第10章 线性系统频率特性测量和网络分析(讲义)

1、电子测量原理电子测量原理第1页电子测量原理电子测量原理第2页电子测量原理电子测量原理第3页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)|：幅频特性幅频特性相位相位() ：相频特性相频特性信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成信号的频谱分析：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电子测量原理第4页电子测量原理电子测量原理第5页电子测量原理电子测量原理第6页电子测量原理电子测量原理第7页电子测量原理电子测量原理第8页电子测量原理电子测量原理第9页扫扫描描信信

2、号号发发生生器器放放大大器器稳稳幅幅ALC低低通通滤滤波波器器宽宽带带 放放大大器器输输出出衰衰减减器器频频标标产产生生电电路路混混频频器器本本振振f0频频标标输输出出扫扫描描输输出出X 轴轴扫扫频频输输出出取取样样检检波波器器扫扫频频振振荡荡器器f1f2电子测量原理电子测量原理第10页电子测量原理电子测量原理第11页电子测量原理电子测量原理第12页121202ffffff min0max0kk 线线性性系系数数%1002121 AAAAM调调幅幅系系数数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-V曲线的斜率曲线的斜

3、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：寄生调幅最小幅度电子测量原理电子测量原理第13页电子测量原理电子测量原理第14页电子测量原理电子测量原理第15页方方波波形形成成方方波波形形成成QQSRA微微分分微微分分限限幅幅限限幅幅双双稳稳态态触触发发器器_Iu1u2aabbcc电子测量原理电子测量原理第16页电子测量原理电子测量原理第17页通通道道1通通道道2门门控控电电路路主主计计数数门门标标准准脉脉冲冲发发生生器器十十进进制制计计数数器器显显示示器器Tu1u2fSoSxoxNffTT360360 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

4、算式为:电子测量原理电子测量原理第18页带带通通滤滤波波器器 + +6 60 0o o移移相相器器自自动动相相位位控控制制VCO参参考考本本振振电电压压表表方方 波波发发生生电电路路触触发发脉脉冲冲形形 成成相相位位显显示示双双稳稳态态触触发发型型相相 位位 计计触触发发脉脉冲冲形形 成成方方 波波发发生生电电路路带带通通滤滤波波器器中中频频输输出出2中中频频输输出出1取取样样头头1u1取取样样头头2u2相相位位调调零零取取样样脉脉冲冲发发生生器器 - -1 12 20 0o o移移相相器器电子测量原理电子测量原理第19页电子测量原理电子测量原理第20页电子测量原理电子测量原理第21页q网络网

5、络对实际物理电路和元件进行的数学抽象，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。主要研究外部特性。q网络分析网络分析在感兴趣的频率范围内，通过线性在感兴趣的频率范围内，通过线性激励激励- -响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程。过程。q网络分析仪网络分析仪通过正弦扫频测量获得线性网络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。的传递函数以及阻抗函数的仪器。q频谱测量表征电路单元的信号特性，而网络测量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。表征电路单元组成的系统特性。电子测量原理电子测量原理第22

6、页电子测量原理电子测量原理第23页2211 SS、 2211lg20lg20 ,lg20SSRL 、或或回回波波损损失失22222211111111,11, -11 SSSSVSWR 驻驻波波比比21lg20SA 衰衰减减 11Z、阻阻抗抗12212211 SSSSS、参参数数2121argS 电子测量原理电子测量原理第24页b2b1S22S11S12S21a2a121DUT S10、S21、S12、S22：表示双端口网络的四个：表示双端口网络的四个S参数，即散射参量。参数，即散射参量。电子测量原理电子测量原理第25页b1、b2: 端口端口1、2上的所有出射波上的所有出射波 a1、a2: 端口

7、端口1、2上的入射波上的入射波 012210111122 , aaabSabS021120222211 , aaabSabSS10:端口端口2匹配时端口匹配时端口1的反射系数的反射系数S21:端口端口2匹配时的正向传输系数匹配时的正向传输系数S22:端口端口1匹配时端口匹配时端口2的反射系数的反射系数S12:端口端口1匹配时的反向传输系数匹配时的反向传输系数22212122121111aSaSbaSaSb 电子测量原理电子测量原理第26页端端口口2端端口口1S21S12S22S11b2b1a2a1电子测量原理电子测量原理第27页 nkkkTT1T：信流图所代表的网络的增益或传输函数：信流图所代

8、表的网络的增益或传输函数Tk：第：第k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：信流图行列式，即信流图所代表的网络的联立方：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程组的行列式k：与第与第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 电子测量原理电子测量原理第28页LS21S12S22S11b1a1由梅森法则：由梅森法则：LS 2211,1 , 212212221111 LLSSTSST故有：故有： LLLLLSSSSSSSSS 221221112212212211111电子测量原理电子测量原理第29页 网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输网络分

9、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，用于面描述的测量仪器，用于实现对线性网络的频率特实现对线性网络的频率特性测量性测量。 网络分析仪能够完成反射、传输两种基本测量，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，从而确定几乎所有的网络特性，S参数是其中最基参数是其中最基本的特性。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：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。位特

10、性测量。 电子测量原理电子测量原理第30页12参参考考信信道道R测测试试信信道道T信信号号源源S参参量量测测量量装装置置被被测测网网络络矢矢量量电电压压表表电子测量原理电子测量原理第31页电子测量原理电子测量原理第32页扫扫频频源源定定向向耦耦合合器器二二极极管管检检波波器器|b1|2|b2|2处处理理及及显显示示DUTBA|a1|2R电子测量原理电子测量原理第33页扫扫频频源源LOH(s)PFD参参考考频频率率源源BPFDUTBPFBPF采采样样及及量量化化参参考考信信道道R反反射射测测试试信信道道B传传输输测测试试信信道道A源源输输出出信信道道S定定向向耦耦合合器器处处理理及及显显示示电子

11、测量原理电子测量原理第34页电子测量原理电子测量原理第35页电子测量原理电子测量原理第36页电子测量原理电子测量原理第37页DUT幅幅相相接接收收机机显显示示信信号号源源ES伸伸长长线线RT定定向向耦耦合合器器a1b1功功率率分分配配器器 设信号源出射波为设信号源出射波为ES、功分器分配系数分别是、功分器分配系数分别是c1、c2，DUT反射系数为反射系数为S10，定向耦合器将，定向耦合器将DUT的反射的反射波耦合到测试通道的耦合系数为波耦合到测试通道的耦合系数为c3。有。有11132ScccRT 电子测量原理电子测量原理第38页DUT伸伸长长线线RA定定向向耦耦合合器器a1b1功功率率分分配配

12、器器矢矢量量网网络络分分析析仪仪S电子测量原理电子测量原理第39页a3b3S13S32S23S31S33S21S12S22S11b2b1a2a1321定定向向耦耦合合器器电子测量原理电子测量原理第40页电子测量原理电子测量原理第41页S11MS11A(DUT)DMS11+TRS10A：由梅森法则，可得由梅森法则，可得 DSMTDSMSRA 1111M111S电子测量原理电子测量原理第42页 2111111211211111111111111 11 11ASARAASASRAAASRAAMSMSTDSSMSMTSDSSMTSDSSS 结论：当结论：当DUT的反射系数的反射系数S10A较小时，方向

13、性误差较小时，方向性误差D的影响占主导地位；当的影响占主导地位；当S10A较大时，源失配误差较大时，源失配误差MS是影响反射测量精度的主要因素是影响反射测量精度的主要因素 电子测量原理电子测量原理第43页电子测量原理电子测量原理第44页SRMMTDS 111SRMMTDS 112 3DSM 电子测量原理电子测量原理第45页 2132121212331322MMMMMSMMMMMMMMRMSSSSSMSSSSSSSSTSD DSMTDSMSRA 1111M111S校校 准准修修 正正电子测量原理电子测量原理第46页幅幅相相接接收收机机显显示示RT信信号号源源ESa1b2功功率率分分配配器器DUT

14、 设信号源出射波为设信号源出射波为ES，功率分配器的分配系数分别，功率分配器的分配系数分别是是c1、c2，DUT的传输系数为的传输系数为S21，有：，有：2112SccRT 电子测量原理电子测量原理第47页DUTRB功功率率分分配配器器矢矢量量网网络络分分析析仪仪Sa1b2电子测量原理电子测量原理第48页电子测量原理电子测量原理第49页S10A：S12A：由梅森法则，可得：由梅森法则，可得：a1b2C1+TTMLS21AS22AS11AS12AMS AALSAALSALASTAMSSMMSSMMSMSMTSCabS22111221221121122111 电子测量原理电子测量原理第50页 AA

15、LASTAALASTAAMSSMSMTCSSMSMTSCSSS21221121221121212121 11 结论：传输系数测量误差不仅与结论：传输系数测量误差不仅与4项系统误差有项系统误差有关，还与网络本身的特性参数有关，与反射参关，还与网络本身的特性参数有关，与反射参数测量有区别！数测量有区别！ 电子测量原理电子测量原理第51页矢矢量量网网络络分分析析仪仪伸伸长长线线RA功功率率分分配配器器12端端口口1端端口口2DUTSB12电子测量原理电子测量原理第52页RFS21MCF1+TTFMLFS21AS22AS11AS12AMSFS11M1DF1+TRFS22M1+TRRMSRS21AS22

16、AS11AS12AMLR1DR1+TTRRFS12M端端口口1端端口口2(a)(b)CR正向正向S10A、S21A测量测量误差模型误差模型反向反向S22A、S12A测量测量误差模型误差模型电子测量原理电子测量原理第53页电子测量原理电子测量原理第54页 AALFSFAALFSFALFASFAALFALFARFFMSSMMSSMMSMSMSSMSMSTDS2211122122111221221111111 AALFSFAALFSFALFASFTFAFMSSMMSSMMSMSMTSCS221112212211212111 AALRSRAALRSRALRASRAALRALRARRRMSSMMSSMM

17、SMSMSSMSMSTDS2211211211222112112222111 AALRSRAALRSRALRASRTRARMSSMMSSMMSMSMTSCS221121121122121211 全面测得全面测得4个个S参数之后，正向校准需参数之后，正向校准需6个校准件并个校准件并测量测量6次，反向校准亦然次，反向校准亦然共需测量共需测量12次次，才能一一，才能一一确定所有的系统误差！确定所有的系统误差！电子测量原理电子测量原理第55页 22111jSFjRFFMeMeTDS SFRFFMMTDS 112 22311jSFjRFFMeMeTDS LFSFRFLFFMMMTMDS 115LFSFTFFMMMTCS 116电子测量原理电子测量原理第56页 1122322123 jjMjMMjMFeAeSeSASeSD 32223MMMFjFMSFSSSDeDSM