāng)端口連接開(kāi)路器時(shí)，相對(duì)而言阻抗值Zx趨于無(wú)窮大，能夠求出C1/Zm，C表示電路的分布電導(dǎo)；當(dāng)端口連接匹配負(fù)載時(shí)，Zx50，已知B、C和Zm，從式（6.18）求出A，三個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)都能夠確定。品質(zhì)因數(shù)Q和耗散因子D這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量精度對(duì)相位依賴(lài)性較強(qiáng)，為了保

36、證品質(zhì)因數(shù)和耗散因子的測(cè)量準(zhǔn)確度，必須提高射頻阻抗分析儀相位測(cè)量精度。在射頻段，用于校準(zhǔn)的50負(fù)載相位準(zhǔn)確度較低，難以保證高Q值元件的測(cè)量精度，為了減少相位測(cè)量的不確定度，射頻阻抗分析儀校準(zhǔn)時(shí)增加了低損耗空氣電容器作為相位標(biāo)準(zhǔn)，這就是“開(kāi)路/短路/負(fù)載/低損耗電容校準(zhǔn)法”。一般認(rèn)為，50負(fù)載的相位角為0，它的阻抗表示為，式（6.18）校準(zhǔn)系數(shù)的確定就是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的。假定低損耗電容的實(shí)際相位為s（此值一般為/2），測(cè)量相位為c，測(cè)量相位與實(shí)際相位之差=cs這時(shí)，50負(fù)載的阻抗將調(diào)整為下列方程: （6.19）采用調(diào)整后的50負(fù)載重新計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)A、B、C，由于引入了低損耗電容的相位修正，將大

37、大提高射頻阻抗分析儀相位的測(cè)量準(zhǔn)確度，能夠很容易地保證高Q值元件的測(cè)量精度。4）夾具誤差補(bǔ)償技術(shù)為適應(yīng)各種外形被測(cè)件的測(cè)量，需要給整機(jī)配以測(cè)試夾具，由于校準(zhǔn)是在無(wú)測(cè)試夾具下進(jìn)行的，測(cè)試系統(tǒng)安裝上夾具后，必然要引入測(cè)試夾具和校準(zhǔn)參考面之間的誤差，這就涉及到夾具的誤差補(bǔ)償問(wèn)題。夾具的誤差補(bǔ)償有多種方式，比較完備的補(bǔ)償采用開(kāi)路/短路/負(fù)載補(bǔ)償方式，測(cè)試夾具的誤差補(bǔ)償如圖6.14所示。 圖6.14 開(kāi)路/短路/負(fù)載補(bǔ)償示意圖夾具的誤差補(bǔ)償項(xiàng)能夠等效為下列矩陣方程： （6.20）夾具誤差采用A、B、C、D四個(gè)參數(shù)表示，Zxm為阻抗接收機(jī)的測(cè)量值，ZxmV1/I1 ，ZDUT 為被測(cè)件的真實(shí)阻抗，ZDUT

38、V2/I2 ，由矩陣方程得出下列方程式：從而 （6.21）當(dāng)測(cè)試端口開(kāi)路時(shí)，測(cè)量值為Z0，則 當(dāng)測(cè)試端口短路時(shí)，測(cè)量值是Zs，則 當(dāng)測(cè)試端口接一標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載Zstd時(shí)，測(cè)量值為Zsm，則 由以上方程求出 （6.22）夾具誤差補(bǔ)償技術(shù)的主要依據(jù)就是這個(gè)方程。通常情況下，測(cè)試夾具的誤差可以等效為圖6.15電路。 圖6.15 夾具誤差等效電路示意圖 這里 ， 顯然，只需做開(kāi)路器和短路器的簡(jiǎn)單補(bǔ)償，即可求出Z及Y0，從而通過(guò)下列方程式求出ZDUT。 （6.23）這樣，消除夾具誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單的開(kāi)路短路補(bǔ)償就可以實(shí)現(xiàn)，給整個(gè)測(cè)試工作帶來(lái)很多便利。5）典型產(chǎn)品典型產(chǎn)品是美國(guó)HP公司九十年代研制生產(chǎn)的HP4291A

39、射頻阻抗分析儀，它主要包括主機(jī)、測(cè)試平臺(tái)、阻抗測(cè)試頭、測(cè)試夾具和校準(zhǔn)件，主機(jī)由內(nèi)置的合成源、接收機(jī)、數(shù)字控制電路和電源部分組成，方框圖如圖6.16所示。圖6.16 HP4291A整機(jī)方框圖HP4291A內(nèi)置的合成源產(chǎn)生1MHz到1.8GHz、頻率分辨率1mHz的激勵(lì)信號(hào)，送入測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)阻抗測(cè)試頭和測(cè)試夾具加到被測(cè)件上，測(cè)試平臺(tái)交替接收被測(cè)件兩端的電壓和通過(guò)被測(cè)件的電流信號(hào)，并送入主機(jī)， 主機(jī)利用同一個(gè)電路測(cè)量電流和電壓信號(hào)，由于測(cè)量以快速時(shí)分多路傳輸?shù)姆椒ㄔ跍y(cè)試平臺(tái)內(nèi)交替進(jìn)行，轉(zhuǎn)換間隔短， 因而附加在電流和電壓測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差有一定的比例關(guān)系，當(dāng)電壓與電流相比求得阻抗時(shí)， 這些誤差項(xiàng)的一部

40、分將被抵消，接收機(jī)采用高中頻方案，通過(guò)三級(jí)頻率變換實(shí)現(xiàn)中頻處理，被測(cè)信號(hào)在接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行三次中頻變換， 分別為:第一中頻2.05858GHz， 第二中頻21.42MHz， 第三中頻20kHz， 第三中頻信號(hào)通過(guò)取樣保持電路進(jìn)行A/D變換， 轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后， 用數(shù)字信號(hào)處理器分離出信號(hào)的實(shí)部和虛部，并計(jì)算電壓和電流的矢量比（V/I）。同時(shí)，主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和補(bǔ)償，得出基本阻抗參數(shù)。微處理器可以將其變換為其它阻抗參數(shù)，最后按照一定的顯示格式在CRT上顯示。高精度、高分辨率的合成源是射頻阻抗測(cè)量精度的重要保證，HP4291合成源采用三個(gè)鎖相環(huán)路：小數(shù)分頻鎖相環(huán)、步進(jìn)VCO環(huán)和主鎖相環(huán)路，為阻抗測(cè)量提供

41、頻率范圍1MHz1.8GHz、分辨率1mHz的激勵(lì)信號(hào)。HP4291A測(cè)試功能齊全，可以測(cè)量電阻、電容、電感的各種參數(shù)，也可以測(cè)量介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、正切損耗角等各種材料參數(shù)。其主要技術(shù)指標(biāo)有：（1） 工作頻率范圍：1MHz1.8GHz；（2） 頻率分辨率：1mHz；（3） 阻抗范圍：0.150k；（4） 基本阻抗精度：0.8%4.0%；（5） 相位精度：8毫弧度40毫弧度。在HP4291A之后，Agilent公司最近又推出了4991A射頻阻抗分析儀，頻率范圍到3GHz，測(cè)試原理和主要技術(shù)指標(biāo)和4291A相同。6.2.4 射頻阻抗分析儀的主要應(yīng)用1）測(cè)量分立元件(L、C、R)的射頻特性射頻阻抗分

42、析儀具有寬頻帶掃頻能力，適合于測(cè)量電容器的阻抗-頻率特性，確定其固有諧振頻率、殘余阻抗、串聯(lián)等效電阻和相角等數(shù)據(jù);同樣，阻抗分析儀能夠測(cè)量電感器的分布電容和電阻器的殘感。由于分析儀的寬頻帶掃頻和阻抗變換能力，配上各種夾具，射頻阻抗分析儀能夠測(cè)量射頻頻段L、C、R分立元件的所有阻抗參數(shù)。2）測(cè)量高Q器件和電路高Q器件在衛(wèi)星通訊和軍事電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，射頻阻抗分析儀具有很高的頻率分辨率和高Q器件的測(cè)量能力，能夠較好地評(píng)價(jià)這類(lèi)電路參量。比如，在晶體濾波器和諧振器的設(shè)計(jì)中，射頻阻抗分析儀能夠迅速確定假信號(hào)頻率響應(yīng)和寄生振蕩頻率，對(duì)改善電路和降低成本意義重大。3）測(cè)量材料參數(shù)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)是材料參數(shù)的

43、主體，磁導(dǎo)率適應(yīng)的材料主要是各種磁體，介電常數(shù)則是介質(zhì)材料，象印制線路板等，它們很難直接測(cè)量。但是，磁導(dǎo)率或介電常數(shù)分別是電感或電容的函數(shù)，并且與材料的外型尺寸有關(guān)，如能知道這些數(shù)據(jù)，按照公式能夠求出磁導(dǎo)率或介電常數(shù)，射頻阻抗分析儀采用這種方法，通過(guò)特定的夾具，將激勵(lì)信號(hào)加在被測(cè)材料上，測(cè)出磁體的電感或介質(zhì)材料上的電容，使用鍵盤(pán)輸入磁體或介質(zhì)材料的外形尺寸，比如介質(zhì)材料的厚度和面積等，阻抗分析儀將從機(jī)內(nèi)設(shè)定的公式中自動(dòng)求出磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。6.3 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀6.3.1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的基本方法假如我們手中有一個(gè)不能打開(kāi)的黑箱子，箱中裝有何種物體我們一無(wú)所知，要想知道箱中是何物體，就必須通過(guò)搖晃等

44、各種試驗(yàn)來(lái)推測(cè)。網(wǎng)絡(luò)分析與測(cè)量的過(guò)程就類(lèi)似于上述探知黑箱物體的過(guò)程，主要包括三個(gè)步驟:（1）在不知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性的情況下，選取適當(dāng)?shù)耐獠考?lì)信號(hào)；（2）接收、觀察和分析網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號(hào)；（3）與已知特性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或特性進(jìn)行比較來(lái)推測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和分析與測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的了解程度有很大關(guān)系，測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量速度有很大的影響。測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)主要包括對(duì)被測(cè)對(duì)象的特性有一個(gè)大致的估計(jì)，以確定采用何種激勵(lì)信號(hào)及其接收方式，通過(guò)測(cè)量和分析來(lái)驗(yàn)證測(cè)試人員所期望的結(jié)果，測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)還包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部特性之間模型的認(rèn)識(shí)及數(shù)據(jù)積累。通常人們?cè)谶M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

45、時(shí)有意或無(wú)意地采用了上述測(cè)試過(guò)程。通過(guò)研究一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參考面上某種輸入量和輸出量之間的關(guān)系可得到一組表征該網(wǎng)絡(luò)特征的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的表示方法有Y參數(shù)、Z參數(shù)、H參數(shù)、S參數(shù)等，其中利用S參數(shù)分析微波電路特別方便，可以直接反映電路網(wǎng)絡(luò)的傳輸和反射特性，尤其適合描述晶體管和其他有源器件的特性，成為在微波領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，二端口網(wǎng)絡(luò)是最基本的網(wǎng)絡(luò)形式，任何一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)都可以用4個(gè)S參數(shù)來(lái)表示其端口特性，如圖6.17所示。圖中a1、a2分別表示端口1和端口2的入射波，b1、b2分別表示端口1和端口2的出射波。 圖6.17a 微波二端口網(wǎng)絡(luò) 圖6.17b 微波二端口網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流圖從二端口網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)

46、流圖可以得到：（6.24） 其中S11、S22、S12、和S21即為表示網(wǎng)絡(luò)特性的4個(gè)S參數(shù)，稱(chēng)為散射參數(shù)，式（6.24）也被稱(chēng)為散射方程組。可以看出，S11是在端口2匹配情況下端口1的反射系數(shù)，S22是在端口1匹配情況下端口2的反射系數(shù)，S12是在端口1匹配情況下的反向傳輸系數(shù)，S21是在端口2匹配情況下的正向傳輸系數(shù)，即：，一般來(lái)說(shuō)，S11和S22的模均小于1，對(duì)于有增益的器件，如微波晶體管，S21的模大于1，S12的模小于1；對(duì)于有衰減的器件，S21和S12的模均小于1。測(cè)量射頻、微波和毫米波網(wǎng)絡(luò)特性的儀器稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)分析儀，它通過(guò)施加合適的激勵(lì)源到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)并接收和處理網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算和

47、量化被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀有標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之分，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅度特性，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可同時(shí)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅度、相位和群延時(shí)特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間有很大的差異，各有優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)情況見(jiàn)表6.4。表6.4 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的比較標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試裝置反射傳輸全S參數(shù)或反射傳輸信號(hào)分離器件標(biāo)量電橋、定向耦合器定向耦合器檢測(cè)方式二極管檢波方式鎖相接收，同步檢波激勵(lì)信號(hào)源掃頻信號(hào)源合成掃頻信號(hào)源測(cè)量信號(hào)類(lèi)型標(biāo)量幅度測(cè)量矢量幅度、相位、群時(shí)延的特性測(cè)量測(cè)量功能少多測(cè)量精度低高組成系統(tǒng)簡(jiǎn)單復(fù)雜成本低高網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口已通用化

48、和標(biāo)準(zhǔn)化，在射頻、微波和毫米波頻段的低端一般采用同軸連接器，通過(guò)同軸至波導(dǎo)轉(zhuǎn)換可完成波導(dǎo)器件的測(cè)量， 毫米波頻段多采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)， 網(wǎng)絡(luò)分析儀采用的標(biāo)準(zhǔn)端口見(jiàn)表6.5。表6.5 網(wǎng)絡(luò)分析儀的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量端口同 軸 系 統(tǒng)波 導(dǎo) 系 統(tǒng)連接器頻率范圍波導(dǎo)頻率范圍N型DC18GHzWR-421826.5GHz7mmDC18GHzWR-2826.540GHz3.5mmDC26.5GHzWR-223350GHzK(2.92mm)DC40GHzWR-194060GHz2.4mmDC50GHzWR-155075GHzV(1.85mm)DC60GHzWR-1075110GHz1mmDC110GHz6.3.2 微波

49、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成與工作原理早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀大都只能進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量，測(cè)量在一個(gè)或幾個(gè)固定頻率點(diǎn)上進(jìn)行。但隨著射頻和微波技術(shù)的發(fā)展，微波系統(tǒng)及元器件逐步向?qū)掝l帶方向發(fā)展，需在要求的頻帶內(nèi)進(jìn)行很多頻率點(diǎn)的測(cè)量才能獲得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的寬帶特性。而早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀由于只能進(jìn)行點(diǎn)頻手工測(cè)量，在進(jìn)行寬帶測(cè)量時(shí)工作繁瑣，效率很低，不能適應(yīng)現(xiàn)代射頻和微波測(cè)量要求?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀與早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀相比，主要有三個(gè)顯著的進(jìn)步：一是引入了掃頻信號(hào)源，可進(jìn)行寬帶掃頻測(cè)量，測(cè)量速度快，提高了測(cè)量效率；二是引入了計(jì)算機(jī)，智能化水平有了極大提高，可以同時(shí)計(jì)算并以圖形方式顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的多種參數(shù)；三是引入了基于軟件的誤差修正技術(shù)，使

50、寬帶測(cè)量的精度大幅度提高，并在一定程度上降低了對(duì)測(cè)試儀器的硬件指標(biāo)要求。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)分為4大部分，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機(jī)、微波掃頻信號(hào)源、信號(hào)分離器件和檢波器。其中圖6.18是微波同軸標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)，如果微波掃頻信號(hào)源和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，稱(chēng)為一體化標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，否則為分體式標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖6.18 微波同軸標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)組成圖6.19a和圖6.19b是毫米波波導(dǎo)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩種方案，a方案采用毫米波掃頻信號(hào)源，源的輸出功率大，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍大，組成的測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單。b方案采用微波掃頻信號(hào)源通過(guò)倍頻的方式獲得毫米波信號(hào)，毫米波信號(hào)源的輸出功率較小，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍小

51、，但由于采用微波掃頻信號(hào)源替代毫米波信號(hào)源，使系統(tǒng)總價(jià)格降低。在標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)組成中，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)人機(jī)交互、系統(tǒng)控制、信號(hào)調(diào)理與采集、信號(hào)分析、補(bǔ)償和誤差修正等任務(wù)；微波掃頻信號(hào)源提供給被測(cè)網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)信號(hào)；信號(hào)分離器件負(fù)責(zé)分離入射波和反射波，射頻和微波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的信號(hào)分離器件一般采用標(biāo)量惠斯頓電橋，而毫米波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的信號(hào)分離器件為高方向性的定向耦合器；檢波器的作用是將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為與微波信號(hào)功率成比例的直流或低頻交流信號(hào)，便于主機(jī)處理。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀所用檢波器件一般為肖特基二極管，也有應(yīng)用性能更好的平面摻雜勢(shì)壘二極管（PBD），具有很好的頻響特性及很

52、高的靈敏度。整個(gè)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的工作頻率范圍由組成系統(tǒng)的掃頻信號(hào)源、信號(hào)分離器件和檢波器共同決定。不論分體式還是一體化標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀其信號(hào)分離器件和檢波器均在機(jī)箱的外面。圖6.19a 毫米波波導(dǎo)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)組成圖6.19b 毫米波波導(dǎo)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)組成6.3.2.1 分體式標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀分體式標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般至少設(shè)置A、B和R三個(gè)相互獨(dú)立的信號(hào)通道，各通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行分級(jí)放大、對(duì)數(shù)變換等處理后送入A/D變換電路。圖6.20為分體標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的簡(jiǎn)化原理方框圖。微波激勵(lì)信號(hào)通過(guò)定向電橋施加到被測(cè)件上，定向電橋分離出反射波并將其轉(zhuǎn)換成與反射波信號(hào)功率成比例的直流信號(hào)，通過(guò)被測(cè)件的傳輸波

53、由連接被測(cè)件的檢波器轉(zhuǎn)換成與傳輸波信號(hào)功率成比例的直流信號(hào)。檢波后的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲前置放大和斬波處理輸出低頻調(diào)制信號(hào)。不管是哪種檢波方式，送入標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的都是27.778kHz的方波調(diào)制信號(hào)，然后通過(guò)選頻濾波器、對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行放大整形，采用相關(guān)檢波技術(shù)還原成直流信號(hào)。處理后的直流信號(hào)通過(guò)采樣保持和高速A/D變換成數(shù)字信號(hào)，CPU將所獲取的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和加工，包括平方律補(bǔ)償、誤差修正等，并以圖形方式顯示出來(lái)。圖6.20 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖 CPU是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的指揮控制中心，在CPU的控制下完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量控制和數(shù)據(jù)處理，因此測(cè)量控制軟件是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀重要的組成部分。為

54、了保證標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)軟件設(shè)置了很多補(bǔ)償和校準(zhǔn)技術(shù)，如通道精度補(bǔ)償、檢波器精度補(bǔ)償、頻率響應(yīng)補(bǔ)償、平方律檢波補(bǔ)償、各通道及檢波器溫度補(bǔ)償及自動(dòng)零和手動(dòng)零技術(shù)，所有這些都涉及了大量的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)接口將給系統(tǒng)使用和操作帶來(lái)很大的方便，通過(guò)該接口與掃頻信號(hào)源相連，構(gòu)成標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的核心為信號(hào)的通道處理部分，該部分設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整機(jī)性能的指標(biāo)，下面我們將較為詳細(xì)地介紹該部分的工作原理。1）對(duì)數(shù)放大電路該電路的原理框圖如圖6.21所示。圖6.21 對(duì)數(shù)放大原理框圖一臺(tái)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常含有三到四個(gè)獨(dú)立信號(hào)通道，其結(jié)構(gòu)完全相同，下面以一個(gè)通道為例加以說(shuō)明。首先，檢波器輸出的27.778kHz的調(diào)制信號(hào)送入由兩個(gè)三