电子测量原理第10章线性系统频率特性和网络分析.ppt

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1、18 五月 2023电子测量原理第电子测量原理第10章线章线性系统频率特性和网络性系统频率特性和网络分析分析10.1 10.1 线性系统频率特性测量线性系统频率特性测量10.1.1 10.1.1 幅频特性测量幅频特性测量10.1.2 10.1.2 扫频测量与扫频源扫频测量与扫频源10.1.3 10.1.3 相频特性测量相频特性测量引 言 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：信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成可由频谱分析仪完成可由频谱分析仪完成可由频谱分析仪完成线性系统频率特性的测量：线性系统频率特性的测量：可由网络分析

2、仪完成可由网络分析仪完成可由网络分析仪完成可由网络分析仪完成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)|H(j)|：幅频特性：幅频特性相位相位()()：相频特性：相频特性10.1.1 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 每每次次只只能能将将加加到到被被测测线线性性系系统统的的信信号号源源的的频频率率调调节节到到某某一一个个频频点点。依依次次设设置置调调谐谐到到各各指指定定频频点点上上，分分别别测测出出各各点点处处的的

3、参参数数，再再将将各各点点数数据据连连成成完完整整的的曲曲线线，从从而而得得到到频频率率特特性性测量结果。测量结果。所得频率特性是所得频率特性是静态静态的，无法反映信号的连续变化；的，无法反映信号的连续变化；测测量量频频点点的的选选择择对对测测量量结结果果有有很很大大影影响响，特特别别对对某某些些特特性性曲曲线线的的锐锐变变部部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。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，因因此此可可以连续测出各频率点上频率特性结果

4、并立即显示特性曲线。以连续测出各频率点上频率特性结果并立即显示特性曲线。优优点点：扫扫频频信信号号的的频频率率连连续续变变化化，扫扫频频测测量量所所得得的的频频率率特特性性是是动动态态频频率率特性，也不会漏掉细节。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；电电路中路中LCLC元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频率偏离。两种

5、幅频特性测量法的比较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特性曲线。扫频速度越快，下降越多态特性曲线。扫频速度越快，下降越多.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向移移动动。扫扫频频速速度度越越快，偏离越大快，偏离越大.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明显出现不对称，并向频率变化的方向一侧倾斜；线明显出现不对称，并向频率变化的方向一侧倾斜；动动

6、态态特特性性曲曲线线较较平平缓缓，其其3dB3dB带带宽宽大大于于静静态态特特性性曲曲线线的的3dB3dB带宽；带宽；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近似似的的静静态态特特性性曲曲线，或采用点频法。线，或采用点频法。两种幅频特性测量法的比较（续）10.1.2 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宽频段扫频方法宽频段扫频方法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

7、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，又可作为频率特性测量类仪器的前端。器，又可作为频率特性测量类仪器的前端。0扫描信号扫描信号发生器发生器稳幅放大器稳幅放大器ALC低通滤波器低通滤波器宽带放大器宽带放大器输出衰减器输出衰减器频标产频标产生电路生电路混频器混频器本振本振f频标输出频标输出X X轴扫描输出轴扫描输出扫频输出扫频输出取样检波器取样检波器扫频振荡器扫频振荡器f1-f2扫频源的基本工作原理（续）扫频振荡器产生扫频信号，上下频限分别为扫频振荡器产生扫频信号，上下频

8、限分别为f1 1f2 2。扫描信号发生器产生扫描电压或电流，对振荡器进行电调扫描信号发生器产生扫描电压或电流，对振荡器进行电调谐，使扫频振荡器在范围内任意频段上扫变。为自动重复谐，使扫频振荡器在范围内任意频段上扫变。为自动重复扫频，产生幅度可变的锯齿波驱动显示器。扫频，产生幅度可变的锯齿波驱动显示器。取样检波器用于对扫频输出信号的幅度进行取样检测，和取样检波器用于对扫频输出信号的幅度进行取样检测，和稳幅放大器组成闭环反馈电路，实现自动稳幅控制。稳幅放大器组成闭环反馈电路，实现自动稳幅控制。本振本振和和混频器混频器是扩展扫频频段输出。是扩展扫频频段输出。典型的扫频源应具备下列三方面功能：典型的扫

9、频源应具备下列三方面功能：1.1.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）；2.2.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、正弦波或锯齿波等；，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；3.3.产生同步输出的产生同步输出的频率标志频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用，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。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，以获得最大的动态在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳定，以

10、获得最大的动态范围；范围；调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定频带宽度和点频输调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定频带宽度和点频输出；出；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；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；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。有效扫频宽度扫频线性输出振幅平稳性扫频源的主要特性（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

11、-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、扫频常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适中、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。扫频线性补偿。YIGYIG（钇铁石榴石铁氧体）电调扫频（钇铁石榴石铁氧体）电调扫频常用于产生常用于产生GHzGHz以上频段的信号，利用下变频可实现宽以上频段的信号，利用下变频可实现宽带扫频。可覆盖高达带扫频。可覆盖高达1010倍

12、频程的频率范围，扫频线性好、损倍频程的频率范围，扫频线性好、损耗低、稳定性好。耗低、稳定性好。合成扫频源合成扫频源实实际际上上是是一一种种自自动动跳跳频频的的连连续续波波工工作作方方式式，频频率率不不完完全全连续变化，输出频率准确。连续变化，输出频率准确。频率标记 频频率率标标记记是是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决于和扫频信号混频的基准频率的成分。取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。基本要求基本要求：所用的频率基准的频率稳定度和准确度较

13、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频率标记（续）菱形频标菱形频标 利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为基准频率利用差频法得到，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，再和扫频信进行限幅、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。号混频。脉冲频标脉冲

14、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输出，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。宽度较菱形频标窄，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。在测量低频电路时分辨力更高。线形频标线形频标 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。宽频段扫频方法差频式宽频段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 将固定频率的振荡器与

15、作为本振信号的扫频振荡源在混频器上取差频。只要使定频振荡器的输出电平远小于扫频本振的电平，则差频信号的幅度便由定频振荡器的幅度决定，扫频过程中差频幅度可基本保持不变。宽频段扫频方法（续1）全基波多频段联合式扫频全基波多频段联合式扫频 频段频段YIG扫频源扫频源低通滤波器低通滤波器PIN开关开关本振本振1第第输出输出多段扫多段扫频输入频输入多路多路PIN开关开关低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器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封装起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，因此可以任意选用某个频来，用逻辑电路控制微波开关，

16、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产生连续的输出段的振荡器输出，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。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YIGYIG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PINPIN开开关关进进行行选选择择、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的组组合合用用于于对对高高、低低频段稳幅信号取样。频段稳幅信号取样。宽频段

17、扫频方法（续2）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 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。基基波波回回路与倍频器是同时调谐的。路与倍频器是同时调谐的。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，倍倍频频之之后的信号寄生调频及噪声也随之

18、倍增。后的信号寄生调频及噪声也随之倍增。10.1.3 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号，所所测测的的输输入入/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。相相位位测测量量同同样样可可采采用用点点频频或或扫扫频频法法以以获获得得相相频频特特性性曲曲线线：扫扫频频法法所所得得的的相相频频特特性性主主要要是是被被测测网网络络的的相相位位和和时时延延特特性性的的动动态态测测量量；本本节节主主要要讨讨论论对对单单频频点点上上的的网网络络

19、时时延延特特性性和和相相位位差差进进行行点点频频测测量量，以以及及用用于于点点频频测测量量的的相相频频特特性性测测量量仪仪器器，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计、数数字字式式相相位位计计，高高频段的矢量电压表等。频段的矢量电压表等。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比，从从而而得得到到相相位位差差值。值。Q方波形成方波形成方波形成

20、方波形成QSRA微分微分微分微分限幅限幅限幅限幅双稳态触发器双稳态触发器_Iu1u2aabbcc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换成相应的电压值，然后用数字电压表完成测量。转换成相应的电压值，然后用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

21、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平均的办法以提高测量精度。求平均的办法以提高测量精度。瞬时值型数字相位计 u1作作为为参参考考的的信信号号在在通通道道1中中，用用作作计计数数门门的的启启动动信信号号。u1、u2间间的的相相位位差差首首先先被被处处理理成成两两个个过过零零脉脉冲冲的的时时间间间间隔隔T，其其中中由由u1产产生生的的过过零零脉脉冲冲启启动动主主计计数数门门，由由u2产产生生的的过零脉冲负责关闭计数门。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

22、:通道通道1通道通道2门控电路门控电路主计数门主计数门标准脉冲标准脉冲发生器发生器十进制十进制计数器计数器显示器显示器Tu1u2fS矢量电压表 矢矢量量电电压压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测量量仪仪器，本质上属于矢量网络分析仪。器，本质上属于矢量网络分析仪。移相器移相器-120-120移相器移相器+60+60带通滤波器带通滤波器 o o自动相自动相位控制位控制VCO参考参考本振本振电压表电压表方方波波发生电路发生电路触发脉冲触发脉冲形形成成相位显示相位显示双稳态触发型双稳态触发型相位计相位计触发脉冲触发脉冲形形成成方方波波发生电路发生电路带通滤波器带通

23、滤波器中频输出中频输出2 2中频输出中频输出1 1取样头取样头1 1u1取样头取样头2 2u2相位调零相位调零取样脉冲取样脉冲发生器发生器o o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宽频带双通道矢量电压表，其相位差测量范围为种宽频带双通道矢量电压表，其相位差测量范围为-180-180o o+180+180o o。高高频频信信号号u u1 1、u u2 2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

24、信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调幅度及波形失真等参数的测量。于调幅度及波形失真等参数的测量。10.2 网络分析仪10.2.1 10.2.1 网络分析的基本概念网络分析的基本概念10.2.2 10.2.2 网络分析系统网络分析系统10.2.3 10.2.3 反射参数测量反射参数测量10.2.4 10.2.4 传输参数测量传输参数测

25、量10.2.5 S10.2.5 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10.2.1 网络分析的基本概念网络分析概述网络分析概述微波网络微波网络S S参数参数S S参数的流图表示及计算参数的流图表示及计算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路单单元元组成的系统特性。组成的系统特性。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，主主要要研研究究外外部特性。部特性。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-响响应应测测试试确定元件的幅频特性和相频特性的过程

26、。确定元件的幅频特性和相频特性的过程。网网络络分分析析仪仪通通过过正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函数数以以及阻抗函数的仪器。及阻抗函数的仪器。网络分析概述线性网络与非线性网络线性网络与非线性网络线线性性网网络络（系系统统）：仅仅改改变变输输入入信信号号的的幅幅度度和和（或或）相相位位，不不会产生新的频率信号；会产生新的频率信号；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，或或产产生生其其他他频频率率成分。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进行频率特性的

27、定量分析。非线性网络通常使用频谱仪进行测量。法进行频率特性的定量分析。非线性网络通常使用频谱仪进行测量。线性网络与非线性网络（续）如果通过网络传输的信号没有产生失真，如果通过网络传输的信号没有产生失真，DUTDUT的幅频响应特性曲线的幅频响应特性曲线应该是平坦的，相频响应曲线在整个带宽内呈线性。应该是平坦的，相频响应曲线在整个带宽内呈线性。如果输出波形有任何畸变，变化程度取决与幅度和相位的非线性。如果输出波形有任何畸变，变化程度取决与幅度和相位的非线性。网络分析总是假定被分析电路或网络是线性的。可以基于正弦扫频网络分析总是假定被分析电路或网络是线性的。可以基于正弦扫频测量方法继续频率特性的定量

28、分析。对非线性网络，使用频谱仪来测量方法继续频率特性的定量分析。对非线性网络，使用频谱仪来测量。测量。网络分析参数网络分析常用参考信道网络分析常用参考信道R R进行入射波测量，反射波通过进行入射波测量，反射波通过A A信信道测量，传输波通过道测量，传输波通过B B信道测量。信道测量。反射参数由反射参数由A/RA/R获得，传输参数由获得，传输参数由B/RB/R获得。获得。入射、反射、和传输波形都同时具有幅度和相位信息。可入射、反射、和传输波形都同时具有幅度和相位信息。可以表示为以表示为矢量、标量、仅含相位信息矢量、标量、仅含相位信息。网络分析参数（续）复反射系数复反射系数 ，定义为反射波与入射波

29、的电压比。幅值用，定义为反射波与入射波的电压比。幅值用表示，表示，|=,0|=,0 1 1。特征阻抗为特征阻抗为Z Z0 0的传输线，在终接匹配负载时没有反射，的传输线，在终接匹配负载时没有反射，0 0；负载；负载阻抗阻抗Z ZL LZZ0 0时，时，大于零；开路或短路为全反射，大于零；开路或短路为全反射，1 1回波损失回波损失RLRL是反射系数的对数表示形式，范围为是反射系数的对数表示形式，范围为0 0（开、短路）（开、短路）（负载匹配），电压驻波比（负载匹配），电压驻波比VSWRVSWR为住波包络线的波腹与波节的电压比，为住波包络线的波腹与波节的电压比，范围为范围为1 1（无反射）（无反射

30、）（全反射）。（全反射）。复传输系数的定义为传输波和入射波的电压比。传输波幅值大于入射复传输系数的定义为传输波和入射波的电压比。传输波幅值大于入射波幅值，被测网络有增益，反之，有损耗或者有插入损耗，。插入损波幅值，被测网络有增益，反之，有损耗或者有插入损耗，。插入损耗是传输系数的对数表征形式。耗是传输系数的对数表征形式。网络分析概述（续）网络分析参数网络分析参数标量反射参数：标量反射参数：标量传输参数：标量传输参数：矢量反射参数：矢量反射参数：矢量网络参数：矢量网络参数：矢量相位：矢量相位：品质因数品质因数Q Q微波网络S参数 微微波波网网络络常常用用散散射射参参数数（S S参参数数）表表示示

31、。任任何何网网络络都都可可用用多多个个S S参数表征其端口特性，对参数表征其端口特性，对n n 端口网络需要端口网络需要n n2 2个个S S参数。参数。S10、S21、S12、S22：表示双端口网络的四个S参数，即散射参量。b2b1S22S11S12S21a2a121DUT微波网络S参数（续）散射方程 S S S S参数的物理意义参数的物理意义参数的物理意义参数的物理意义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匹配时端口1的反射系数S21:端口2匹配时的正向传输系数S22:端口1匹配时端口2的反射系数S12:端口1匹配时的反向传输系数S参数的流图

32、表示及计算 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流动的方向，并用支使用节点代表信号，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号大小。上图所示的双端口网络可用流图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：表示如下：端口端口2端口端口1S21S12S22S11b2b1a2a1信流图（续）定向耦合器的等效方向性D（Directivity）定义为：表示正向、反向传输在耦合器端口3上的信号差别。理想的定向耦合器应该符合：T 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T Tk k：第：第k k

33、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组的的行行列式列式 表表示示信信号号流流图图中中全全部部环环路路的的增增益益之之和和，表表示示两两两两不不接接触触环环路路的的增增益益乘乘积积之之和和，表表示示可可能能的的三三个个互互不不接接触触环环路路增增益益乘乘积积之和。之和。k k：与第：与第k 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S参数的流图表示及计算（续1）将信号流图和梅森法则结合，方便分析和计算网络特性梅森（Mason）不接触环路法则表达式：S参数的流图表示及计算（

34、续2）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2 2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：由梅森法则：由梅森法则：故有：故有：LS21S12S22S11b1a110.2.2 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进进行行全全面面描描述述的的测测量量仪仪器器，用于实现对线性网络的频率特性测量。用于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

35、几乎所有的网络特性，定几乎所有的网络特性，S 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；矢量网络分析仪矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。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源、S S参量测量装置及矢参量测量装置及矢量电压表组成。量电压表组成。12参考信道参考信道R测试信测试信道道T信号源信号源S参量参量测量装置测量装置被测网络被测网络矢量电压表矢量电压表系统组成原理(续)信号源信号源：向被测网络提供入射信号或激

36、励；：向被测网络提供入射信号或激励；S 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离开开，然然后后通通过过转换开关分别进行测量；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的相位差。也可以通过幅相接收机实现此功能。间的相位差。也可以通过幅相接收机实现此功能。标量网络分析仪 a a1 1为为入入射射波波、b b1 1为为反反射射波波、b b2 2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

37、为为R R（参参考考）、A A、B B。通通过过这这些些信信号号可可确确定定正正向向S S参参数数|S S1111|、|S S2121|。将将被测网络的激励端与测试端反接，同理可测得被测网络的激励端与测试端反接，同理可测得|S S2222|、|S S1212|。扫频源扫频源定向耦合器定向耦合器二极管检波器二极管检波器|b1|2处处理理及及显显示示DUTBAR|b2|2|a1|2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：扫频源扫频源LOH(s)PFD参考频率源参考频率源BPFDUTBPFBPF采采样样及及量量化化参考信道参考信道R反射测试信道反

38、射测试信道B传输测试信道传输测试信道A源输出信道源输出信道S定向耦合器定向耦合器处处理理及及显显示示矢量网络分析仪（续）上上图图中中PFDPFD为为相相频频检检波波器器，H H(s s)为为环环形形滤滤波波器器，BPFBPF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DUTDUT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 S。参参考考信信号号即即入入射射波波，通通过过R 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 A、B B。为为获

39、获得得复复S 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样和数字化，然后通过数字处理的方法来实现。采样和数字化，然后通过数字处理的方法来实现。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反射传输S参数或反射传输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、精度低高网络分析仪与频谱分析仪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

40、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源作作激激励励，测测量量被被激激励励电电路路的的幅幅度增益与相位；度增益与相位；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入信号的幅度和相位（矢量

41、仪器）。输入信号的幅度和相位（矢量仪器）。10.2.3 反射参数测量反射参数（反射参数（S S1111、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S11，定定向向耦耦合合器器将将DUT的的反反射射波波耦耦合合到到测测试通道的耦合系数为试通道的耦合系数为c3。有。有:1DUT幅幅相相接接收收机机显示显示信号源信号源ES伸长线伸长线RT定向耦合器定向耦合器ab1功率分配器功率分配器反射参数测量的实现（续）用矢量网络分析仪测量反射参数结构：l幅相接收机实现测量，先对幅相接收机实现测量，先

42、对T T、R R两路输入信号混频，然后在低频上进行两路输入信号混频，然后在低频上进行幅度、相位的检测和比较。幅度、相位的检测和比较。R R信号直接进入幅相接收机。而信号直接进入幅相接收机。而T T信号经信号经DUTDUT的的端口反射，再进入，则端口反射，再进入，则T T信号幅度、相位信息携带信号幅度、相位信息携带DUTDUT的反射特性。的反射特性。DUT伸长线伸长线RA定向耦合器定向耦合器a1b1功率分配器功率分配器矢量网络矢量网络分析仪分析仪S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统进行用含有功率分配器、定向耦合器等微波器件的系统进行反射参数测量将必然存在系统误

43、差，这些误差来自系统本身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。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，可用信流图表示如下：定向耦合器作为一个三端口网络，可用信流图表示如下：a3b3S13S32S23S31S33S21S12S22S11b2b1a2a1321定向耦合器定向耦合器反射参数测量中的误差来源（续）方向性误差方向性误差D D 实实际际的的定定向向耦耦合合器器方方向向性性D D=S S3232/S S313100，因因此此使使耦耦合合端端的的信信号号包包含含了了额外泄露出来的成分。额外泄露出来的成分。反射频响误差反射频响误差T TR R

44、由由系系统统本本身身的的频频响响误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刺，即引入了频响误差毛刺，即引入了频响误差(或频率跟踪误差或频率跟踪误差)。源失配误差源失配误差M MS S 由由阻阻抗抗失失配配导导致致从从DUTDUT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DUTDUT和和源源之之间间被被来来回回反反射射，因因而而产产生生S S11A11A的的测测量量误差。误差。反射参数测量误差模型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S S11

45、A11A：DUTDUTDUTDUT的实际反射的实际反射的实际反射的实际反射系数（近似真值）系数（近似真值）系数（近似真值）系数（近似真值）S S S S11M11M11M11M：反射系数测量：反射系数测量：反射系数测量：反射系数测量值值值值 D D D D：方向性误差方向性误差方向性误差方向性误差 T T T TR R R R：反射频响误差反射频响误差反射频响误差反射频响误差 M M M MS S S S：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S11MS11A(DUT)DMS11+TR讨论：测量值讨论：测量值S S11M11M与实际反射系数与实际反射系数S S

46、11A11A之差为之差为 反射参数测量误差模型（续）结结论论：当当DUTDUT的的反反射射系系数数S S11A11A较较小小时时，方方向向性性误误差差D D的的影影响响占占主主导导地地位位；当当S S11A11A较较大大时时，源源失失配配误误差差M MS S是是影影响响反反射射测测量量精度的主要因素精度的主要因素 反射参数测量误差修正误差修正：误差修正：在已知系统误差来源并建立误差模型之后，对在已知系统误差来源并建立误差模型之后，对已知参数真值的已知参数真值的校准件校准件进行测量，并根据测量值和误差模进行测量，并根据测量值和误差模型求出各项误差，最后将它们的影响从测量值中扣除。型求出各项误差，

47、最后将它们的影响从测量值中扣除。常用方法：常用方法：使用三个校准件依次作为使用三个校准件依次作为DUTDUT进行反射参数测进行反射参数测量，分别得到三个以量，分别得到三个以D D、T TR R、M MS S系统误差为未知数的方程，系统误差为未知数的方程，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Z Z0 0作为校准件。作为校准件。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=1）此时此时S S11A11A=1=1，记测量值为

48、，记测量值为S SM1M1，有，有2.2.接入短路器接入短路器（反射系数（反射系数=1 1）此时此时S S11A11A=1 1，记测量值为，记测量值为S SM2M2，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=0）4.4.此时此时S S11A11A=0=0，记测量值为，记测量值为S SM3M3，有，有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：5.5.5.5.测量测量测量测量DUTDUTDUTDUT，并将测量值与校准所得的误差代入误差模型公，并将测量值与校准所得的误差代入误差模型公，并将测量值与校准所得

49、的误差代入误差模型公，并将测量值与校准所得的误差代入误差模型公式：式：式：式：即可得即可得即可得即可得S S S S11A11A11A11A。校校 准准修修 正正10.2.4 传输参数测量 S S2121、S S1212测量的实现测量的实现 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，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，区别在于区别在于DUTDUT必须必须串接串接在测试信号通路中。在测试信号通路中。设设信信号号源源出出射射波波为为E ES S，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c c1 1、c c2 2，DUTDUT的传输系数为的传

50、输系数为S S2121，有：，有：幅幅相相接接收收机机显示显示RT信号源信号源ESa1b2功率分配器功率分配器DUT传输参数测量的实现（续）用矢量网络分析仪测量传输参数：用矢量网络分析仪测量传输参数：DUTRB功率分配器功率分配器矢量网络矢量网络分析仪分析仪Sa1b2传输参数测量中的误差来源传输泄漏误差C：传输路径因隔离不佳（不满足S21=S12=0）而产生了信号泄漏，由此引起传输泄漏误差，也叫隔离误差。传输路径频响误差TT：部件的传输频响使实测的系统频响轨迹出现波纹，即传输频响误差或跟踪误差。源失配误差MS：由双端口网络向信号源方向看过去的等效源反射参数。负载失配误差ML：由双端口网络向负载