線性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)分析

1、線性網(wǎng)絡(luò)線性網(wǎng)絡(luò)正弦信號(hào)正弦信號(hào)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)H(j)：頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 或頻率特性或頻率特性幅度幅度|H(j)|：幅頻特性幅頻特性相位相位() ：相頻特性相頻特性信號(hào)的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成信號(hào)的頻譜分析：可由頻譜分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成線性系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量：可由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成掃掃描描信信號(hào)號(hào)發(fā)發(fā)生生器器放放大大器器穩(wěn)穩(wěn)幅幅ALC低低通通濾濾波波器器寬寬帶帶 放放大大器器輸輸出出衰衰減減器器頻頻標(biāo)標(biāo)產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路混混頻頻器器本本振振f0頻頻標(biāo)標(biāo)輸輸出出掃掃描描輸輸出出X 軸軸掃掃頻頻輸輸出出取取樣樣檢檢波波器器掃掃頻頻振振蕩蕩器器f1f2121202f

2、fffff min0max0kk 線線性性系系數(shù)數(shù)%1002121 AAAAM調(diào)調(diào)幅幅系系數(shù)數(shù)f0：掃頻輸出中心頻率：掃頻輸出中心頻率f1：掃頻起點(diǎn)；：掃頻起點(diǎn)；f2：掃頻終點(diǎn)：掃頻終點(diǎn)k0：壓控特性：壓控特性f-V曲線的斜率曲線的斜率A1：寄生調(diào)幅最大幅度：寄生調(diào)幅最大幅度A2：寄生調(diào)幅最小幅度：寄生調(diào)幅最小幅度定定 頻頻振蕩器振蕩器掃頻本振掃頻本振低通低通濾波濾波寬帶寬帶放大放大寬帶寬帶輸出輸出 將固定頻率的振蕩器與作為本振信號(hào)的掃頻振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蕩源在混頻器上取差頻。只要使定頻振蕩器的輸出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

3、頻信號(hào)的幅度便電平遠(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?；颈３植蛔?。YIG掃掃頻頻源源低低通通濾濾波波器器PIN開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)本本振振1第第 頻頻段段輸輸出出多多段段掃掃頻頻輸輸入入多多路路PIN開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)低低通通濾濾波波器器低低通通濾濾波波器器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雙雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)觸觸發(fā)發(fā)器器_Iu1u2aabbcc通通道道1通通道道2門門控控電電路路主主計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)門門標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)脈脈沖沖發(fā)發(fā)生生器器十十進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器顯顯示示器器Tu1u2fSoS

4、xoxNffTT360360 若計(jì)數(shù)門的計(jì)數(shù)值為若計(jì)數(shù)門的計(jì)數(shù)值為N，則相位差的計(jì)算式為，則相位差的計(jì)算式為:帶帶通通濾濾波波器器 + +6 60 0o o移移相相器器自自動(dòng)動(dòng)相相位位控控制制VCO參參考考本本振振電電壓壓表表方方 波波發(fā)發(fā)生生電電路路觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖形形 成成相相位位顯顯示示雙雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)觸觸發(fā)發(fā)型型相相 位位 計(jì)計(jì)觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖形形 成成方方 波波發(fā)發(fā)生生電電路路帶帶通通濾濾波波器器中中頻頻輸輸出出2中中頻頻輸輸出出1取取樣樣頭頭1u1取取樣樣頭頭2u2相相位位調(diào)調(diào)零零取取樣樣脈脈沖沖發(fā)發(fā)生生器器 - -1 12 20 0o o移移相相器器q網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)際物理電路和元件進(jìn)行

5、的數(shù)學(xué)抽象，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。主要研究外部特性。q網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析在感興趣的頻率范圍內(nèi)，通過(guò)線性在感興趣的頻率范圍內(nèi)，通過(guò)線性激勵(lì)激勵(lì)- -響應(yīng)測(cè)試確定元件的幅頻特性和相頻特性的響應(yīng)測(cè)試確定元件的幅頻特性和相頻特性的過(guò)程。過(guò)程。q網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)正弦掃頻測(cè)量獲得線性網(wǎng)絡(luò)通過(guò)正弦掃頻測(cè)量獲得線性網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)以及阻抗函數(shù)的儀器。的傳遞函數(shù)以及阻抗函數(shù)的儀器。q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。表征電路單元組成的系統(tǒng)特性。2211 SS、 2211lg20lg20 ,lg20S

6、SRL 、或或回回波波損損失失22222211111111,11, -11 SSSSVSWR 駐駐波波比比21lg20SA 衰衰減減 11Z、阻阻抗抗12212211 SSSSS、參數(shù)參數(shù)2121argS b2b1S22S11S12S21a2a121DUT S10、S21、S12、S22：表示雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)：表示雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)S參數(shù)，即散射參量。參數(shù)，即散射參量。b1、b2: 端口端口1、2上的所有出射波上的所有出射波 a1、a2: 端口端口1、2上的入射波上的入射波 012210111122 , aaabSabS021120222211 , aaabSabSS10:端口端口2匹配時(shí)端口匹

7、配時(shí)端口1的反射系數(shù)的反射系數(shù)S21:端口端口2匹配時(shí)的正向傳輸系數(shù)匹配時(shí)的正向傳輸系數(shù)S22:端口端口1匹配時(shí)端口匹配時(shí)端口2的反射系數(shù)的反射系數(shù)S12:端口端口1匹配時(shí)的反向傳輸系數(shù)匹配時(shí)的反向傳輸系數(shù)22212122121111aSaSbaSaSb 端端口口2端端口口1S21S12S22S11b2b1a2a1 nkkkTT1T：信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的增益或傳輸函數(shù)：信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的增益或傳輸函數(shù)Tk：第：第k條路徑上所有支路系數(shù)的乘積條路徑上所有支路系數(shù)的乘積：信流圖行列式，即信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)立方：信流圖行列式，即信流圖所代表的網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)立方程組的行列式程組的行列式k：與第與第k條

8、開(kāi)路不接觸的子信流圖的行列式條開(kāi)路不接觸的子信流圖的行列式 LS21S12S22S11b1a1由梅森法則：由梅森法則：LS 2211,1 , 212212221111 LLSSTSST故有：故有： LLLLLSSSSSSSSS 221221112212212211111 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，用于面描述的測(cè)量?jī)x器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特實(shí)現(xiàn)對(duì)線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量性測(cè)量。 網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠完成反射、傳輸兩種基本測(cè)量，網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠

9、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，從而確定幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)特性，S參數(shù)是其中最基參數(shù)是其中最基本的特性。本的特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀：只測(cè)量線性系統(tǒng)的幅度信息；：只測(cè)量線性系統(tǒng)的幅度信息；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：可同時(shí)進(jìn)行幅度傳輸特性和相：可同時(shí)進(jìn)行幅度傳輸特性和相位特性測(cè)量。位特性測(cè)量。 12參參考考信信道道R測(cè)測(cè)試試信信道道T信信號(hào)號(hào)源源S參參量量測(cè)測(cè)量量裝裝置置被被測(cè)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)矢矢量量電電壓壓表表 信號(hào)源信號(hào)源：向被測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供入射信號(hào)或激勵(lì)；：向被測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供入射信號(hào)或激勵(lì)； S參量測(cè)量裝置參量測(cè)量裝置：實(shí)際上是反射測(cè)量電路與傳輸：實(shí)際上是反射測(cè)量電路與

10、傳輸測(cè)量電路的組合，首先將入射、反射及傳輸信號(hào)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；分離開(kāi)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行測(cè)量； 矢量電壓表矢量電壓表：測(cè)量入射、反射和傳輸信號(hào)的幅值：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)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?，F(xiàn)此功能。 掃掃頻頻源源定定向向耦耦合合器器二二極極管管檢檢波波器器|b1|2|b2|2處處理理及及顯顯示示DUTBA|a1|2R掃掃頻頻源源LOH(s)PFD參參考考頻頻率率源源BPFDUTBPFBPF采采樣樣及及量量化化參參考考信信道道R反反射射測(cè)測(cè)試

11、試信信道道B傳傳輸輸測(cè)測(cè)試試信信道道A源源輸輸出出信信道道S定定向向耦耦合合器器處處理理及及顯顯示示DUT幅幅相相接接收收機(jī)機(jī)顯顯示示信信號(hào)號(hào)源源ES伸伸長(zhǎng)長(zhǎng)線線RT定定向向耦耦合合器器a1b1功功率率分分配配器器 設(shè)信號(hào)源出射波為設(shè)信號(hào)源出射波為ES、功分器分配系數(shù)分別是、功分器分配系數(shù)分別是c1、c2，DUT反射系數(shù)為反射系數(shù)為S10，定向耦合器將，定向耦合器將DUT的反射的反射波耦合到測(cè)試通道的耦合系數(shù)為波耦合到測(cè)試通道的耦合系數(shù)為c3。有。有11132ScccRT DUT伸伸長(zhǎng)長(zhǎng)線線RA定定向向耦耦合合器器a1b1功功率率分分配配器器矢矢量量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分分析析儀儀Sa3b3S13S32S

12、23S31S33S21S12S22S11b2b1a2a1321定定向向耦耦合合器器S11MS11A(DUT)DMS11+TRS10A：由梅森法則，可得由梅森法則，可得 DSMTDSMSRA 1111M111S 2111111211211111111111111 11 11ASARAASASRAAASRAAMSMSTDSSMSMTSDSSMTSDSSS 結(jié)論：當(dāng)結(jié)論：當(dāng)DUT的反射系數(shù)的反射系數(shù)S10A較小時(shí)，方向性誤差較小時(shí)，方向性誤差D的影響占主導(dǎo)地位；當(dāng)?shù)挠绊懻贾鲗?dǎo)地位；當(dāng)S10A較大時(shí)，源失配誤差較大時(shí)，源失配誤差MS是影響反射測(cè)量精度的主要因素是影響反射測(cè)量精度的主要因素 SRMMTD

13、S 111SRMMTDS 112 3DSM 2132121212331322MMMMMSMMMMMMMMRMSSSSSMSSSSSSSSTSD DSMTDSMSRA 1111M111S校校 準(zhǔn)準(zhǔn)修修 正正幅幅相相接接收收機(jī)機(jī)顯顯示示RT信信號(hào)號(hào)源源ESa1b2功功率率分分配配器器DUT 設(shè)信號(hào)源出射波為設(shè)信號(hào)源出射波為ES，功率分配器的分配系數(shù)分別，功率分配器的分配系數(shù)分別是是c1、c2，DUT的傳輸系數(shù)為的傳輸系數(shù)為S21，有：，有：2112SccRT DUTRB功功率率分分配配器器矢矢量量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分分析析儀儀Sa1b2S10A：S12A：由梅森法則，可得：由梅森法則，可得：a1b2C1+T

14、TMLS21AS22AS11AS12AMS AALSAALSALASTAMSSMMSSMMSMSMTSCabS22111221221121122111 AALASTAALASTAAMSSMSMTCSSMSMTSCSSS21221121221121212121 11 結(jié)論：傳輸系數(shù)測(cè)量誤差不僅與結(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！數(shù)測(cè)量有區(qū)別！ 矢矢量量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分分析析儀儀伸伸長(zhǎng)長(zhǎng)線線RA功功率率分分配配器器12端端口口1端端口口2DUTSB12RFS21MCF1+TTFMLFS21A

15、S22AS11AS12AMSFS11M1DF1+TRFS22M1+TRRMSRS21AS22AS11AS12AMLR1DR1+TTRRFS12M端端口口1端端口口2(a)(b)CR正向正向S10A、S21A測(cè)量測(cè)量誤差模型誤差模型反向反向S22A、S12A測(cè)量測(cè)量誤差模型誤差模型 AALFSFAALFSFALFASFAALFALFARFFMSSMMSSMMSMSMSSMSMSTDS2211122122111221221111111 AALFSFAALFSFALFASFTFAFMSSMMSSMMSMSMTSCS221112212211212111 AALRSRAALRSRALRASRAALRAL

16、RARRRMSSMMSSMMSMSMSSMSMSTDS2211211211222112112222111 AALRSRAALRSRALRASRTRARMSSMMSSMMSMSMTSCS221121121122121211 全面測(cè)得全面測(cè)得4個(gè)個(gè)S參數(shù)之后，正向校準(zhǔn)需參數(shù)之后，正向校準(zhǔn)需6個(gè)校準(zhǔn)件并個(gè)校準(zhǔn)件并測(cè)量測(cè)量6次，反向校準(zhǔn)亦然次，反向校準(zhǔn)亦然共需測(cè)量共需測(cè)量12次次，才能一一，才能一一確定所有的系統(tǒng)誤差！確定所有的系統(tǒng)誤差！ 22111jSFjRFFMeMeTDS SFRFFMMTDS 112 22311jSFjRFFMeMeTDS LFSFRFLFFMMMTMDS 115LFSFTFFMMMTCS 116 1122322123 jjMjMMjMFeAeSeSASeSD 32223MMMFjFMSFSSSDeDSM