第6章-阻抗與網(wǎng)絡分析(v60)

1、第六章 網(wǎng)絡參數(shù)測試與分析本章所說的網(wǎng)絡是指由若干元器件、電路連接形成的電路網(wǎng)絡，不是目前常說的局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)所指的網(wǎng)絡概念。網(wǎng)絡所包含的對象多種多樣，千差萬別，小到一個在顯微鏡下才能觀察到的管芯或梁式引線二極管，大到一部雷達或人造衛(wèi)星的電子系統(tǒng)。對網(wǎng)絡的各種參數(shù)進行正確的測試與分析，是電子設備成功研制、生產(chǎn)乃至驗收、維護維修的基礎。測量和分析的網(wǎng)絡參數(shù)主要分為阻抗特性、網(wǎng)絡特性和噪聲系數(shù)特性三類。阻抗特性測量按頻段可分為三種，低頻阻抗測量、射頻阻抗測量和微波阻抗測量。低頻阻抗測量儀器主要是指LCR表，用于測量30MHz以下元器件的電阻、電感和電容。由于測量頻率較低，采用四端對方法即可獲得高的

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

3、端口和二端口網(wǎng)絡S參數(shù)為基礎建立被測對象的數(shù)學模型。網(wǎng)絡分析儀分為標量網(wǎng)絡分析儀和矢量網(wǎng)絡分析儀兩大類。標量網(wǎng)絡分析儀采用基于二極管檢波的寬帶接收方式，僅能對網(wǎng)絡參數(shù)的幅頻特性進行測試；矢量網(wǎng)絡分析儀采用基于同步檢波的窄帶幅相接收方式，可對網(wǎng)絡參數(shù)的幅頻特性、相頻特性和群時延特性進行測試與分析。由于矢量網(wǎng)絡分析儀具有標量網(wǎng)絡分析儀無法比擬的優(yōu)勢，且隨著電子技術的發(fā)展，矢量網(wǎng)絡分析儀的性能指標越來越高，功能越來越強，而價格卻越來越低，呈現(xiàn)逐步取代標量網(wǎng)絡分析儀的趨勢。目前商品化的矢量網(wǎng)絡分析儀已覆蓋30kHz300GHz的頻率范圍，實驗室水平已達到1000GHz。噪聲系數(shù)是指當輸入端溫度處于T0

4、=290K時，網(wǎng)絡輸入端信號噪聲功率比與輸出端信號噪聲功率比的比值。噪聲系統(tǒng)主要描述線性網(wǎng)絡的噪聲特性，體現(xiàn)了網(wǎng)絡對輸入信號信噪比的惡化程度。噪聲系數(shù)指標對接收機系統(tǒng)特別重要，它直接影響了接收機的靈敏度。噪聲系數(shù)分析儀是測量網(wǎng)絡噪聲系數(shù)的儀器。目前的噪聲系數(shù)分析儀大都采用Y因子法進行噪聲系數(shù)的測量，其測量頻率范圍從10MHz到110GHz。6.1 元器件特性的網(wǎng)絡表征方法電磁場的處理方法是通過求解在給定邊界條件下的麥克斯韋方程組來獲得的，盡管計算機技術已廣泛應用于求解電磁場問題，但不是所有問題都能得到麥克斯韋方程組的真實解。隨著微波CAD技術的不斷發(fā)展，電路理論中的許多概念和方法在微波技術領域

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

6、是最基本的網(wǎng)絡形式，雖然一個網(wǎng)絡可能會有多個端口，但通過特定的處理方式多端口網(wǎng)絡可以轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡。二端口網(wǎng)絡模型有四個變量，其中兩個是輸入變量，又稱為自變量，為網(wǎng)絡的激勵信號，而另外兩個變量為輸出變量，表示網(wǎng)絡對激勵信號的響應，又稱因變量。6.1.1 單端口網(wǎng)絡阻抗參數(shù)的表征方法單端口網(wǎng)絡有兩個引腳，因此又稱雙端器件，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)不能用簡單的元件參數(shù)表示，例如，一只電容的實際等效電路如圖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，這個電路可以簡化為串聯(lián)和并聯(lián)電路形式。如果Ls和Rs相對于Rp較小，可忽略不計，該電路等效為并聯(lián)模型；反之則為串聯(lián)模型。在進行元器件阻抗測量時，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。在具體應用時，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

8、際電路中，一個電容器常是由電容、寄生電感和電阻決定的。顯然，串/并聯(lián)模型難以同時表示這三個參量，因此常采用表6.2所述的五種等效電路模型。根據(jù)器件的類別，可以選擇五種模型中的一種。目前世界上先進的阻抗分析儀就使用這種方法進行測量。表6.2 五種等效電路模型等效電路器件類型典型頻率特性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)絡參數(shù)的表征方法對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、導納參數(shù)Y和級連參數(shù)ABCD之間的關系。圖6.2是用于低頻電路的二端口網(wǎng)絡，有四個變量，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、個變量作自變量而另兩個變量作因變量，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)絡當選擇電流I1和I2作自變量、電壓V1和V2作因變量時，得到一組網(wǎng)絡參數(shù)稱阻抗參數(shù)（Z參數(shù)），公式（6.1）是Z參數(shù)的方程。（6.1） 網(wǎng)絡的四個阻抗參數(shù)通過將其中一個端口的電流作激勵源，而另一個端口電流為零（即開路狀態(tài)）求得。如正向轉(zhuǎn)移阻抗Z21，是端口2處于開路狀態(tài)、端口1加激勵電流源I1時，端口2的開路電壓V2與電流源I1的比值。同理可以求出其他三個阻抗參數(shù)。 （6.2）當選擇電壓V1和V2為自變量，電流I1和I2作因變量時，得到一組網(wǎng)絡參數(shù)稱導納

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)絡的Y參數(shù)通過將其中一個端口短路，而另一個端口施加電壓源來求得。（6.3） Z參數(shù)和Y參數(shù)不能直接應用于多個網(wǎng)絡級聯(lián)的情況，對于級聯(lián)網(wǎng)絡常用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是無量綱的，B代表阻抗，C代表導納，四個參數(shù)仍可以通過短路和開路的方法來求得。（6.4） 6.1.3微波網(wǎng)絡的表征方法通過對網(wǎng)絡輸入端和輸出端進行短路和開路設置測量網(wǎng)絡參數(shù)的方法，在低頻電路中是行之有效的。但當工作頻率很高時，由于引線電感和分布電容的影響，要得到理想的短路和開路幾乎是不可能的，同時直接測量網(wǎng)絡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，在微波領域得到了廣泛應用，尤其適用于描述晶體管和其他有源器件的特性。主要有以下幾個優(yōu)點。（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)代表復數(shù)的插入損耗或插入增益，反射參數(shù)代表網(wǎng)絡與源或負載之間的失配情況。（3） S參數(shù)便于實際測量。當信號源的內(nèi)阻和負載的阻抗均為50特性阻抗時，通過反射和傳輸測量即可獲得網(wǎng)絡的S參數(shù)。實際的信號源內(nèi)阻和負載阻抗不可能為理想的50，而現(xiàn)代矢量網(wǎng)絡分析儀

12、通過誤差修正可以將源失配和負載失配的影響降低到可以忽略的程度。（4） S參數(shù)便于電路設計和計算分析，現(xiàn)在三極管和場效應管等有源器件的生產(chǎn)廠家均給出典型器件的S參數(shù)，以便用戶更好地進行電路設計和計算。并且采用S參數(shù)表征網(wǎng)絡特性最適于用信號流圖來解決復雜的微波網(wǎng)絡問題。（5） 沿著無耗傳輸線移動網(wǎng)絡參考面時，其幅度不變而只是相位發(fā)生變化。在實際測量過程中，經(jīng)常把一些低損耗傳輸線近似為無損耗傳輸線，使網(wǎng)絡分析和測量很方便，尤其是只關心幅頻特性的時候。對于微波網(wǎng)絡采用分布參數(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之間的關系。圖6.3微波二端口網(wǎng)絡模型定義了入射波a和出射波b與S參數(shù)之間的關系

13、，網(wǎng)絡的S參數(shù)以入射波a為自變量，出射波b為因變量，對于任意的二端口網(wǎng)絡有四個獨立的參數(shù)，四個參數(shù)表征了網(wǎng)絡的特性。圖6.3 微波二端口網(wǎng)絡對于線性二端口微波網(wǎng)絡滿足疊加原理，網(wǎng)絡的特性阻抗可用式（6.5）來表征。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)名稱物理意義變量或參數(shù)名稱物理意義進入網(wǎng)絡端口1的入射波進入二端口網(wǎng)絡端口1的入射波功率進入網(wǎng)絡端口2的入射波進入二端口網(wǎng)絡端口2的入射波功率網(wǎng)絡端口1的出射波（包括反射波和端口2到端口1的傳輸波）網(wǎng)絡端口1的出射波功率網(wǎng)絡端口2的出射波（包括反射波和端口1到端口2的傳輸波）網(wǎng)絡端口2的

14、出射波功率端口2接匹配負載時，端口1的反射系數(shù)網(wǎng)絡端口1的出射波功率與入射波功率之比端口1接匹配負載時，端口2的反射系數(shù)網(wǎng)絡端口2的出射波功率與入射波功率之比端口2接匹配負載時正向傳輸系數(shù)端口2接匹配負載時，正向功率增益端口1接匹配負載時反向傳輸系數(shù)端口1接匹配負載時，反向功率增益對于互易的二端口網(wǎng)絡有三個獨立的參數(shù)，對于對稱互易網(wǎng)絡只有兩個獨立的參數(shù)。雖然用網(wǎng)絡分析儀測量二端口網(wǎng)絡微波網(wǎng)絡無需事先知道網(wǎng)絡的性質(zhì)，但實際測量過程中往往了解網(wǎng)絡性質(zhì)有助于減少測試次數(shù)，并可利用網(wǎng)絡的性質(zhì)來檢驗測試結果及其正確性。雖然S參數(shù)的表達式（6.5）中沒有出現(xiàn)特性阻抗Z，但實際上所有的變量和參數(shù)都是相對于一

15、個簡單的正實數(shù)阻抗，該阻抗稱為特性阻抗。（6.5） 6.1.4網(wǎng)絡參數(shù)之間的關系對于單端口網(wǎng)絡只有一個參數(shù)，Z參數(shù)或Y參數(shù)分別代表網(wǎng)絡的輸入阻抗或輸入導納，如用S參數(shù)來表示，則代表反射系數(shù)。二者之間的關系為式（6.6）。其中，Z和Y分別代表網(wǎng)絡的特性阻抗和特性導納。在微波電路中表示網(wǎng)絡反射特性的技術指標除反射系數(shù)外，還有駐波比和回波損耗。其中反射系數(shù)是復數(shù)，包含有幅度和相位信息，而駐波比和回波損耗均為實數(shù)，只包含有幅度信息，三者之間的關系用式（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）對于二端口微波網(wǎng)絡，信號源的內(nèi)阻、負載阻抗和網(wǎng)絡之間的匹配狀態(tài)對反

16、射指標和傳輸指標有較大的影響，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)絡分析儀具有矢量誤差修正的能力，提高了源匹配和負載匹配的技術指標，當被測網(wǎng)絡接入矢量網(wǎng)絡分析儀的測試端口時，源和負載造成的失配誤差可以被修正，可當作輸入和輸出端均達到匹配狀態(tài)的情況來處理。1）電壓傳輸系數(shù) 當網(wǎng)絡的輸出端接匹配負載時，輸出端的出波和輸入端的入波之比稱為網(wǎng)絡的電壓傳輸系數(shù)。一般情況下電壓傳輸系數(shù)是矢量不是標量，它的幅度稱為電壓增益，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)絡從匹配信號源取得的功率與輸出端負載匹配時負載獲得的功率之比。插入損耗

17、表明了網(wǎng)絡對信號功率的衰減程度，它包含有網(wǎng)絡吸收損耗和反射損耗兩種，式（6.10）中第一項為網(wǎng)絡的吸收損耗，第二項為網(wǎng)絡的反射損耗。對于不同性質(zhì)的微波網(wǎng)絡有不同的要求，如衰減器主要由內(nèi)部吸收損耗所引起，而對于濾波器，其構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)當輸出端處于匹配狀態(tài)時，輸入端的反射系數(shù)即為S11，同理當輸入端處于匹配狀態(tài)時，輸出端的反射系數(shù)即為S22。對于任意的信號源內(nèi)阻Zs和負載阻抗ZL，輸入輸出端的反射系數(shù)可通過信號流圖來獲得，其中L和S 分別代表負載和信號源的反射系數(shù)。輸入端反射系數(shù) （6.11）輸出端反射系數(shù) （6.1

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

19、們始終關心這方面的工作。早期的阻抗測試要求的頻段范圍較低，功能比較單一，實現(xiàn)起來相對簡單，一種儀器不能同時測量各種阻抗參數(shù)，因而各種測量儀應運而生，比如阻抗電橋、電容器參數(shù)測量儀、電感參數(shù)測量儀等。此后，隨著大規(guī)模集成電路和微處理器技術的發(fā)展， 采用微處理器的阻抗參數(shù)分析儀得到普及，實現(xiàn)寬頻帶、多功能、多參量、高精度、高速度、自校準、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。在軍事領域， 隨著軍事電子技術的發(fā)展， 對電子材料及電子元器件提出了更高的要求。 當前，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試日益成為軍事科研及產(chǎn)品設計的重要組成部分。阻抗測量的方法很多，幾十年來，雖然測試技術得到很大發(fā)展，但是阻抗測量的原理和測試方法基本沒有改變，射頻頻段的阻抗測試則是個特例。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試儀HP4191，首次實現(xiàn)射頻阻抗的智能化測試。該儀器采用的基本測量方法（反射法）采用了反射計電橋作為信號耦合器，能在1MHz到1000MHz頻率范圍內(nèi)測量元器件的阻抗特性， 并具有寬量程、多功能等特點。但是，當阻抗測試偏離50時，測試精度將變差，且偏離越遠，精度越差。 針對這一不足，1994年，HP公司又推出了它第二代射頻阻抗測試產(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)阻抗測量方法的局限性， 利用了數(shù)字鑒相、數(shù)字濾波等信號處理方法，很好的解決了電壓、電流信號之間的相差測量，抑制了高次諧波、隨機噪聲的干擾。HP4291采用了兩種新技術，一是射頻電流-電壓直接阻抗測量技術， 二是高、低阻抗電路技術， 能夠在保持高精度的同時， 頻率范圍提高到1.8GHz， 阻抗測量范圍從0.1到50k，同時采用彩色CRT顯示，測量結果更加直觀，并可以進行材料特性測量，是具有世界先進水平的代表產(chǎn)品。HP4291可達到的測試精度為84%，測試頻率分辨率可達1mHz，在同行業(yè)中獨占鰲頭。我國在

22、九五期間也進行了射頻阻抗分析儀的研制工作并獲得了成果，產(chǎn)品的技術指標已接近（部分達到）Agilent公司HP4291A的指標要求，在國內(nèi)科研院所取得了一定的應用。最近幾年，Agilent公司又推出了改進型產(chǎn)品E4991A射頻阻抗材料分析儀，仍然采用射頻I-V測量技術，測試精度和頻率分辨率與HP4291一致，頻率范圍擴展到3GHz，能夠在更寬頻段內(nèi)對元件進行精確測試。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，首先要明白幾個阻抗測試時常用參數(shù)的定義。（1） 阻抗。符號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器件的端電壓和流過該器件的電流之比（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） 導納。符號Y，YYGjB，單位西門子（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RS，單位歐姆（），它是導體或電路以發(fā)熱的形式損耗能量的一種特性，是復數(shù)阻抗的實數(shù)部分。（4） 并聯(lián)電阻。符號RP，單位歐姆（），它是電導的倒數(shù)。（5） 電容。符號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儲能特性。電容在并聯(lián)電路里用正電納（jC）表示，在串聯(lián)電路里用負電抗（j /C）表示。（6） 電導。符號G，單位西門子，用來描述元件或電路的電能損失特性，它是復數(shù)導納的實數(shù)部分。（

24、7） 電納。號B，單位西門子，它是復數(shù)導納的虛數(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。（8） 電感。符號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儲能特性，電感在串聯(lián)電路里用正電抗（jL）表示，在并聯(lián)電路里用負電納（j /L）表示。（9） 品質(zhì)因數(shù)。符號Q，無量綱，它是電路或元件最大儲能的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，它是電納與電導之比。（10） 耗散因子。符號D，無量綱，它是品質(zhì)因素的倒數(shù)。（11） 反射系數(shù)。符號，在均勻傳輸線上取定一參考面，反射回來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、阻抗量程和測量精度的不同，阻抗分析儀采用多種測量原理，一般有電橋法、諧振法、I-V法、射頻I-V法、網(wǎng)絡分析儀法和自動平衡電橋法六種測試技術。電橋法的頻率測量范圍一般為直流到300MHz，電橋法的測試精度高，配以不同的電橋可以提供較寬的頻率測量范圍，但測試時需要手動平衡電橋，單一電橋的測試頻段窄，在自動測試技術高度發(fā)展的今天，除了需要進行高精度測試的標準實驗室外，工業(yè)部門已很少采用這一測試技術。諧振法的頻率測量范圍一般為10kHz到70MHz，采用諧振法能夠在進行高Q值測試時獲得很高的

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

27、試精度就大大降低，因而它的阻抗測試范圍較窄，在不同頻段可能需要多次校準。圖6.7 射頻I-V法圖 6.8 網(wǎng)絡分析儀法自動平衡電橋法能夠在20Hz到110MHz頻率范圍內(nèi)進行測試，具有較高的測量頻段、很高的測量精度和寬的阻抗測量范圍，目前低頻段的阻抗分析儀一般都采用這一測試技術。圖6.9 自動平衡電橋法6.2.3 射頻阻抗分析儀的設計思路及關鍵技術射頻阻抗分析儀的主要測量原理有兩種，一種是網(wǎng)絡分析儀法，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量法。6.2.3.1 反射系數(shù)法測量阻抗不論阻抗Z，還是反射系數(shù)，都可用來表示器件及電路的特征。是基于均勻傳輸線上傳輸?shù)牟?，如果傳輸線的特性

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，通過反射系數(shù)可以求出阻抗。 反射系數(shù)法就是基于上述測量原理。先求出被測件的反射系數(shù)，然后由機內(nèi)微處理器換算出阻抗參數(shù)。矢量網(wǎng)絡分析儀的阻抗測量功能基本上都是采用這種方式實現(xiàn)的，而在射頻阻抗分析儀中，采用這種方法的基本測量電路由信號源和矢量電壓比檢測器組成，框圖如圖6.10所示。 合成源定 向電 橋被測件參考通道測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器測試通道鍵盤自校準程序 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源是一個頻率合成器，它產(chǎn)生射頻激勵信

29、號，定向電橋的測試端口連接被測件，并提供正比于被測件反射系數(shù)的矢量輸出信號。測試信號從測試端口加到被測件上，信號的一部分從被測件反射回定向電橋，參考通道和測試通道輸出的矢量電壓比，反映出被測件的反射系數(shù)。定向電橋輸出信號通過頻率變換器下變頻為中頻信號，由相敏檢波器分離出矢量的實數(shù)和虛數(shù)部分。三個參考終端：0短路器、0S開路器和50負載用來校準電橋電路各誤差分量、電長度和其它不確定度等系統(tǒng)誤差，所獲得的校準數(shù)據(jù)可存儲在內(nèi)部存儲器中，以修正被測件的矢量測量值。帶微處理器的數(shù)字控制電路按照存儲器中的程序控制儀器的測量過程，并完成由測得的反射系數(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、壓直接測量法運用反射系數(shù)法測量阻抗時，由于阻抗是從反射系數(shù)換算來的，當阻抗偏離50較遠時， 反射系數(shù)值的微小變化將導致很大的阻抗變化，這將降低射頻頻段阻抗測量的精度。因而，這種方法適合在50附近的阻抗測量，在遠離50時，測量精度難以保證。為了提高射頻阻抗的測量精度，出現(xiàn)了采用射頻電流電壓直接阻抗測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量阻抗，即使阻抗明顯大于或小于50，進行阻抗測量時也能保證各參數(shù)的精度。1）射頻電流電壓直接測量法原理概述復數(shù)電流電壓法是經(jīng)典的阻抗測量方法，在頻率低于100MHz時，這種方法在目前仍廣泛使用。然而，隨著頻率的提高，被測件不能看作是一個單純的集總

31、參數(shù)，副參量的影響愈趨嚴重，特別是這種方法在檢測電壓時，一般是通過低損耗變壓器將電壓耦合到另一回路進行檢測，而變壓器有嚴格的帶寬限制，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，稱為射頻電流-電壓直接阻抗測量法，基本電路如圖6.11所示。圖6.11 射頻電流-電壓直接阻抗測量法基本測量電路這種方法采用了兩個矢量電壓表Vv和Vi，Vv檢測加在被測件兩端的矢量電壓，Vi檢測通過被測件相應的矢量電流，假定測量電路中沒有分布電導和殘余阻抗，那么被測件的阻抗ZX可以通過下列方程計算求得: （6.15） 典型電原理圖如圖6.12所示，在這里采用巴倫實現(xiàn)平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換，其變

32、比為1:1，開關采用匹配式單刀雙擲開關，R0為50W匹配負載，一般為薄膜電阻。進行電路設計時，電壓電流端口結構應盡量對稱，以減少分布參數(shù)的影響，提高測試的一致性和精度。從圖中可以看出，電流、電壓轉(zhuǎn)換頭為三端口對稱形式，當切換開關分別進行電壓電流信號測試時，轉(zhuǎn)換頭不影響信號源及接收機混頻器的工作，不造成切換誤差。被測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測量，信號通道引起的誤差通過校準測試可以減少。該法與反射系數(shù)法相比，不要求嚴格的阻抗匹配，因而可以進行寬量程的阻抗測試。圖6.12 采用巴倫實現(xiàn)電流和電壓分離電原理圖2）高、低阻抗測量法實際上的測量電路不能同時測量被測件

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

34、針對不同的被測阻抗采用適當?shù)臏y量電路，就可以按給定的測量精度擴展阻抗測量范圍。對于高阻抗測試頭，ZX表示為： （6.16）對于低阻抗測試頭，ZX表示為： （6.17）3）射頻阻抗分析儀的校準原理由于分布電導和殘余阻抗的存在，電路元件的誤差不能忽視，如圖6.13中，測量電路的四個匹配電阻(R0)很難做到完全一致，從式（6.16）和式（6.17）計算出的阻抗值與實際被測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。校準要先建立誤差模型，使用標準件進行測量，求出誤差模型的各校準系數(shù)，存入儀器內(nèi)，儀器通過計算對被測件的測量結果自動作出修正，以提高測量精度。射頻阻抗分析儀的誤差因子與矢量網(wǎng)絡分

35、析儀的S參數(shù)誤差因子是不同的，科研人員對射頻阻抗分析儀的誤差修正進行研究，找出了規(guī)律，一般情況下，如果測量阻抗值用Zm表示，實際阻抗值Zx能夠用下列方程修正: （6.18）這里，A、B、C為校準系數(shù)，采用開路器、短路器和匹配負載三種標準件對儀器進行校準，可以求出這三個系數(shù)。比如，當測試端口連接短路器時，Zx0，則BZm，B表示電路的殘余阻抗；當端口連接開路器時，相對而言阻抗值Zx趨于無窮大，能夠求出C1/Zm，C表示電路的分布電導；當端口連接匹配負載時，Zx50，已知B、C和Zm，從式（6.18）求出A，三個校準系數(shù)都能夠確定。品質(zhì)因數(shù)Q和耗散因子D這兩個參數(shù)的測量精度對相位依賴性較強，為了保

36、證品質(zhì)因數(shù)和耗散因子的測量準確度，必須提高射頻阻抗分析儀相位測量精度。在射頻段，用于校準的50負載相位準確度較低，難以保證高Q值元件的測量精度，為了減少相位測量的不確定度，射頻阻抗分析儀校準時增加了低損耗空氣電容器作為相位標準，這就是“開路/短路/負載/低損耗電容校準法”。一般認為，50負載的相位角為0，它的阻抗表示為，式（6.18）校準系數(shù)的確定就是建立在這個基礎上的。假定低損耗電容的實際相位為s（此值一般為/2），測量相位為c，測量相位與實際相位之差=cs這時，50負載的阻抗將調(diào)整為下列方程: （6.19）采用調(diào)整后的50負載重新計算校準系數(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量準確度，能夠很容易地保證高Q值元件的測量精度。4）夾具誤差補償技術為適應各種外形被測件的測量，需要給整機配以測試夾具，由于校準是在無測試夾具下進行的，測試系統(tǒng)安裝上夾具后，必然要引入測試夾具和校準參考面之間的誤差，這就涉及到夾具的誤差補償問題。夾具的誤差補償有多種方式，比較完備的補償采用開路/短路/負載補償方式，測試夾具的誤差補償如圖6.14所示。 圖6.14 開路/短路/負載補償示意圖夾具的誤差補償項能夠等效為下列矩陣方程： （6.20）夾具誤差采用A、B、C、D四個參數(shù)表示，Zxm為阻抗接收機的測量值，ZxmV1/I1 ，ZDUT 為被測件的真實阻抗，ZDUT

38、V2/I2 ，由矩陣方程得出下列方程式：從而 （6.21）當測試端口開路時，測量值為Z0，則 當測試端口短路時，測量值是Zs，則 當測試端口接一標準負載Zstd時，測量值為Zsm，則 由以上方程求出 （6.22）夾具誤差補償技術的主要依據(jù)就是這個方程。通常情況下，測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，只需做開路器和短路器的簡單補償，即可求出Z及Y0，從而通過下列方程式求出ZDUT。 （6.23）這樣，消除夾具誤差進行簡單的開路短路補償就可以實現(xiàn)，給整個測試工作帶來很多便利。5）典型產(chǎn)品典型產(chǎn)品是美國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、測試平臺、阻抗測試頭、測試夾具和校準件，主機由內(nèi)置的合成源、接收機、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的激勵信號，送入測試平臺，通過阻抗測試頭和測試夾具加到被測件上，測試平臺交替接收被測件兩端的電壓和通過被測件的電流信號，并送入主機， 主機利用同一個電路測量電流和電壓信號，由于測量以快速時分多路傳輸?shù)姆椒ㄔ跍y試平臺內(nèi)交替進行，轉(zhuǎn)換間隔短， 因而附加在電流和電壓測量數(shù)據(jù)中的誤差有一定的比例關系，當電壓與電流相比求得阻抗時， 這些誤差項的一部

40、分將被抵消，接收機采用高中頻方案，通過三級頻率變換實現(xiàn)中頻處理，被測信號在接收機內(nèi)進行三次中頻變換， 分別為:第一中頻2.05858GHz， 第二中頻21.42MHz， 第三中頻20kHz， 第三中頻信號通過取樣保持電路進行A/D變換， 轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后， 用數(shù)字信號處理器分離出信號的實部和虛部，并計算電壓和電流的矢量比（V/I）。同時，主機對數(shù)據(jù)校準和補償，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量精度的重要保證，HP4291合成源采用三個鎖相環(huán)路：小數(shù)分頻鎖相環(huán)、步進VCO環(huán)和主鎖相環(huán)路，為阻抗測量提供

41、頻率范圍1MHz1.8GHz、分辨率1mHz的激勵信號。HP4291A測試功能齊全，可以測量電阻、電容、電感的各種參數(shù)，也可以測量介電常數(shù)、磁導率、正切損耗角等各種材料參數(shù)。其主要技術指標有：（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，測試原理和主要技術指標和4291A相同。6.2.4 射頻阻抗分析儀的主要應用1）測量分立元件(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量射頻頻段L、C、R分立元件的所有阻抗參數(shù)。2）測量高Q器件和電路高Q器件在衛(wèi)星通訊和軍事電子領域應用廣泛，射頻阻抗分析儀具有很高的頻率分辨率和高Q器件的測量能力，能夠較好地評價這類電路參量。比如，在晶體濾波器和諧振器的設計中，射頻阻抗分析儀能夠迅速確定假信號頻率響應和寄生振蕩頻率，對改善電路和降低成本意義重大。3）測量材料參數(shù)磁導率和介電常數(shù)是材料參數(shù)的

43、主體，磁導率適應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，它們很難直接測量。但是，磁導率或介電常數(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，如能知道這些數(shù)據(jù)，按照公式能夠求出磁導率或介電常數(shù)，射頻阻抗分析儀采用這種方法，通過特定的夾具，將激勵信號加在被測材料上，測出磁體的電感或介質(zhì)材料上的電容，使用鍵盤輸入磁體或介質(zhì)材料的外形尺寸，比如介質(zhì)材料的厚度和面積等，阻抗分析儀將從機內(nèi)設定的公式中自動求出磁導率和介電常數(shù)。6.3 標量網(wǎng)絡分析儀6.3.1 網(wǎng)絡測量的基本方法假如我們手中有一個不能打開的黑箱子，箱中裝有何種物體我們一無所知，要想知道箱中是何物體，就必須通過搖晃等

44、各種試驗來推測。網(wǎng)絡分析與測量的過程就類似于上述探知黑箱物體的過程，主要包括三個步驟:（1）在不知道網(wǎng)絡內(nèi)部結構和特性的情況下，選取適當?shù)耐獠考钚盘枺唬?）接收、觀察和分析網(wǎng)絡響應信號；（3）與已知特性的網(wǎng)絡結構或特性進行比較來推測被測網(wǎng)絡內(nèi)部結構和特性。網(wǎng)絡測量和分析與測試人員的經(jīng)驗以及對被測網(wǎng)絡的了解程度有很大關系，測試人員的經(jīng)驗對測量精度和測量速度有很大的影響。測試人員的經(jīng)驗主要包括對被測對象的特性有一個大致的估計，以確定采用何種激勵信號及其接收方式，通過測量和分析來驗證測試人員所期望的結果，測試人員的經(jīng)驗還包括對網(wǎng)絡的內(nèi)部結構與外部特性之間模型的認識及數(shù)據(jù)積累。通常人們在進行網(wǎng)絡測試

45、時有意或無意地采用了上述測試過程。通過研究一個網(wǎng)絡參考面上某種輸入量和輸出量之間的關系可得到一組表征該網(wǎng)絡特征的參數(shù)。網(wǎng)絡參數(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，成為在微波領域應用最廣泛的網(wǎng)絡參數(shù)，二端口網(wǎng)絡是最基本的網(wǎng)絡形式，任何一個二端口網(wǎng)絡都可以用4個S參數(shù)來表示其端口特性，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 圖6.17b 微波二端口網(wǎng)絡的信號流圖從二端口網(wǎng)絡的信號

46、流圖可以得到：（6.24） 其中S11、S22、S12、和S21即為表示網(wǎng)絡特性的4個S參數(shù)，稱為散射參數(shù)，式（6.24）也被稱為散射方程組?？梢钥闯觯琒11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：，一般來說，S11和S22的模均小于1，對于有增益的器件，如微波晶體管，S21的模大于1，S12的模小于1；對于有衰減的器件，S21和S12的模均小于1。測量射頻、微波和毫米波網(wǎng)絡特性的儀器稱為網(wǎng)絡分析儀，它通過施加合適的激勵源到被測網(wǎng)絡并接收和處理網(wǎng)絡的響應信號，計算和

47、量化被測網(wǎng)絡的網(wǎng)絡參數(shù)。網(wǎng)絡分析儀有標量網(wǎng)絡分析儀和矢量網(wǎng)絡分析儀之分，標量網(wǎng)絡分析儀只能測量網(wǎng)絡的幅度特性，矢量網(wǎng)絡分析儀可同時測量網(wǎng)絡的幅度、相位和群延時特性。標量網(wǎng)絡分析儀和矢量網(wǎng)絡分析儀之間有很大的差異，各有優(yōu)缺點，詳細情況見表6.4。表6.4 標量網(wǎng)絡分析儀與矢量網(wǎng)絡分析儀的比較標量網(wǎng)絡分析儀矢量網(wǎng)絡分析儀測試裝置反射傳輸全S參數(shù)或反射傳輸信號分離器件標量電橋、定向耦合器定向耦合器檢測方式二極管檢波方式鎖相接收，同步檢波激勵信號源掃頻信號源合成掃頻信號源測量信號類型標量幅度測量矢量幅度、相位、群時延的特性測量測量功能少多測量精度低高組成系統(tǒng)簡單復雜成本低高網(wǎng)絡分析儀的測試端口已通用化

48、和標準化，在射頻、微波和毫米波頻段的低端一般采用同軸連接器，通過同軸至波導轉(zhuǎn)換可完成波導器件的測量， 毫米波頻段多采用標準波導， 網(wǎng)絡分析儀采用的標準端口見表6.5。表6.5 網(wǎng)絡分析儀的標準測量端口同 軸 系 統(tǒng)波 導 系 統(tǒng)連接器頻率范圍波導頻率范圍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、標量網(wǎng)絡分析儀的組成與工作原理早期的網(wǎng)絡分析儀大都只能進行點頻測量，測量在一個或幾個固定頻率點上進行。但隨著射頻和微波技術的發(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)進行很多頻率點的測量才能獲得被測網(wǎng)絡的寬帶特性。而早期的網(wǎng)絡分析儀由于只能進行點頻手工測量，在進行寬帶測量時工作繁瑣，效率很低，不能適應現(xiàn)代射頻和微波測量要求?，F(xiàn)代網(wǎng)絡分析儀與早期的網(wǎng)絡分析儀相比，主要有三個顯著的進步：一是引入了掃頻信號源，可進行寬帶掃頻測量，測量速度快，提高了測量效率；二是引入了計算機，智能化水平有了極大提高，可以同時計算并以圖形方式顯示被測網(wǎng)絡的多種參數(shù)；三是引入了基于軟件的誤差修正技術，使

50、寬帶測量的精度大幅度提高，并在一定程度上降低了對測試儀器的硬件指標要求。標量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)分為4大部分，標量網(wǎng)絡分析儀主機、微波掃頻信號源、信號分離器件和檢波器。其中圖6.18是微波同軸標量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)，如果微波掃頻信號源和標量網(wǎng)絡分析儀在一個機箱內(nèi)，稱為一體化標量網(wǎng)絡分析儀，否則為分體式標量網(wǎng)絡分析儀。圖6.18 微波同軸標量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)組成圖6.19a和圖6.19b是毫米波波導標量網(wǎng)絡分析儀的兩種方案，a方案采用毫米波掃頻信號源，源的輸出功率大，整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍大，組成的測量系統(tǒng)簡單。b方案采用微波掃頻信號源通過倍頻的方式獲得毫米波信號，毫米波信號源的輸出功率較小，因此系統(tǒng)的動態(tài)范圍小

51、，但由于采用微波掃頻信號源替代毫米波信號源，使系統(tǒng)總價格降低。在標量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)組成中，標量網(wǎng)絡分析儀主機是整個系統(tǒng)的核心，它負責人機交互、系統(tǒng)控制、信號調(diào)理與采集、信號分析、補償和誤差修正等任務；微波掃頻信號源提供給被測網(wǎng)絡激勵信號；信號分離器件負責分離入射波和反射波，射頻和微波標量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)的信號分離器件一般采用標量惠斯頓電橋，而毫米波標量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)的信號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轉(zhuǎn)換為與微波信號功率成比例的直流或低頻交流信號，便于主機處理。標量網(wǎng)絡分析儀所用檢波器件一般為肖特基二極管，也有應用性能更好的平面摻雜勢壘二極管（PBD），具有很好的頻響特性及很

52、高的靈敏度。整個標量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)的工作頻率范圍由組成系統(tǒng)的掃頻信號源、信號分離器件和檢波器共同決定。不論分體式還是一體化標量網(wǎng)絡分析儀其信號分離器件和檢波器均在機箱的外面。圖6.19a 毫米波波導標量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)組成圖6.19b 毫米波波導標量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)組成6.3.2.1 分體式標量網(wǎng)絡分析儀分體式標量網(wǎng)絡分析儀一般至少設置A、B和R三個相互獨立的信號通道，各通道對信號進行分級放大、對數(shù)變換等處理后送入A/D變換電路。圖6.20為分體標量網(wǎng)絡分析儀的簡化原理方框圖。微波激勵信號通過定向電橋施加到被測件上，定向電橋分離出反射波并將其轉(zhuǎn)換成與反射波信號功率成比例的直流信號，通過被測件的傳輸波

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

54、了保證標量網(wǎng)絡分析儀的測量精度和動態(tài)范圍，通過軟件設置了很多補償和校準技術，如通道精度補償、檢波器精度補償、頻率響應補償、平方律檢波補償、各通道及檢波器溫度補償及自動零和手動零技術，所有這些都涉及了大量的硬件技術和軟件技術。標量網(wǎng)絡分析儀的系統(tǒng)接口將給系統(tǒng)使用和操作帶來很大的方便，通過該接口與掃頻信號源相連，構成標量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)。標量網(wǎng)絡分析儀的核心為信號的通道處理部分，該部分設計的好壞將直接影響整機性能的指標，下面我們將較為詳細地介紹該部分的工作原理。1）對數(shù)放大電路該電路的原理框圖如圖6.21所示。圖6.21 對數(shù)放大原理框圖一臺標量網(wǎng)絡分析儀通常含有三到四個獨立信號通道，其結構完全相同，下面以一個通道為例加以說明。首先，檢波器輸出的27.778kHz的調(diào)制信號送入由兩個三