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1、网络参量的测量网络参量的测量 1. 双口网络的散射参量（双口网络的散射参量（S参数）参数）S参数的定义 如图1所示的双端口网络，一个为输入口，另一个为输出口，且都与对应传输线相连接，每一传输线中都有两个向相反方向传播的波，为方便起见，设进入网络的电压波称为“进波” ，记为a；从网络中出来的电压波称为“出波”，记为b。a、b都是相对于某口参考面T而言的。对于上述双口线性网络，进波和出波之间关系符合线性叠加原理可表达为：S11S21S12S22T1T2a1a2b1b2图1 双口网络示意图2121111asasb2221212asasb(1.a)(1.b) 上式可写成矩阵形式式中a和b是列阵，S为二

2、阶方阵，S参数的物理意义 散射参量的物理意义可由下式说明：S11是1口接信号源（因为a10），2口接匹配负载时（因为a2=0），1口的电压反射系数。aSb (2)21aaa21bbb22211211ssssS，011112aabS(3) 同理 表示2口接信号源，1口接匹配负载时，2口的电压反射系数。 下面再来看一下S的非对角元，例如S21的物理意义：上式表明S21是1口接信号元，2口接匹配负载条件下，1口对2口的电压传输系数。同理， 表示2口接信号源，1口接匹配负载时，2口对1口的电压传输系数。对于n=1的单口网络，其S矩阵退化为只有一个对角元，即这里1就是单口网络所代表的不均匀区在其输入传输

3、系统的参考面上的电压反射系数。例如微波腔体就是一个单口网络，如图2所示。 022221aabS012212aabS(4)021121aabS111S(5) 测量网络参数的重要性 网络参数的测量大致可分为网络反射参量及传输参量的测量。网络反射参量测量（S11或S22）可知道每个端口的输入阻抗是否设计成与它们所连传输线的特性阻抗Zc相匹配，如果失配会造成传输效率的降低、损耗增加、引起击穿和信号失真等问题。 前面已经介绍，通过反射参量还可以求得入口处的输入阻抗和驻波系数等其他网络参数，便于工程技术人员进行微波器件的设计。 习惯上常用回波损失作为描述失配大小的指标，用分贝表示为： 传输测量的主要任务是

4、衰减与相移测量，表征网络本身传输特性的参量，是散射参量中的S21（或反向S12）。通常把|S21|的模值用分贝来表示，称之为衰减腔体a1b1图2 单口网络|1lg20RL(6) 同时把S21的幅角argS21称为网络的相移。例如测量滤波器的带内衰减和阻带衰减就是一个典型例子。全面测量网络参量的仪器称为网络分析仪，它的早期结构是阻抗圆示仪，随着扫频信号源和取样变频器的出现，以及计算机技术的不断发展，到60年代出现全自动的测量网络参数的装置自动网络分析仪（ANA）。|1lg2021SA(7)2. 网络分析仪网络分析仪网络分析仪是一种多功能的测量装置。它既可以测量反射参数和传输参数，也能将结果自动转

5、换为其它形式的参数；既可以测量无源网络，也可以测量有源网络；既能点频测量，也能扫频测量；操作方法包括手动和自动两种；测量结果可通过示波器显示和打印输出。网络分析仪的构成 图3所示为网络分析仪的简化方框图。图中虚线所包围的部分，从广义上讲可称为网络分析系统；狭义而言，只把其中的幅相接收机部分称为网络分析仪。信号源通常采用扫频信号源，信号分离装置就是所谓的反射/传输测试装置或S参数测试装置。信号分离装置幅相接收机显示器参考通道测试通道参考通道测试通道RFIF被测件信号源图3 网络分析仪方框图 信号分离装置利用功分器或定向耦合器将射频信号分成两个通道：一个是参考通道，一个是测试通道。参考通道的信号不

6、经过被测件，直接送入幅相接收机。而测试通道的信号则要经过被测件的反射或传输后再送入幅相接收机。测试通道的信号经被测件作用后，带有了被测件的反射/传输特性信息。将两路信号送入幅相接收机，经下变频后，在中频上比较两路信号的幅度和相位，并将结果送至显示器。各组成单元简介扫频信号源 扫频测量具有快速、宽带、直观、动态显示等优点。在微波自动测量技术中，微波扫频信号源得到广泛的应用。 目前应用的频率合成微波扫频源，基本上是将一宽带扫频振荡器通过锁相环路，用一性能良好的频率合成器锁定而成的。 HP公司的8350系列扫频源是通过计算机来控制面板全部调节功能的扫频源，这里以HP8350B为例，简要介绍其主要性能

7、。 HP8350B扫频源由主机和高频插件单元组成。主机的操作功能由一个Motorola6800微处理器进行控制，实现了智能化，使操作十分简便。同时它配有HPIB接口，微处理器既可以接受面板按钮的指令，也可接受外部计算机的控制指令。 HP8350前面板各按钮的功能，除电源开关外，其他如扫频范围选择、频标、扫描时间和输出功率选择等，都可远控。HP8350系列高频插件，采用先进的YIG调谐振荡器和GaAsFET放大器，构成高性能的宽带扫频振荡器，能够得到高性能的宽带扫频输出。 HP8350B的主要性能如下：（1）频率控制功能 （2）扫频触发模式 （3）调制特性 （4）仪器控制（5）功率扫描 （6）仪

8、器状态 （7）程控功能S参数测试装置 与网络分析仪HP8410S配套使用的同轴型S参数测试装置有8743B、8745A、8746B等。依测试对象的不同，而决定选择哪一种装置。幅相接收机混频器混频器混频器第二本振自动调谐本振锁相环混频器20MHzIF增益控制278kHzAGCAGCRF参考信号RF测试信号 20.278MHz 20.278MHzHP8411AHP8410S278kHz图4 幅相接收机方框图 幅相接收机是网络分析仪系统的核心部分。它由谐波变频器HP8411A和网络分析仪主机HP8410S组成。图4为其简化的方框图。 来自反射/传输测试装置或S参数测试装置的测试通道和参考通道的两路信

9、号，分别送入谐波变换器的测试通道和参考通道。经谐波取样变频，将两路输入信号都下变到固定的中频20.278MHz，然后又经过第二变频器，再下变到278kHz的低中频。由于都是线行变换，两路低频信号仍保持着两路微波信号的幅度和相位关系。这样就能够在低频电路上测量其幅度比和相位差。取样谐波变频器的优点在于有极宽的工作频带。谐波变频器HP8411A的工作频带为110MHz 18GHz。 图4中的锁相环路能保证系统在扫频状态下工作。当信号源在宽频带内扫频时，锁相环使自动调谐本振跟踪参考信号，为谐波变频器提供所需的本振，以产生20.278MHz的固定中频。直角坐标显示器 相位幅度显示器HP8412B装入H

10、P8410S的主机框架中。它可显示出幅度和相位依频率而变化的曲线，幅度曲线能直接读出回波损耗、插入损耗或增益。极坐标显示器 极坐标显示器HP8414B装入HP8418辅助机架中。HP8418从网络分析仪的主机得到278kHz的中频输入。HP8410测试通道的增益控制能同时控制HP8412和HP8414两个显示器。另外，HP8418包括一组可程控的中频衰减器，便于在自动测试时对极坐标的幅度显示进行程控。3. 网络参数的测量方法网络参数的测量方法反射测量 图5为网络分析仪进行反射测量的简化方框图。当测量两端口网络器件的反射系数时，被测件的输出端应接上匹配负载。对于某些S参数测试装置来说，其内部电路

11、就可以保证这一条件的实现。 做反射测量时，首先要对测试系统进行校准，然后再进行测量。校准 校准步骤应注意两个问题：首先要明确应在哪一个参考面上进行校准，其次要了解用于校准的标准件特性。幅相接收机短路器被测件L测试参考841484121180图5 反射测量方框图 在做反射测量的校准时，校准参考面应选择在被测件的输入端口参考面，也就是测量参考面。HP8743、8745、8746等S参数测试装置的输出输入端口都是APC-7型的精密同轴平接头，如果被测件的端口也是此类型接头，可直接联接到测试装置上去，这时校准参考面就可选择在测试装置的输出端口的参考面，并采用具有APC-7型接头的标准件。如果被测件的端

12、口是其它类型的接头，必须通过接头转接器才能联接到测试装置上，这时的校准参考面就应选择在接头转接器与被测件联接的端口处，采用与被测件接头相同的标准件，这样就能把接头转接器所引入的损耗和相移在校准过程中补偿并抵消掉。 短路器是较理想的标准件，其反射系数为1180 。将短路器接至测试系统的测试参考面，将信号源调整到所需的频率范围，进行幅度和相位的校准。调节HP8410的“增益控制”，实际上就是调节测试通道的信号幅度。已知短路器的回波损耗为0dB，故这时应将HP8412所显示的幅度曲线调至0dB处。对于显示器HP8414，由于短路反射系数的模值为1，故应将曲线调至极坐标的大圆上。该圆是|=1的圆，这时

13、表示幅度已校准好。 相位的校准，可调节S参数测试装置的“延伸线”，这实际上是在调节参考通道的电长度。使得在HP8412屏幕上的相位曲线由锯齿波变成一水平线，表示此时测试通道和参考通道的电长度已调到相等。这时HP8414上的曲线也集中为一个小光团，这是因为两个通道的电长度相等时，在所有频率上两通道的相位差都不变。在理想情况下应集中为一个点，但由于系统中存在着频响误差，所以不是点而是一个小光团。将HP8412的“相位补偿”钮放在180处，调节主机8410的“相位控制”钮，将HP8412上的相位曲线调至表示零度的中心线。调节HP8414辅助机架HP8418的相位微调钮，使光团位于极坐标的“-1”处，

14、此时表示相位也已校准好。 测量 系统经校准后，即可进行测量。将短路器去掉，接上被测件，如图5所示。这时可直接从HP8412上读出被测件在不同频率点的回波损耗和反射相位，注意因为在用短路器作校准时，已将HP8412的“相位补偿”钮放在180处，故应将读数再加上180。从HP8414上可直接读出对应于不同频率点的反射系数的模值和相角。传输测量 图6为网络分析仪作传输测量时的简化方框图。对于传输参数的测量，象反射测量一样，首先要进行校准，然后再测量。幅相接收机被测件测试参考841484121180参考平面图6 传输测量方框图 校准 在做传输测量的校准时，对于转换接头的使用以及测量参考面的选取与反射测

15、量校准基本相同。 校准时，先将信号源调至所需工作频率范围，将S参数测试系统用来接入被测件的两个端口直接联接。这样一个“直通”可认为是一个零长度、无损耗、特性阻抗为50的“标准件”。其传输系数为1，相移量为零。有了这样一个“标准件”，就可以分别对幅度和相位进行校准，具体调整原理与反射测量校准时一样。最后要将HP8412上的幅度曲线和相位曲线都调至栅网的中心线，即0dB0处。和反射校准不同的是，这时“相位补偿”钮应放在0处。对于HP8414，最后要把小光团调至极坐标的10 处。测量如图6所示，断开测试通道的“直通”，将被测件接入即可。根据需要，可分别从显示器HP8412和HP8414上读出其传输增

16、益（或损耗）以及相位移。4. 自动微波网络分析仪（自动微波网络分析仪（ANA） 自动微波网络分析仪系统，是由计算机对微波网络分析仪的各组成单元实行程控。可以按操作者的指令，对诸如信号源的频率、输出功率、S参数测试装置的选择开关以及接收机的中频增益等进行程控。同时，利用计算机的快速运算能力对系统进行校准，在对被测件的测量中，自动扣除系统误差，给出高精度的测试结果。自动网络分析仪的特点高精确度：ANA采用“步进 频率”扫描，或者说是点频扫描，因此在测量频带内是有限数目的测量点。可以先在各步进频率点上测出系统的各项误差，然后在测量时扣除这些系统误差，给出待测网络的校正特性。网络分析仪的全部误差项可以

17、通过测量标准器件如短路器、匹配负载、直通传输线等获得，从而提高测量精度。速度快：计算机能够非常容易的控制测试者用手操作的全部测量过程，因而大大缩短了测量网络参数的时间，提高了工作效率。灵活性： S参数是网络分析仪最容易测定的一组参数，但在应用中有时还需要知道被测件的其它参数。有了计算机，就能够把S参数转换成任何所需的参数，即从S参数得到T、Y、Z等参数以及群延迟、电压驻波比、回波损失和衰减等数值，同时利用快速傅立叶变换还能将频域数值转换为时域响应，极大的方便了使用者。 基本系统组成 图7为自动微波网络分析仪基本系统。该系统包括微波扫频信号源，S参数测试装置，网络分析仪主机以及直角坐标和极坐标显

18、示器。还包括带有HPIB接口卡的台式计算机，带HPIB接口的A/D变换器和继电器激励器。信号源HP8350BA/D变换器HP59313A继电激励器HP59306AHP9845计算机HPIB测试装置HP8746B网络分析仪HP8410S,8411A,8412B辅助显示器架HP8418,8414被测件XY相位参考测试参考测试RFIF衰减控制测试装置控制图7 自动微波网络分析仪基本系统 台式计算机经HPIB对信号源、A/D变换器和继电器激励器进行控制。信号源HP8350B在计算机控制下进行步进扫频，也就是多级阶梯扫描。要适当选择扫频的起始频率、终止频率和足够小的步进频率间隔，以基本保持连续扫频的优点

19、。但无论是测量还是校准，都是在同样的一系列离散的点频上进行的。要在一系列相应的频率点上分别进行校准、测量并计算出各项系统误差，然后再从测量结果扣除之，如果不是利用计算机的程控能力和计算能力，只靠人工几乎是无法完成的。用计算机控制的微波自动网络分析仪系统，可以达到比人工手动操作更高的测试精度。 继电器激励器用于程控S参数的选择开关，同时也用于程控极坐标显示器辅助机箱中的中频衰减器。以保证在各频率点上极坐标屏幕上的光点都出现在适当的范围内。 A/D变换器将HP8412输出的幅度电压模拟量，和HP8414的X、Y输出的电压模拟量经三个通道分别转化为数字量，然后送入计算机。幅度信息取自HP8412，这

20、样可得到最好的幅度精度和最大的动态范围。相位信息取自HP8414的X、Y输出，从而保证有良好的相位精度。 在校准过程中，利用制作精良的标准件如短路器、开路器、直通联接、精密匹配负载或滑动负载等，测量并计算出各项矢量系统误差。将这些误差项存储在计算机的内存中，然后在测量被测件时，再依次在逐个的频率点上分别扣除它们，最终给出高精度、高分辨力的幅度和相位数据。可根据需要打印绘图输出。 系统控制 在一个自动测试系统中，至少要有一个控者、一个讲者和一个听者。图7所示的基本系统中，控者为测试用台式计算机HP9845，听者为信号源和S参数测试装置，讲者为A/D变换器。当然这也不是一成不变的，当信号源发送状态

21、字节消息时，它就是讲者，而计算机则为听者。 除了上述这些硬件设备，要完成自动测试还必须有相应的软件。 下面简要介绍在ANA中控制器（HP9845）的主要功能：管理测试系统操作过程 在测试程序的控制下，控制器监督测试操作过程，指导母线上听者和讲者的操作。它建立并启动三线挂钩程序，以保证从讲者到听者的数据传送。控制器还指令S参数的选择开关执行必要的联接，指令信号源输出所需的信号，指令A/D变换器将数据输出等。进行数据处理 可按网络分析仪系统误差的8项或12项误差模型进行数据处理，以提高测试精度。还可以将数据作进一步处理，进行参数变换或频域时域变换。与操作者交流信息 测试系统与操作者之间的通讯是通过

22、控制器进行的。当操作者输入启动测试的指令后，在测试过程中，控制器通过显示器对操作者及时提供信息和请求。提供测试记录 自动测试系统在控制器的控制下，打印机可自动打印出测试结果。 信号源的程控 信号源的程控问题是自动微波网络测试系统中的重点问题之一。对信号源的程控要比其它装置的程控复杂些。图7所示的基本测试系统中，信号源选用的是HP8350B扫频源。如果要达到更高的精度，只要将基本测试系统与一个源锁相分系统相结合，就能够达到频率合成器一级的频率精度。 自动微波网络分析仪在进行扫频测量时，采用的不是连续扫频方式，而是步进扫频方式。这样就能在一系列的点频上分别进行校准、测量及误差修正，从而可以得到相当高的测试精度。实现步进扫频的方式 先将点频程控到某一起始频率，再将频率步进的步长值也就是