第10章线性系统频率特性测量和网络分析

第10章线性系统频率特性测量和网络分析电子测量原理第*页第10章线性系统频率特性测量和网络分析 10.1 线性系统频率特性测量 10.2 网络分析仪电子测量原理第*页 10.1 线性系统频率特性测量 10.1.1 幅频特性测量 10.1.2 扫频测量与扫频源 10.1.3 相频特性测量电子测量原理第*页引言什么是线性系统的频率特性？频域中的两个基本测量问题信号的频谱分析：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电子...

电子测量原理第*页第10章线性系统频率特性测量和网络分析 10.1 线性系统频率特性测量 10.2 网络分析仪电子测量原理第*页 10.1 线性系统频率特性测量 10.1.1 幅频特性测量 10.1.2 扫频测量与扫频源 10.1.3 相频特性测量电子测量原理第*页引言什么是线性系统的频率特性？频域中的两个基本测量问题信号的频谱分析：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电子测量原理第*页 10.1.1 幅频特性测量幅频特性扫频测量法频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫描，因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立即显示特性曲线。扫频测量所得的频率特性是动态频率特性. 为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。电子测量原理第*页幅频特性的扫频测量框图框图原理：扫频振荡器受扫描信号锯齿波电压扫频，产生由低到高周期性变化的扫频信号，该信号加到被测电路上，经峰值检波器检波加到Y偏转板，从而得到幅频特性电子测量原理第*页 10.1.2 扫频测量与扫频源 1.原理能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发生器或扫频信号源，简称扫频源。它既可作为独立的测量用信号发生器，又可作为频率特性测量类仪器的前端。 �� f1~f2� � � ALC� � �� X� �� f� 0� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� 电子测量原理第*页扫频源的基本工作原理（续）典型的扫频源应具备下列三方面功能：产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等；产生同步输出的频率标志，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。电子测量原理第*页 2.扫频源的主要特性有效扫频宽度扫频线性输出振幅平稳性 f0：扫频输出中心频率 f1：扫频起点；f2：扫频终点 k0：压控特性f-V曲线的斜率 A1：寄生调幅最大幅度 A2：寄生调幅最小幅度电子测量原理第*页 3.获得扫频信号的方法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。 YIG（钇铁石榴石）电调扫频常用于产生GHz以上频段的信号，利用下变频可实现宽带扫频。可覆盖高达10倍频程的频率范围，扫频线性好、损耗低、稳定性好。合成扫频源实际上是一种自动跳频的连续波工作方式，频率不完全连续变化，输出频率准确。电子测量原理第*页 4.频率标记频率标记是扫频测量中的频率定度。产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。电子测量原理第*页 5.宽频段扫频方法差频式宽频段扫频将固定频率的振荡器与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。电子测量原理第*页 10.1.3 相频特性测量测量线性系统的相频特性时，常以被测电路输入端的信号作为参考信号，输出端信号作为被测信号，所测的输入/输出相位差就是电路的相频特性点。相位测量常见的有数字式相位计，高频段的矢量电压表等。数字式相位计瞬时值型数字相位计属于相位-时间变换型,将两个信号的相位差转换成时间差，再用计数器测量该时间间隔. 电子测量原理第*页 1.瞬时值型数字相位计 u1作为参考的信号在通道1中，用作计数门的启动信号。u1、u2间的相位差首先被处理成两个过零脉冲的时间间隔ΔT，其中由u1产生的过零脉冲启动主计数门，由u2产生的过零脉冲负责关闭计数门。 � ��1� � ��2� � �� T� u� 1� u� 2� � � f� S� � � � � � � � � � � � � � � � � � � 电子测量原理第*页 2.矢量电压表矢量电压表是一种能同时测量信号幅度和相位的测量仪器，本质上属于矢量网络分析仪。 �� -120o�� +60o�� VCO� �� 2� ��1� � ��1� u1� � � ��2� � u2� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� 电子测量原理第*页矢量电压表（续）矢量电压表较多采用的相频特性测量方法是脉冲触发式。上图是一种宽频带双通道矢量电压表，其相位差测量范围为-180o~+180o。高频信号u1、u2分别加到两个取样头变换为固定的中频信号，同时保持了高频输入原有的波形、幅度及信号间的相位关系。取样后的中频信号经过带通滤波器进行电压幅度测量，同时被整形为方波，然后进入双稳态触发型相位计中实现相位测量。电子测量原理第*页 10.2 网络分析仪 10.2.1 网络分析的基本概念 10.2.2 网络分析系统 10.2.3 反射参数测量 10.2.4 传输参数测量电子测量原理第*页 10.2.1 网络分析的基本概念网络分析概述微波网络S参数 S参数的流图表示及计算网络——对实际物理电路和元件进行的数学抽象，主要研究外部特性。网络分析——在感兴趣的频率范围内，通过线性激励-响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程。网络分析仪——通过正弦扫频测量获得线性网络的传递函数以及阻抗函数的仪器。频谱测量表征电路单元的信号特性，而网络测量表征电路单元组成的系统特性。电子测量原理第*页网络分析概述线性网络与非线性网络线性网络（系统）：仅改变输入信号的幅度和（或）相位，不会产生新的频率信号；非线性网络（系统）：改变输入信号的频率，或产生其他频率成分。频谱测量表征电路单元存在的信号特性,而网络测量表征电路单元组成的系统特性.现代分析网络是以测量散射 (S参量)为基础的. 电子测量原理第*页网络分析概述（续）网络分析参数标量反射参数：标量传输参数：矢量反射数：矢量相位：品质因数Q 电子测量原理第*页微波网络S参数微波网络常用散射参数（S参数）表示。任何网络都可用多个S参数表征其端口特性，对n端口网络需要n2个S参数。 S10、S21、S12、S22：表示双端口网络的四个S参数，即散射参量。 � b� 2� b� 1� � � S� 22� � S� 11� � S� 12� � S� 21� � a� 2� a� 1� � � � � � � � 2� � 1� � � DUT� � � � � � � � � � 电子测量原理第*页微波网络S参数（续）散射方程 S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 S10: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电子测量原理第*页 S参数的流图表示及计算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： �� 2� �� 1� S� 21� S� 12� S� 22� S� 1� 1� � b� 2� b� 1� a� 2� a� 1� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 电子测量原理第*页 S参数的流图表示及计算（续1）梅森（Mason）不接触环路法则 (将信流图简单、直观的表达方法与梅森法则结合,在分析网络特性时更方便) T：信流图所代表的网络的增益或传输函数 Tk：第k条路径上所有支路系数的乘积 Δ：信流图行列式，即信流图所代表的网络的联立方程组的行列式 Δk：与第k条开路不接触的子信流图的行列式电子测量原理第*页 S参数具有以下优点 (1) S参数与惯常使用的增益、衰减、反射系数等物理量联系非常密切； (2) 对电路进行分析或设计时，S参数能全面而严格地表征网络特性，并且便于利用； (3) S参数较易于测量，只需要一般的反射和传输测量系统或设备即可； (4) S参数易于用信流图表示，对于分析复杂的组合网络系统非常有利。电子测量原理第*页 10.2.2 网络分析系统网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器，用于实现对线性网络的频率特性测量。网络分析仪能够完成反射、传输两种基本测量，从而确定几乎所有的网络特性，S参数是其中最基本的特性。标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；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。电子测量原理第*页系统组成原理基本的网络分析仪主要由信号源、S参量测量装置及矢量电压表组成。 � �� S�� 1� 2� �� R� �� T� 电子测量原理第*页信号源：向被测网络提供入射信号或激励； S参量测量装置：实际上是反射测量电路与传输测量电路的组合，首先将入射、反射及传输信号分离开，然后通过转换开关分别进行测量；矢量电压表：测量入射、反射和传输信号的幅值及它们之间的相位差。也可以通过幅相接收机实现此功能。电子测量原理第*页标量网络分析仪 a1为入射波、b1为反射波、b2为传输波，它们的测量通道分别为R（参考）、A、B。通过这些信号可确定正向S参数|S10|、|S21|。将被测网络的激励端与测试端反接，同理可测得|S22|、|S12|。 � � � � � � �� |� b� 1� |� 2� |� b� 2� |� 2� � �� DUT� � � � � � � � � � B� A� � � � |� a� 1� |� 2� � � � � � � � R� � � 电子测量原理第*页矢量网络分析仪一种外差式矢量网络分析仪的组成框图如下： � �� LO� � H� (� s� )� � PFD� � � � �� BPF� � � � � � � DUT� � � � � � � � � BPF� � � � BPF� � �� R� �� B� �� A� � � �� S� �� 电子测量原理第*页基本结构与外差式接收机类似：扫频源一方面为DUT提供激励.参考信号即入射波，通过R通道进行测量。反射波、传输波所在的测试通道分别为A、B。为获得复S参数而进行的复数除法可用硬件完成，现在多采用对混频所得的中频信号采样和数字化，然后通过数字处理的方法来实现。电子测量原理第*页网络分析仪与频谱分析仪频谱分析仪测量未知或任意的输入频率，而矢量网络分析仪只测量自身或受控的已知频率；外差式频谱分析仪测量输入信号的幅度（标量仪器），矢量网络分析仪测量输入信号的幅度和相位（矢量仪器）。电子测量原理第*页 10.2.3 反射参数测量反射参数（S11、S22）测量的实现 � � � � � � � � � � � � � � � � DUT� � � �� E� S� �� R� T� �� a� 1� b� 1� � � � � � �� 电子测量原理第*页用矢量网络分析仪测量反射参数：通过功分器分配得到一参考的入射波信号，加到矢量电压表的参考信道R,定向耦合器将DUT的反射波耦合到测试信A通;矢量电压表测量入射信号、反射信号的幅值及它们之间的相位差. 扫描信号源 �� S� � � � � � � � � � � � � � DUT� � � � � � � � � � � � �� R� A� �� a� 1� b� 1� � � � � � �� 电子测量原理第*页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。定向耦合器作为一个三端口网络，可用信流图表示如下：电子测量原理第*页反射参数测量中的误差来源（续）方向性误差D 实际的定向耦合器方向性D=S32/S31≠0，因此使耦合端的信号包含了额外泄露出来的成分。反射频响误差TR 由功率分配器、定向耦合器的频响误差引起实测的系统频响轨迹上有若干起伏或小毛刺，即引入了频响误差。源失配误差MS 由阻抗失配导致从DUT向源方向看过去的等效源反射系数不完全为零。反射信号中有一部分将在DUT和源之间被来回反射，因而产生S10A的测量误差。电子测量原理第*页 10.2.4 传输参数测量 S21、S12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，区别在于DUT必须串接在测试信号通路中。电子测量原理第*页传输参数测量的实现（续）用矢量网络分析仪测量传输参数： �� S� a1� b2� � � � � � � DUT� � R� B� � � � �� 电子测量原理第*页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方向看过去的负载反射系数。电子测量原理第*页 10.2.5 S参数的全面测量由以上讨论可知：传输参数的测量误差无法采用与反射参数误差处理方法相同的过程实现校准和修正，而必须将所有的S参数全部测出，再统一修正所有误差。反射、传输参数双向测量系统如下图所示：图中两个微波开关联动，拨到位置1时可测反射参数，拨到位置2时可测传输参数，因此不必重新连接DUT就能测出双端口网络的全部S参数。 � � � � � � � �� R� A� � � � �� 1� 2� ��1� ��2� DUT� � S� B� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 1� 2� �

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