電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析

電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析2023/12/27電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.1線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量10.1.1幅頻特性測(cè)量10.1.2掃頻測(cè)量與掃頻源10.1.3相頻特性測(cè)量電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析引言頻域中的兩個(gè)基本測(cè)量問(wèn)題信號(hào)的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成什么是線(xiàn)性系統(tǒng)的頻率特性？線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)正弦信號(hào)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)H(jω)：頻率響應(yīng)或頻率特性幅度|H(jω)|：幅頻特性相位φ(ω)：相頻特性電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.1.1幅頻特性測(cè)量點(diǎn)頻測(cè)量法——線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測(cè)量法每次只能將加到被測(cè)線(xiàn)性系統(tǒng)的信號(hào)源的頻率調(diào)節(jié)到某一個(gè)頻點(diǎn)。依次設(shè)置調(diào)諧到各指定頻點(diǎn)上，分別測(cè)出各點(diǎn)處的參數(shù)，再將各點(diǎn)數(shù)據(jù)連成完整的曲線(xiàn)，從而得到頻率特性測(cè)量結(jié)果。所得頻率特性是靜態(tài)的，無(wú)法反映信號(hào)的連續(xù)變化；測(cè)量頻點(diǎn)的選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，特別對(duì)某些特性曲線(xiàn)的銳變部分以及失常點(diǎn)，可能會(huì)因頻點(diǎn)選擇不當(dāng)或不足而漏掉這些測(cè)量結(jié)果。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析幅頻特性?huà)哳l測(cè)量法頻率源的輸出能夠在測(cè)量所需的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，因此可以連續(xù)測(cè)出各頻率點(diǎn)上頻率特性結(jié)果并立即顯示特性曲線(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：掃頻信號(hào)的頻率連續(xù)變化，掃頻測(cè)量所得的頻率特性是動(dòng)態(tài)頻率特性，也不會(huì)漏掉細(xì)節(jié)。不足：如果輸入的掃頻信號(hào)頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應(yīng)時(shí)間，則頻率的響應(yīng)幅度會(huì)出現(xiàn)不足，掃頻測(cè)量所得幅度小于點(diǎn)頻測(cè)量的幅度；電路中LC元件的惰性會(huì)使幅度峰值有所偏差，因此會(huì)產(chǎn)生頻率偏離。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析兩種幅頻特性測(cè)量法的比較掃頻測(cè)量所得的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)峰值低于點(diǎn)頻測(cè)量所得的靜態(tài)特性曲線(xiàn)。掃頻速度越快，下降越多.動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)峰值出現(xiàn)的水平位置（頻率）相對(duì)于靜態(tài)特性曲線(xiàn)有所偏離，并向頻率變化的方向移動(dòng)。掃頻速度越快，偏離越大.電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析當(dāng)靜態(tài)特性曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)時(shí)，隨著掃頻速度加快，動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)明顯出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，并向頻率變化的方向一側(cè)傾斜；動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)較平緩，其3dB帶寬大于靜態(tài)特性曲線(xiàn)的3dB帶寬；小結(jié)：測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，必須用掃頻法；為了得到靜態(tài)特性，必須選擇極慢的掃頻速度以得到近似的靜態(tài)特性曲線(xiàn)，或采用點(diǎn)頻法。兩種幅頻特性測(cè)量法的比較（續(xù)）電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.1.2掃頻測(cè)量與掃頻源基本工作原理掃頻源的主要特性獲得掃頻信號(hào)的方法頻率標(biāo)記寬頻段掃頻方法電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析掃頻源的基本工作原理能產(chǎn)生掃頻輸出信號(hào)的頻率源稱(chēng)為掃頻信號(hào)發(fā)生器或掃頻信號(hào)源，簡(jiǎn)稱(chēng)掃頻源。它既可作為獨(dú)立的測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器，又可作為頻率特性測(cè)量類(lèi)儀器的前端。0掃描信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)幅放大器ALC低通濾波器寬帶放大器輸出衰減器頻標(biāo)產(chǎn)生電路混頻器本振f頻標(biāo)輸出X軸掃描輸出掃頻輸出取樣檢波器掃頻振蕩器f1-f2電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析掃頻源的基本工作原理（續(xù)）掃頻振蕩器產(chǎn)生掃頻信號(hào)，上下頻限分別為f1－f2。掃描信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃描電壓或電流，對(duì)振蕩器進(jìn)行電調(diào)諧，使掃頻振蕩器在范圍內(nèi)任意頻段上掃變。為自動(dòng)重復(fù)掃頻，產(chǎn)生幅度可變的鋸齒波驅(qū)動(dòng)顯示器。取樣檢波器用于對(duì)掃頻輸出信號(hào)的幅度進(jìn)行取樣檢測(cè)，和穩(wěn)幅放大器組成閉環(huán)反饋電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅控制。本振和混頻器是擴(kuò)展掃頻頻段輸出。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析典型的掃頻源應(yīng)具備下列三方面功能：產(chǎn)生掃頻信號(hào)（通常是等幅正弦波）；產(chǎn)生同步輸出的掃描信號(hào)，可以是三角波、正弦波或鋸齒波等；產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)志，可以是等頻率間隔的通用頻標(biāo)、專(zhuān)用于某項(xiàng)測(cè)試的專(zhuān)用頻標(biāo)及活動(dòng)頻標(biāo)。掃頻源的基本工作原理（續(xù)）電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析掃頻源的主要特性對(duì)掃頻源通常的技術(shù)要求：在預(yù)定頻帶內(nèi)有足夠大的輸出功率，且幅度穩(wěn)定，以獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍；調(diào)頻線(xiàn)性好，并有經(jīng)過(guò)校正的頻率標(biāo)記，以便確定頻帶寬度和點(diǎn)頻輸出；為使測(cè)量誤差最小，掃頻信號(hào)中的寄生振蕩和諧波均應(yīng)很??；

掃頻源輸出的中心頻率穩(wěn)定，并可以任意調(diào)節(jié)；頻率偏移的范圍越寬越好，并可以任意調(diào)節(jié)。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析有效掃頻寬度掃頻線(xiàn)性輸出振幅平穩(wěn)性?huà)哳l源的主要特性（續(xù)）f0：掃頻輸出中心頻率f1：掃頻起點(diǎn)；f2：掃頻終點(diǎn)k0：壓控特性f-V曲線(xiàn)的斜率A1：寄生調(diào)幅最大幅度A2：寄生調(diào)幅最小幅度電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析獲得掃頻信號(hào)的方法變?nèi)荻O管電調(diào)掃頻常見(jiàn)于射頻至微波段。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、輸出功率適中、掃頻速度較快；掃頻寬度小，在寬帶掃頻時(shí)線(xiàn)性差，需額外進(jìn)行掃頻線(xiàn)性補(bǔ)償。YIG（釔鐵石榴石鐵氧體）電調(diào)掃頻常用于產(chǎn)生GHz以上頻段的信號(hào)，利用下變頻可實(shí)現(xiàn)寬帶掃頻?？筛采w高達(dá)10倍頻程的頻率范圍，掃頻線(xiàn)性好、損耗低、穩(wěn)定性好。合成掃頻源實(shí)際上是一種自動(dòng)跳頻的連續(xù)波工作方式，頻率不完全連續(xù)變化，輸出頻率準(zhǔn)確。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析頻率標(biāo)記頻率標(biāo)記是掃頻測(cè)量中的頻率定度。產(chǎn)生頻標(biāo)的基本方法是差頻法，利用差頻方式可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻標(biāo)，頻標(biāo)的數(shù)目取決于和掃頻信號(hào)混頻的基準(zhǔn)頻率的成分?；疽螅核玫念l率基準(zhǔn)的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度較高頻標(biāo)幅度應(yīng)基本一致、顯示整齊不包含雜頻和泄漏進(jìn)來(lái)的掃頻信號(hào)多種頻標(biāo)形式以滿(mǎn)足不同的顯示和測(cè)量需要電路時(shí)延盡可能小以減小頻率定度誤差電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析頻率標(biāo)記（續(xù)）菱形頻標(biāo)利用差頻法得到，適用于測(cè)量高頻段的頻率特性。對(duì)作為基準(zhǔn)頻率進(jìn)行限幅、整形和微分，形成含有很多諧波成分的尖脈沖，再和掃頻信號(hào)混頻。脈沖頻標(biāo)由菱形頻標(biāo)變換而來(lái)的。將菱形頻標(biāo)送去觸發(fā)單穩(wěn)電路并產(chǎn)生輸出，整形后形成極窄的矩形脈沖頻標(biāo)，也叫針形頻標(biāo)。寬度較菱形頻標(biāo)窄，在測(cè)量低頻電路時(shí)分辨力更高。線(xiàn)形頻標(biāo)狀如一條條極細(xì)的垂直亮線(xiàn)，是光柵增輝式顯示器特有的頻標(biāo)形式。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析寬頻段掃頻方法差頻式寬頻段掃頻

定頻振蕩器掃頻本振低通濾波寬帶放大寬帶輸出

將固定頻率的振蕩器與作為本振信號(hào)的掃頻振蕩源在混頻器上取差頻。只要使定頻振蕩器的輸出電平遠(yuǎn)小于掃頻本振的電平，則差頻信號(hào)的幅度便由定頻振蕩器的幅度決定，掃頻過(guò)程中差頻幅度可基本保持不變。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析寬頻段掃頻方法（續(xù)1）全基波多頻段聯(lián)合式掃頻

頻段YIG掃頻源低通濾波器PIN開(kāi)關(guān)本振1第輸出多段掃頻輸入多路PIN開(kāi)關(guān)低通濾波器低通濾波器電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析全基波多頻段聯(lián)合式掃頻將頻段相銜接的幾個(gè)單頻段基波掃頻振蕩器組件封裝起來(lái)，用邏輯電路控制微波開(kāi)關(guān)，因此可以任意選用某個(gè)頻段的振蕩器輸出，也可使幾個(gè)振蕩器依次產(chǎn)生連續(xù)的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)寬頻帶掃頻。在上圖所示的寬頻帶掃頻方案中，多個(gè)輸出頻率相接的YIG調(diào)諧基波掃頻源結(jié)合在一起，由控制信號(hào)通過(guò)PIN開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇、組合，按需提供單頻段或多頻段聯(lián)合的掃頻輸出。兩個(gè)定向耦合器與兩個(gè)檢波器的組合用于對(duì)高、低頻段穩(wěn)幅信號(hào)取樣。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析寬頻段掃頻方法（續(xù)2）多倍頻程寬帶掃頻

以較寬頻帶的基波掃頻振蕩器為基礎(chǔ)，除了直接輸出這個(gè)低頻段信號(hào)外，還可將它加到可選倍率n的倍頻器中以產(chǎn)生若干個(gè)較高頻段?；ɑ芈放c倍頻器是同時(shí)調(diào)諧的。這種倍頻式（諧波式）寬帶掃頻源較全基波式構(gòu)造簡(jiǎn)單，但在高頻段輸出時(shí)可能夾雜來(lái)自低頻段的部分諧波頻率寄生信號(hào)；另外，倍頻之后的信號(hào)寄生調(diào)頻及噪聲也隨之倍增。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.1.3相頻特性測(cè)量

測(cè)量線(xiàn)性系統(tǒng)的相頻特性時(shí)，常以被測(cè)電路輸入端的信號(hào)作為參考信號(hào)，輸出端信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)，所測(cè)的輸入/輸出相位差就是電路的相頻特性點(diǎn)。相位測(cè)量同樣可采用點(diǎn)頻或掃頻法以獲得相頻特性曲線(xiàn)：掃頻法所得的相頻特性主要是被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的相位和時(shí)延特性的動(dòng)態(tài)測(cè)量；本節(jié)主要討論對(duì)單頻點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性和相位差進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量，以及用于點(diǎn)頻測(cè)量的相頻特性測(cè)量?jī)x器，常見(jiàn)的有如低頻段的模擬式相位計(jì)、數(shù)字式相位計(jì)，高頻段的矢量電壓表等。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析雙穩(wěn)型鑒相器

也稱(chēng)雙穩(wěn)型鑒相器，是模擬式相位計(jì)。采用“過(guò)零時(shí)間法”實(shí)現(xiàn)相位差測(cè)量，即測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻信號(hào)波形的同向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔并與被測(cè)信號(hào)周期相比，從而得到相位差值。Q方波形成方波形成QSRA微分微分限幅限幅雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器_Iu1u2aa'bb'cc'電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)字式相位計(jì)

有兩種：相位-時(shí)間變換型將兩個(gè)信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換成時(shí)間差，再用計(jì)數(shù)器測(cè)量該時(shí)間間隔；相位-電壓變換型將相位差轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，然后用數(shù)字電壓表完成測(cè)量。瞬時(shí)值型數(shù)字相位計(jì)屬于相位-時(shí)間變換型。由于被測(cè)信號(hào)在傳輸過(guò)程中的干擾會(huì)直接影響計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，因此瞬時(shí)值型相位計(jì)的測(cè)量結(jié)果較不穩(wěn)定。可以采用多次測(cè)量求平均的辦法以提高測(cè)量精度。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析瞬時(shí)值型數(shù)字相位計(jì)u1作為參考的信號(hào)在通道1中，用作計(jì)數(shù)門(mén)的啟動(dòng)信號(hào)。u1、u2間的相位差首先被處理成兩個(gè)過(guò)零脈沖的時(shí)間間隔ΔT，其中由u1產(chǎn)生的過(guò)零脈沖啟動(dòng)主計(jì)數(shù)門(mén)，由u2產(chǎn)生的過(guò)零脈沖負(fù)責(zé)關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)。

若計(jì)數(shù)門(mén)的計(jì)數(shù)值為N，則相位差的計(jì)算式為:通道1通道2門(mén)控電路主計(jì)數(shù)門(mén)標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器顯示器ΔTu1u2fS電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析矢量電壓表矢量電壓表是一種能同時(shí)測(cè)量信號(hào)幅度和相位的測(cè)量?jī)x器，本質(zhì)上屬于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。移相器-120移相器+60帶通濾波器

o自動(dòng)相位控制VCO參考本振電壓表方波發(fā)生電路觸發(fā)脈沖形成相位顯示雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)型相位計(jì)觸發(fā)脈沖形成方波發(fā)生電路帶通濾波器中頻輸出2中頻輸出1取樣頭1u1取樣頭2u2相位調(diào)零取樣脈沖發(fā)生器o電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析矢量電壓表（續(xù)）

矢量電壓表較多采用的相頻特性測(cè)量方法是脈沖觸發(fā)式。上圖是一種寬頻帶雙通道矢量電壓表，其相位差測(cè)量范圍為-180o～+180o。高頻信號(hào)u1、u2分別加到兩個(gè)取樣頭變換為固定的中頻信號(hào)，同時(shí)保持了高頻輸入原有的波形、幅度及信號(hào)間的相位關(guān)系。取樣后的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器進(jìn)行電壓幅度測(cè)量，同時(shí)被整形為方波，然后進(jìn)入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)型相位計(jì)中實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量。固定的中頻信號(hào)單獨(dú)輸出還可用于調(diào)幅度及波形失真等參數(shù)的測(cè)量。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.2網(wǎng)絡(luò)分析儀10.2.1網(wǎng)絡(luò)分析的基本概念10.2.2網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)10.2.3反射參數(shù)測(cè)量10.2.4傳輸參數(shù)測(cè)量10.2.5S參數(shù)的全面測(cè)量及誤差修正電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.2.1網(wǎng)絡(luò)分析的基本概念網(wǎng)絡(luò)分析概述微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)S參數(shù)的流圖表示及計(jì)算頻譜測(cè)量表征電路單元的信號(hào)特性，而網(wǎng)絡(luò)測(cè)量表征電路單元組成的系統(tǒng)特性。網(wǎng)絡(luò)——對(duì)實(shí)際物理電路和元件進(jìn)行的數(shù)學(xué)抽象，主要研究外部特性。網(wǎng)絡(luò)分析——在感興趣的頻率范圍內(nèi)，通過(guò)線(xiàn)性激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試確定元件的幅頻特性和相頻特性的過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)分析儀——通過(guò)正弦掃頻測(cè)量獲得線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)以及阻抗函數(shù)的儀器。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析概述線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)與非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)（系統(tǒng)）：僅改變輸入信號(hào)的幅度和（或）相位，不會(huì)產(chǎn)生新的頻率信號(hào)；非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)（系統(tǒng)）：改變輸入信號(hào)的頻率，或產(chǎn)生其他頻率成分。網(wǎng)絡(luò)分析總是假定被分析網(wǎng)絡(luò)是線(xiàn)性的，因而可以基于正弦掃頻法進(jìn)行頻率特性的定量分析。非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)通常使用頻譜儀進(jìn)行測(cè)量。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)與非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)（續(xù)）如果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)沒(méi)有產(chǎn)生失真，DUT的幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)應(yīng)該是平坦的，相頻響應(yīng)曲線(xiàn)在整個(gè)帶寬內(nèi)呈線(xiàn)性。如果輸出波形有任何畸變，變化程度取決與幅度和相位的非線(xiàn)性。網(wǎng)絡(luò)分析總是假定被分析電路或網(wǎng)絡(luò)是線(xiàn)性的?？梢曰谡覓哳l測(cè)量方法繼續(xù)頻率特性的定量分析。對(duì)非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，使用頻譜儀來(lái)測(cè)量。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析常用參考信道R進(jìn)行入射波測(cè)量，反射波通過(guò)A信道測(cè)量，傳輸波通過(guò)B信道測(cè)量。反射參數(shù)由A/R獲得，傳輸參數(shù)由B/R獲得。入射、反射、和傳輸波形都同時(shí)具有幅度和相位信息?？梢员硎緸槭噶?、標(biāo)量、僅含相位信息。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析參數(shù)（續(xù)）復(fù)反射系數(shù)Г，定義為反射波與入射波的電壓比。幅值用ρ表示，|Г|=ρ,0≤ρ≤1。特征阻抗為Z0的傳輸線(xiàn)，在終接匹配負(fù)載時(shí)沒(méi)有反射，ρ＝0；負(fù)載阻抗ZL≠Z0時(shí)，ρ大于零；開(kāi)路或短路為全反射，ρ＝1回波損失RL是反射系數(shù)的對(duì)數(shù)表示形式，范圍為0（開(kāi)、短路）～∞（負(fù)載匹配），電壓駐波比VSWR為住波包絡(luò)線(xiàn)的波腹與波節(jié)的電壓比，范圍為1（無(wú)反射）～∞（全反射）。復(fù)傳輸系數(shù)的定義為傳輸波和入射波的電壓比。傳輸波幅值大于入射波幅值，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)有增益，反之，有損耗或者有插入損耗，。插入損耗是傳輸系數(shù)的對(duì)數(shù)表征形式。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析概述（續(xù)）網(wǎng)絡(luò)分析參數(shù)標(biāo)量反射參數(shù)：標(biāo)量傳輸參數(shù)：矢量反射參數(shù)：矢量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：矢量相位：品質(zhì)因數(shù)Q電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)

微波網(wǎng)絡(luò)常用散射參數(shù)（S參數(shù)）表示。任何網(wǎng)絡(luò)都可用多個(gè)S參數(shù)表征其端口特性，對(duì)n端口網(wǎng)絡(luò)需要n2個(gè)S參數(shù)。S10、S21、S12、S22：表示雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)S參數(shù)，即散射參量。b2b1S22S11S12S21a2a121DUT電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)（續(xù)）散射方程S參數(shù)的物理意義b1、b2:端口1、2上的所有出射波a1、a2:端口1、2上的入射波S11:端口2匹配時(shí)端口1的反射系數(shù)S21:端口2匹配時(shí)的正向傳輸系數(shù)S22:端口1匹配時(shí)端口2的反射系數(shù)S12:端口1匹配時(shí)的反向傳輸系數(shù)電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析S參數(shù)的流圖表示及計(jì)算信流圖

使用節(jié)點(diǎn)代表信號(hào)，用支路和箭頭代表信號(hào)及其流動(dòng)的方向，并用支路旁標(biāo)代表支路的傳遞函數(shù)即信號(hào)大小。上圖所示的雙端口網(wǎng)絡(luò)可用流圖表示如下：端口2端口1S21S12S22S11b2b1a2a1電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析信流圖（續(xù)）定向耦合器的等效方向性D（Directivity）定義為：表示正向、反向傳輸在耦合器端口3上的信號(hào)差別。理想的定向耦合器應(yīng)該符合：電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析T：信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的增益或傳輸函數(shù)Tk：第k條路徑上所有支路系數(shù)的乘積Δ：信流圖行列式，即信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)立方程組的行列式表示信號(hào)流圖中全部環(huán)路的增益之和，表示兩兩不接觸環(huán)路的增益乘積之和，表示可能的三個(gè)互不接觸環(huán)路增益乘積之和。Δk：與第k條開(kāi)路不接觸的子信流圖的行列式S參數(shù)的流圖表示及計(jì)算（續(xù)1）將信號(hào)流圖和梅森法則結(jié)合，方便分析和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)特性梅森（Mason）不接觸環(huán)路法則表達(dá)式：電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析S參數(shù)的流圖表示及計(jì)算（續(xù)2）

信流圖計(jì)算舉例

在雙端口網(wǎng)絡(luò)的端口2上終接一個(gè)反射系數(shù)為ΓL的負(fù)載：由梅森法則：故有：ΓLS21S12S22S11b1a1Γ電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.2.2網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)分析儀是通過(guò)測(cè)定網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù)和傳輸參數(shù)，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)中元器件特性的全部參數(shù)進(jìn)行全面描述的測(cè)量?jī)x器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量。

網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠完成反射、傳輸兩種基本測(cè)量，從而確定幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)特性，S參數(shù)是其中最基本的特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀：只測(cè)量線(xiàn)性系統(tǒng)的幅度信息；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：可同時(shí)進(jìn)行幅度傳輸特性和相位特性測(cè)量。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)組成原理

基本的網(wǎng)絡(luò)分析儀主要由信號(hào)源、S參量測(cè)量裝置及矢量電壓表組成。12參考信道R測(cè)試信道T信號(hào)源S參量測(cè)量裝置被測(cè)網(wǎng)絡(luò)矢量電壓表電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)組成原理(續(xù))信號(hào)源：向被測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供入射信號(hào)或激勵(lì)；S參量測(cè)量裝置：實(shí)際上是反射測(cè)量電路與傳輸測(cè)量電路的組合，首先將入射、反射及傳輸信號(hào)分離開(kāi)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行測(cè)量；矢量電壓表：測(cè)量入射、反射和傳輸信號(hào)的幅值及它們之間的相位差。也可以通過(guò)幅相接收機(jī)實(shí)現(xiàn)此功能。

電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀

a1為入射波、b1為反射波、b2為傳輸波，它們的測(cè)量通道分別為R（參考）、A、B。通過(guò)這些信號(hào)可確定正向S參數(shù)|S11|、|S21|。將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端與測(cè)試端反接，同理可測(cè)得|S22|、|S12|。掃頻源定向耦合器二極管檢波器|b1|2處理及顯示DUTBAR|b2|2|a1|2電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一種外差式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成框圖如下：掃頻源LOH(s)PFD參考頻率源BPFDUTBPFBPF采樣及量化參考信道R反射測(cè)試信道B傳輸測(cè)試信道A源輸出信道S定向耦合器處理及顯示電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（續(xù)）

上圖中PFD為相頻檢波器，H(s)為環(huán)形濾波器，BPF為帶通濾波器?；窘Y(jié)構(gòu)與外差式接收機(jī)類(lèi)似：掃頻源一方面為DUT提供激勵(lì)，一方面可以作為單獨(dú)的掃頻源輸出通道S。參考信號(hào)即入射波，通過(guò)R通道進(jìn)行測(cè)量。反射波、傳輸波所在的測(cè)試通道分別為A、B。為獲得復(fù)S參數(shù)而進(jìn)行的復(fù)數(shù)除法可用硬件完成，現(xiàn)在多采用對(duì)混頻所得的中頻信號(hào)采樣和數(shù)字化，然后通過(guò)數(shù)字處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（續(xù)）兩種網(wǎng)絡(luò)分析儀的簡(jiǎn)單比較：標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要測(cè)量裝置反射傳輸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)方式二極管檢波鎖相接收激勵(lì)源掃頻信號(hào)源合成掃頻信號(hào)源可測(cè)參數(shù)標(biāo)量幅度幅度、相位、群時(shí)延特性成本、精度低高電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析儀與頻譜分析儀在電路結(jié)構(gòu)方面，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與外差式頻譜分析儀相似：在預(yù)定頻率范圍內(nèi)自動(dòng)測(cè)量電路幅度增益與相位，使用內(nèi)部掃頻源或可程控的外部信號(hào)源作激勵(lì)，測(cè)量被激勵(lì)電路的幅度增益與相位；不同之處：頻譜分析儀測(cè)量未知或任意的輸入頻率，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只測(cè)量自身或受控的已知頻率；外差式頻譜分析儀測(cè)量輸入信號(hào)的幅度（標(biāo)量?jī)x器），矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量輸入信號(hào)的幅度和相位（矢量?jī)x器）。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.2.3反射參數(shù)測(cè)量反射參數(shù)（S11、S22）測(cè)量的實(shí)現(xiàn)設(shè)信號(hào)源出射波為ES、功分器分配系數(shù)分別是c1、c2，DUT反射系數(shù)為S11，定向耦合器將DUT的反射波耦合到測(cè)試通道的耦合系數(shù)為c3。有:1DUT幅相接收機(jī)顯示信號(hào)源ES伸長(zhǎng)線(xiàn)RT定向耦合器ab1功率分配器電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量反射參數(shù)結(jié)構(gòu)：幅相接收機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，先對(duì)T、R兩路輸入信號(hào)混頻，然后在低頻上進(jìn)行幅度、相位的檢測(cè)和比較。R信號(hào)直接進(jìn)入幅相接收機(jī)。而T信號(hào)經(jīng)DUT的端口反射，再進(jìn)入，則T信號(hào)幅度、相位信息攜帶DUT的反射特性。DUT伸長(zhǎng)線(xiàn)RA定向耦合器a1b1功率分配器矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量中的誤差來(lái)源

用含有功率分配器、定向耦合器等微波器件的系統(tǒng)進(jìn)行反射參數(shù)測(cè)量將必然存在系統(tǒng)誤差，這些誤差來(lái)自系統(tǒng)本身的頻響特性以及端口特性。定向耦合器作為一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，可用信流圖表示如下：a3b3S13S32S23S31S33S21S12S22S11b2b1a2a1321定向耦合器電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量中的誤差來(lái)源（續(xù)）方向性誤差D

實(shí)際的定向耦合器方向性D=S32/S31≠0，因此使耦合端的信號(hào)包含了額外泄露出來(lái)的成分。反射頻響誤差TR

由系統(tǒng)本身的頻響誤差引起實(shí)測(cè)的系統(tǒng)頻響軌跡上有若干起伏或小毛刺，即引入了頻響誤差(或頻率跟蹤誤差)。源失配誤差MS

由阻抗失配導(dǎo)致從DUT向源方向看過(guò)去的等效源反射系數(shù)不完全為零。反射信號(hào)中有一部分將在DUT和源之間被來(lái)回反射，因而產(chǎn)生S11A的測(cè)量誤差。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量誤差模型反射參數(shù)測(cè)量誤差模型的信流圖表示S11A：DUT的實(shí)際反射系數(shù)（近似真值）S11M：反射系數(shù)測(cè)量值D：方向性誤差TR：反射頻響誤差MS：源失配誤差由梅森法則，可得S11MS11A(DUT)DMS11+TR電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析討論：測(cè)量值S11M與實(shí)際反射系數(shù)S11A之差為反射參數(shù)測(cè)量誤差模型（續(xù)）結(jié)論：當(dāng)DUT的反射系數(shù)S11A較小時(shí)，方向性誤差D的影響占主導(dǎo)地位；當(dāng)S11A較大時(shí)，源失配誤差MS是影響反射測(cè)量精度的主要因素

電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量誤差修正誤差修正：在已知系統(tǒng)誤差來(lái)源并建立誤差模型之后，對(duì)已知參數(shù)真值的校準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量值和誤差模型求出各項(xiàng)誤差，最后將它們的影響從測(cè)量值中扣除。常用方法：使用三個(gè)校準(zhǔn)件依次作為DUT進(jìn)行反射參數(shù)測(cè)量，分別得到三個(gè)以D、TR、MS系統(tǒng)誤差為未知數(shù)的方程，然后由該方程組求解三項(xiàng)誤差。微波測(cè)量中，同軸系統(tǒng)一般選用開(kāi)路器、短路器和匹配負(fù)載Z0作為校準(zhǔn)件。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量誤差修正（續(xù)1）

步驟如下：接入開(kāi)路器（反射系數(shù)=1）此時(shí)S11A=1，記測(cè)量值為SM1，有接入短路器（反射系數(shù)=－1）此時(shí)S11A=－1，記測(cè)量值為SM2，有接入匹配負(fù)載Z0（反射系數(shù)=0）此時(shí)S11A=0，記測(cè)量值為SM3，有電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析反射參數(shù)測(cè)量誤差修正（續(xù)2）聯(lián)立上三式，解得三項(xiàng)系統(tǒng)誤差分別為：測(cè)量DUT，并將測(cè)量值與校準(zhǔn)所得的誤差代入誤差模型公式：即可得S11A。校準(zhǔn)修正電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.2.4傳輸參數(shù)測(cè)量

S21、S12測(cè)量的實(shí)現(xiàn)下圖所示為傳輸參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。傳輸測(cè)量與反射測(cè)量的原理基本相同，區(qū)別在于DUT必須串接在測(cè)試信號(hào)通路中。設(shè)信號(hào)源出射波為ES，功率分配器的分配系數(shù)分別是c1、c2，DUT的傳輸系數(shù)為S21，有：幅相接收機(jī)顯示RT信號(hào)源ESa1b2功率分配器DUT電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析傳輸參數(shù)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量傳輸參數(shù)：DUTRB功率分配器矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Sa1b2電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析傳輸參數(shù)測(cè)量中的誤差來(lái)源傳輸泄漏誤差C：傳輸路徑因隔離不佳（不滿(mǎn)足S21=S12=0）而產(chǎn)生了信號(hào)泄漏，由此引起傳輸泄漏誤差，也叫隔離誤差。傳輸路徑頻響誤差TT：部件的傳輸頻響使實(shí)測(cè)的系統(tǒng)頻響軌跡出現(xiàn)波紋

，即傳輸頻響誤差或跟蹤誤差。源失配誤差MS：由雙端口網(wǎng)絡(luò)向信號(hào)源方向看過(guò)去的等效源反射參數(shù)。負(fù)載失配誤差ML：由雙端口網(wǎng)絡(luò)向負(fù)載方向看過(guò)去的負(fù)載反射系數(shù)。電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析傳輸參數(shù)測(cè)量誤差模型傳輸參數(shù)測(cè)量誤差模型的信流圖表示S11A：實(shí)際反射系數(shù)S21A：實(shí)際傳輸系數(shù)S12A：實(shí)際傳輸系數(shù)S22A：實(shí)際反射系數(shù)由梅森法則，可得：a1b2C1+TTMLS21AS22AS11AS12AMS電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析傳輸參數(shù)測(cè)量誤差模型（續(xù)）討論：測(cè)量值S21M與實(shí)際傳輸系數(shù)S21A之差為結(jié)論：傳輸系數(shù)測(cè)量誤差不僅與4項(xiàng)系統(tǒng)誤差有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)本身的特性參數(shù)有關(guān)，與反射參數(shù)測(cè)量有區(qū)別！

電子測(cè)量原理第10章線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性和網(wǎng)絡(luò)分析10.2.5S參數(shù)的全面測(cè)量及誤差修正

由以上討論可知：傳輸參數(shù)的測(cè)量誤差無(wú)法采用與反射參數(shù)誤差處理方法相同的過(guò)程實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和修正，而必須將所有的S參數(shù)全部測(cè)出，再統(tǒng)一修正所有誤差。反射、傳輸參數(shù)雙向測(cè)量系統(tǒng)如下圖所示：圖中兩個(gè)微波開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)，撥到位置1時(shí)可測(cè)反射參數(shù)，撥到位置2時(shí)可測(cè)傳輸參數(shù)，因此不必重新連接DUT就能測(cè)出雙端口網(wǎng)絡(luò)的全部S參數(shù)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀伸長(zhǎng)線(xiàn)RA功率分配器12端口1端口2DUTS