第10章 线性系统频率特性测量和网络分析

电子测量与仪器

主讲：吕安强

第10章

线性系统频率特性测量 和网络分析

电子测量与仪器

主讲：吕安强

10.1 线性系统频率特性测量
（1）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 （2）线性系统的频率特性 正弦信号 稳态响应

线性网络 H(jω)

幅度|H(jω)|：幅频特性
H(jω)：频率响应或频率特性 相位φ(ω) ：相频特性

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10.1.1 幅频特性测量
为测量线性系统的频率特性，需要对被测电路输入激 励源，此激励源的频率必须能在一定范围内调谐或选择， 以获得被测系统在某一频率范围内的特性。 幅频特性测量的方法有：点频法、扫频法。

放大器的幅频特性曲线

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点频测量法
每次只向被测线性系统输入某一频率的激励信号，测量 过程中，依次改变激励源的频率，分别测出各频点处的参数， 再将各点数据连成完整的曲线，从而得到频率特性测量结果。 此方法是线性系统频率特性的经典测量法。 缺点： ?所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化； ?测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特 性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或 不足而漏掉这些测量结果。
K( f )

f0

f

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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，并立即显示特性曲线。
?优点：

扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得的频率特性是 动态频率特性，也不会漏掉细节。
?缺点：

如果输入的扫频信号频率变化速度快于系统输出响应时 间，则频率的响应幅度会出现不足，扫频测量所得幅度会小 于点频测量的幅度； 电路中LC元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会 产生频率偏离。

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两种幅频特性测量法的比较
? 扫频法测量所得的动态特性 曲线峰值低于点频测量所得 的静态特性曲线。扫频速度 越快，下降越多； ? 动态特性曲线峰值出现的水 平位置（频率）相对于静态 特性曲线有所偏离，并向频 率变化的方向移动。扫频速 度越快，偏离越大；
I为点频法； II、III为扫频法， 且III的扫速较快。

同一线性系统使用点频法和 扫频法获得的幅频特性曲线

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I为点频法； II、III为扫频法， 且III的扫速较快。

?当静态特性曲线对称时 ，随 着扫频速度加快，动态特性曲 线明显出现不对称，并向频率 变化方向的一侧倾斜；
?动态特性曲线较平缓，其3dB 带宽大于静态特性曲线的3dB 带宽； 小结： ?测量系统动态特性时，必须用扫频法；

同一线性系统使用点频法和 扫频法获得的幅频特性曲线

?测量系统静态特性时，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。

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10.1.2 扫频测量与扫频源
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。 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。

电子测量与仪器 扫频信号源的组成
ALC 扫频振荡器 f1~f2 稳幅 放大器 取 样 检波器

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频标产 生电路 频标 输出

混频器 本振 f0

低通滤波器

宽带放大器

输出衰减器

扫频 输出

扫描信号 发生器

X 轴 扫描输出

扫频振荡器：输出扫频信号，频率范围f1~f2； 扫描信号发生器：产生扫描锯齿波，控制输出频率线性变化； 混频器：对扫描区间进行搬移； 取样检波器：监测扫频输出信号的幅度； 稳幅放大器：输出信号的自动稳幅控制（ALC）。

电子测量与仪器 对扫频源的一般技术要求

主讲：吕安强

?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； ?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。

电子测量与仪器 扫频源的主要特性指标

主讲：吕安强

有效扫频宽度：扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大 频率覆盖范围，一般用相对值表示：
?f f 2 ? f1 ?2 f0 f 2 ? f1
f0：扫频输出中心频率； f1：扫频起点；f2：扫频终点

越大越好

扫频线性：扫频振荡器的压控特性曲线的非线性（线性）程 度，可用线性系数表示。 ?k0 ?max k0：压控特性f-V曲线的斜率 越接近 线性系数 ? 于1越好 ?k ?
0 min

输出振幅平稳性：通常用扫频信号的寄生调幅表示。 A1 ? A2 调幅系数M ? ? 100% A1：寄生调幅最大幅度 越小越好 A1 ? A2 A2：寄生调幅最小幅度

电子测量与仪器 获得扫频信号的方法 ? 变容二极管电调扫频

主讲：吕安强

变容二极管的PN结电容随外加偏置电压变化而变化。在 振荡电路中，通过改变PN结偏置电压，进而改变其电容，最 终改变振荡频率。 此法常见于射频至微波段。 优点：实现简单、输出功率适中、扫频速度较快； 缺点：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。

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主讲：吕安强

?

YIG（钇铁石榴石）电调扫频 YIG具有铁磁谐振特性。在直流磁场作用下，产生谐振。

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 同时具有扫频源和合成信号源特性的信号源。 通常有2中实现方式：DDS和PLL。

输出一定频率间隔的频点，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。

电子测量与仪器 频率标记

主讲：吕安强

为了在扫频源显示器的水 平轴上有准确的频率读数， 通常在扫频信号中附带输出2 个或多个可移动的频率标记脉 冲，以准确的标读扫描区间内 任一点的频率值。

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。

常见频率标记有：菱形频标、脉冲频标、线性频标。

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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。 相位测量同样可采用点频法或扫频法以获得相频特性 曲线。其中，扫频法所得的相频特性主要是被测网络的相 位和时延特性的动态测量。

放大器的相频特性曲线

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主讲：吕安强

本节主要讨论对单频点上的网络时延特性和相位差进行 点频测量，以及用于点频测量的相频特性测量仪器。

常见的测量相频特性的仪器有：低频段的模拟式相位计、 数字式相位计，高频段的矢量电压表等。

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主讲：吕安强

双稳型鉴相器
也称双稳型鉴相器，是模拟式相位计。

采用“过零时间法”实现相位差测量，即测量两个同频 信号波形的同向过零点之间的时间间隔并与被测信号周期相 比，从而得到相位差值。
_ I

u 1 u2

方波形成

a

微分

b

限幅

c

S

Q

A

方波形成

a'

微分

b'

限幅

c'

R

Q

双稳态触发器

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数字式相位计
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；

相位-电压变换型：
将相位差转换成相应的电压值，然后用数字电 压表完成测量。

电子测量与仪器 瞬时值型数字相位计
ΔT
u1 u2 通道1 门控电路 通道2 主计数门 fS 标准脉冲 发生器

主讲：吕安强

十进制 计数器

显示器

瞬时值型数字相位计属于相位-时间变换型。 缺点：由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数 门的开启和关闭时间，因此瞬时值型相位计的测量结果较 不稳定。可以采用多次测量求平均的办法以提高测量精度。

电子测 矢量电压表 量 与 仪 器

主讲：吕安强

矢量电压表是一种能同时测量信号幅度和相位的仪器，本质上属于矢量 网络分析仪。矢量电压表较多采用的相频特性测量方法是脉冲触发式。如图 所示，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。
中频输出1 u1 取样头1 带通滤波器 相位调零 +60o移相器 方波 发生电路 触发脉冲 形成

取样脉冲 发生器

VCO

自动相 位控制

参考 本振

电压表

相位显示

双稳态触发型 相位计

u2

取样头2

带通滤波器 中频输出2

-120o移相器

方波 发生电路

触发脉冲 形成

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。固定的中频信号单独输出还可用 于调幅度及波形失真等参数的测量。

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主讲：吕安强

10.2 网络分析仪
?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。并非现在的计算机网络。
?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。

电子测量与仪器 网络分2种：

主讲：吕安强

?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。 网络分析总是假定被分析网络是线性的，因而可以基于 正弦扫频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。
网络分析参数通常有：

标量反射参数、标量传输参数、矢量反射参数、
矢量网络参数、矢量相位、品质因数Q。

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主讲：吕安强

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。

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主讲：吕安强

国产TD3611C标量网络分析仪

配套线缆

国产TD3611C标量网络分析仪是一种人机对话、使用极 其方便，专为广电、通信行业设计的一款高性价比标量网络 分析仪。它能快速准确测量RF产品的增益、衰减、频响和回 波损耗。是广播电视、通讯领域必备的仪器。可对放大器、 同轴电缆、功分器、模块、天线、耦合器、滤波器、隔离器、 分支分配器等RF器件进行传输特性和反射特性测量。两个独 立的通道可以同时进行传输和反射测量。

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主讲：吕安强

国产TD8714B矢量网络分析仪

国产TD8714B矢量网络分析仪是一种对RF器件或系统进行 测试的最佳仪器,它具有速度快和精度高的特点，对于RF器件或 系统的测试是十分理想的。它能测量RF器件或系统的传输特性、 反射特性和相位特性，例如测量RF器件的插损、增益、衰减、 隔离、回波损耗、驻波比(SWR) 、相位、阻抗、群延迟、史密 斯圆图等。