-阻抗與網(wǎng)絡(luò)分析(v)

1、第六章網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)試與分析木章所說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)是指由若干元器件、電路連接形成的電路網(wǎng)絡(luò)，不是冃前常說(shuō)的局域網(wǎng)、 廣域網(wǎng)所指的網(wǎng)絡(luò)概念。網(wǎng)絡(luò)所包含的對(duì)象多種多樣，千差萬(wàn)別，小到一個(gè)在顯微鏡下才能 觀察到的管芯或梁式引線(xiàn)二極管，大到一部雷達(dá)或人造衛(wèi)星的電子系統(tǒng)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù) 進(jìn)行正確的測(cè)試與分析，是電子設(shè)備成功研制、牛產(chǎn)乃至驗(yàn)收、維護(hù)維修的基礎(chǔ)。測(cè)量和分 析的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)主要分為阻抗特性、網(wǎng)絡(luò)特性和噪聲系數(shù)特性三類(lèi)。阻抗特性測(cè)量按頻段可分為三種，低頻阻抗測(cè)量、射頻阻抗測(cè)量和微波阻抗測(cè)量。低頻阻抗測(cè)量?jī)x器主耍是指lcr表，用于測(cè)量30mhz以下元器件的電阻、電感和電容。 由于測(cè)最頻率較低，采用四端對(duì)方法即可

2、獲得高的測(cè)量精確度。但隨著測(cè)最頻率的提高 （30mhz）,由于雜散和寄生電容電感的存在，精確度會(huì)迅速下降。射頻阻抗分析儀可在更寬的頻率范圍«3ghz）內(nèi)測(cè)量元器件或電路網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性，主 要采用射頻i/v法，可在極寬的阻抗范圍內(nèi)獲得很高的測(cè)量梢確度。微波阻抗測(cè)量方法目前主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再轉(zhuǎn)換為 阻抗或?qū)Ъ{等其他參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)百khz到數(shù)百ghz頻率范囤內(nèi)的測(cè)暈阻抗。由于微波網(wǎng) 絡(luò)分析儀以某一特定阻抗（這一特定阻抗被稱(chēng)為系統(tǒng)阻抗）為基礎(chǔ)測(cè)量s參數(shù)的，一般是50 q,當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的肌抗偏離系統(tǒng)阻抗時(shí)，測(cè)量精度會(huì)降低。網(wǎng)絡(luò)分析儀是將被測(cè)対象等效成單端口或多端

3、口網(wǎng)絡(luò)，并以單端口和二端口網(wǎng)絡(luò)s參數(shù) 為基礎(chǔ)建立被測(cè)対象的數(shù)學(xué)模型。網(wǎng)絡(luò)分析儀分為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩大類(lèi)。 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用基于二極管檢波的寬帶接收方式，僅能對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的幅頻特性進(jìn)行測(cè)試; 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用基于同步檢波的窄帶幅相接收方式，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的幅頻特性、相頻特 性和群時(shí)延特性進(jìn)行測(cè)試與分析。由于矢雖網(wǎng)絡(luò)分析儀具冇標(biāo)雖網(wǎng)絡(luò)分析儀無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì), h隨著電子技術(shù)的發(fā)展，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的性能指標(biāo)越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，而價(jià)格卻越 來(lái)越低，呈現(xiàn)逐步取代標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的趨勢(shì)。目詢(xún)商站化的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已覆蓋30khz 300ghz的頻率范圍，實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)到loooghzo噪聲

4、系數(shù)是指當(dāng)輸入端溫度處于to=29ok時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)一噪聲功率比與輸出端信 號(hào)一噪聲功率比的比值。噪聲系統(tǒng)主要描述線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)信 噪比的惡化程度。噪聲系數(shù)指標(biāo)對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)特別重要，它直接影響了接收機(jī)的靈敏度。噪 聲系數(shù)分析儀是測(cè)最網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的儀器。id前的噪聲系數(shù)分析儀人都采用y因子法進(jìn)行噪 聲系數(shù)的測(cè)最，其測(cè)最頻率范圍從10mhz到110ghz。6.1元器件特性的網(wǎng)絡(luò)表征方法電磁場(chǎng)的處理方法是通過(guò)求解在給定邊界條件下的麥克斯韋方程組來(lái)獲得的，盡管計(jì)算 機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于求解電磁場(chǎng)問(wèn)題，但不是所有問(wèn)題都能得到麥克斯韋方程組的真實(shí)解。 隨著微波cad技術(shù)的不斷發(fā)

5、展，電路理論中的許多概念和方法在微波技術(shù)領(lǐng)域也同樣冇著十 分重要的地位，有一些電磁現(xiàn)象可以肖作場(chǎng)的問(wèn)題來(lái)處理，而有些電磁現(xiàn)象當(dāng)作路的問(wèn)題來(lái) 處理則更方便。微波系統(tǒng)中包含有微波傳輸線(xiàn)、連接器或波導(dǎo)法蘭和英他微波部件，也就是說(shuō)存在著各種不連續(xù)性，如把這些不連續(xù)性等效成微波網(wǎng)絡(luò)，那么就町以把場(chǎng)的問(wèn)題川路的 方法來(lái)處理和解決。實(shí)際上，分布參數(shù)的電磁場(chǎng)問(wèn)題等效成電路問(wèn)題，其電路形式往往比較 簡(jiǎn)單。即使一個(gè)復(fù)雜的電路形式也可以分解為多個(gè)基本網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)，而這些 基本網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)其參考面上某種輸入量和輸出量之間的關(guān)系 得到一組表征該網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)。所研究的輸入和輸出最稱(chēng)

6、為端口變最，表征網(wǎng)絡(luò)特性的一 組屋稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。二端口網(wǎng)絡(luò)是最基本的網(wǎng)絡(luò)形式，雖然一個(gè)網(wǎng)絡(luò)町能會(huì)有多個(gè)端口，但 通過(guò)特定的處理方式多端口網(wǎng)絡(luò)可以轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)。二端口網(wǎng)絡(luò)模型有四個(gè)變量，其中 兩個(gè)是輸入變量，乂稱(chēng)為h變量，為網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號(hào)，而另外兩個(gè)變量為輸出變量，表示網(wǎng) 絡(luò)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，又稱(chēng)因變量。6.1.1單端口網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)的表征方法單端口網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)引腳，因此乂稱(chēng)雙端器件，如電阻、電容、電感和石英晶體等。在低 頻段這些器件的阻抗特性比較穩(wěn)定，隨著工作頻率的提高，器件的分布參數(shù)影響加大，各元 器件的肌抗參數(shù)不能用簡(jiǎn)單的元件參數(shù)表示，例如，一只電容的實(shí)際等效電路如圖6所示。iic圖6.1

7、電容器的等效電路圖6.1中，c為電容器的實(shí)際電容量，rp為電容器的并聯(lián)損耗電阻，主要由介質(zhì)及封裝材 料的損耗和漏電決定；rs為電容器的串聯(lián)損耗電阻，主要由引線(xiàn)電阻、板極電阻和焊接點(diǎn)接 觸電阻決定；厶為電容器的串聯(lián)分布電感或固有電感，主要山電容引線(xiàn)和板極決定。依據(jù)各 寄生參最作用的人小，這個(gè)電路可以簡(jiǎn)化為串聯(lián)和并聯(lián)電路形式。如杲ls和心相對(duì)于rp較 小，可忽略不計(jì)，該電路等效為并聯(lián)模型；反z則為串聯(lián)模型。在進(jìn)行元器件阻抗測(cè)量時(shí)， 串聯(lián)和并聯(lián)模型可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的紐帶是耗散因子d。表6.1是電容、電感的串并聯(lián)電路 模型。在具體應(yīng)用時(shí)，阻抗值高于300 q的器件宜采用串聯(lián)模型，低于5 q宜采用并聯(lián)

8、模型。表6.1串/并聯(lián)電路模型并聯(lián)電容模型串聯(lián)電容模型并聯(lián)電感模型串聯(lián)電感模型ii實(shí)際電路中，一個(gè)電容器常是由電容、寄生電感和電阻決定的。顯然，串/并聯(lián)模型難以 同時(shí)表示這三個(gè)參最，因此常采用表6.2所述的五種等效電路模型。根據(jù)器件的類(lèi)別，可以選 擇五種模型中的一種?？谇笆澜缟舷冗M(jìn)的阻抗分析儀就使用這種方法進(jìn)行測(cè)量。6.1.2低頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的表征方法對(duì)于低頻電路采用集總參數(shù)的分析方法，研究電壓v和電流i與阻抗參數(shù)z、導(dǎo)納參數(shù)y 和級(jí)連參數(shù)abcdz間的關(guān)系。圖6.2是用于低頻電路的二端口網(wǎng)絡(luò)，冇四個(gè)變量，即端口 1 的電壓w和電流i”端口 2的電壓v|和電流h。任意兩個(gè)變量作口變量而另兩個(gè)變量作

9、因變 量，有多種組合，其中三種紐合是我們常卅的三種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，即z參數(shù)、y參數(shù)和abcd參 數(shù)。11v!:端i i網(wǎng)絡(luò)v2圖6.2 般二端口網(wǎng)絡(luò)當(dāng)選擇電流h和【2作自變量、電壓v和v2作因變量時(shí)，得到一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)稱(chēng)阻抗參數(shù) （z參數(shù)），公式（6.1）是z參數(shù)的方程。222(6.1)v2=z/+z網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)阻抗參數(shù)通過(guò)將其屮一個(gè)端口的電流作激勵(lì)源，而另一個(gè)端ii電流為零（即開(kāi)路狀態(tài)）求得。如正向轉(zhuǎn)移阻抗z21,是端口 2處于開(kāi)路狀態(tài)、端口 1加激勵(lì)電流源ii時(shí), 端口 2的開(kāi)路電壓v2與電流源ii的比值。同理可以求出其他三個(gè)阻抗參數(shù)。(6.2)當(dāng)選擇電壓vi和v2為自變屋，電流ii和12作因變量時(shí)

10、，得到一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)稱(chēng)導(dǎo)納參 數(shù)（y參數(shù)），公式（63）是y參數(shù)的方程。二端口網(wǎng)絡(luò)的y參數(shù)通過(guò)將其中一個(gè)端口短路, 而另一個(gè)端口施加電壓源來(lái)求得。(6.3)i=y2ivy22v2z參數(shù)和y參數(shù)不能直接應(yīng)用于多個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的悄況，對(duì)于級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)常用abcd參數(shù)。 公式（6.4）是abcd參數(shù)的方程，該網(wǎng)路參數(shù)a和d是無(wú)最綱的，b代表阻抗，c代表導(dǎo)納, 四個(gè)參數(shù)仍可以通過(guò)短路和開(kāi)路的方法來(lái)求得。(6.4)%=化 + 3(-厶)i=cv2+d(-i2)6.1.3微波網(wǎng)絡(luò)的表征方法通過(guò)対網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端進(jìn)行短路和開(kāi)路設(shè)置測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法，在低頻電路中是 行之有效的。但當(dāng)工作頻率很高時(shí)，山于引線(xiàn)電感和分布

11、電容的影響，要得到理想的短路和 開(kāi)路幾乎是不可能的，同吋直接測(cè)量網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出端電壓和電流也是很困難的。1965年 k.kurokawa定義了廣義散射參數(shù)（s參數(shù)），利用散射參數(shù)分析微波電路顯得特別方便，在微 波領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其適用于描述晶體管和英他冇源器件的特性。主要冇以下兒個(gè)優(yōu) 點(diǎn)。（1）在微波電路中一般有明確的特性阻抗，s參數(shù)特別適用于分析特性阻抗為50 q的 微波網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)。（2）s參數(shù)在微波電路屮有明確的物理意義且便于使川。轉(zhuǎn)移參數(shù)代表復(fù)數(shù)的插入損耗 或插入增益，反射參數(shù)代表網(wǎng)絡(luò)與源或負(fù)載之間的失配情況。（3）s參數(shù)便于實(shí)際測(cè)最。當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻和負(fù)載的阻抗均為50q特性阻抗時(shí)

12、，通過(guò) 反射和傳輸測(cè)最即可獲得網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)。實(shí)際的信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載阻抗不可能為理想的50q , 而現(xiàn)代欠量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)誤差修止可以將源失配和負(fù)載失配的影響降低到町以忽略的程 度。（4）s參數(shù)便于電路設(shè)訃和計(jì)算分析，現(xiàn)在三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件的牛:產(chǎn)廠(chǎng)家均 給出典型器件的s參數(shù)，以便用八更好地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和訃算。并且采用s參數(shù)表征網(wǎng)絡(luò)特 性最適于用信號(hào)流圖來(lái)解決復(fù)雜的微波網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。（5）沿著無(wú)耗傳輸線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)參考面時(shí)，其幅度不變而只是相位發(fā)生變化。在實(shí)際測(cè) 量過(guò)程中，經(jīng)常把一些低損耗傳輸線(xiàn)近似為無(wú)損耗傳輸線(xiàn)，使網(wǎng)絡(luò)分析和測(cè)量很方便，尤其 是只關(guān)心幅頻特性的時(shí)候。對(duì)于微波網(wǎng)絡(luò)采用分布參數(shù)的分

13、析方法則是研究入射波a和出射波b與散射參數(shù)s z間 的關(guān)系。圖6.3微波二端口網(wǎng)絡(luò)模型定義了入射波a和出射波b與s參數(shù)之間的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)以入射波a為口變量，出射波b為因變量，對(duì)于任意的二端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)獨(dú)立的參數(shù), 四個(gè)參數(shù)表征了網(wǎng)絡(luò)的特性。圖6.3微波二端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)于線(xiàn)性二端口微波網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足疊加原理，網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗可用式（6.5）來(lái)表征。入射波a和出射波b以及s參數(shù)的定義式及物理意義見(jiàn)表6.3o表6.3各參數(shù)定義及物理意義變雖或參數(shù)名稱(chēng)物理意:義變量或參數(shù)名稱(chēng)物理總義進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)端口1的入射波|a.|2進(jìn)入二端口網(wǎng)絡(luò)端口1 的入射波功率偽進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)端口2的入射波進(jìn)入二端口網(wǎng)絡(luò)端口2 的入射波功率妬

14、網(wǎng)絡(luò)端i】1的出射波（包括反射波和端 口 2到端口 1的傳輸波網(wǎng)絡(luò)端口1的出射波功率b2網(wǎng)絡(luò)端口2的出射波（包括反射波和端 口 1到端口 2的傳輸波）時(shí)網(wǎng)絡(luò)端口 2的出射波功率a2 = 0端口 2接匹配負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)端口1的出射波功率端口1的反射系數(shù)與入射波功率之比s22 =勺仏| n q = 0端口 1接匹配負(fù)載時(shí)，|s網(wǎng)絡(luò)端口2的出射波功率端口2的反射系數(shù)與入射波功率之比52i弋/吋a2 =0端口 2接匹配負(fù)憑時(shí)正向傳輸系數(shù)|s端口 2接匹配負(fù)載時(shí)， 正向功率増益s】2 =bi/ainq =0端口1接匹配負(fù)拔時(shí)反向傳輸系數(shù)|sj端口 1接匹配負(fù)載時(shí)， 反向功率増益對(duì)于互易的二端口網(wǎng)絡(luò)冇三個(gè)獨(dú)

15、立的參數(shù)，對(duì)于對(duì)稱(chēng)互易網(wǎng)絡(luò)只冇兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。雖 然川網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)無(wú)需事先知道網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中往往 了解網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)有助于減少測(cè)試次數(shù)，并可利用網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及其正確性。雖然s 參數(shù)的表達(dá)式（6.5）中沒(méi)有出現(xiàn)特性阻抗乙但實(shí)際上所有的變量和參數(shù)都是和對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn) 單的正實(shí)數(shù)阻抗，該阻抗稱(chēng)為特性阻抗。b = s|d +5i2«2（6.5）6.1.4網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)于單端口網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)參數(shù)，z參數(shù)或y參數(shù)分別代表網(wǎng)絡(luò)的輸入陽(yáng)抗或輸入導(dǎo)納， 如用s參數(shù)來(lái)表示，則代表反射系數(shù)。二者之間的關(guān)系為式（6.6）。其屮，z和y分別代表網(wǎng) 絡(luò)的特性阻抗和特性導(dǎo)納

16、。在微波電路小農(nóng)示網(wǎng)絡(luò)反射特性的技術(shù)指標(biāo)除反射系數(shù)外，還有 駐波比和回波損耗。其中反射系數(shù)是復(fù)數(shù)，包含冇幅度和相位信息，而駐波比和回波損耗均 為實(shí)數(shù)，只包含冇幅度信息，三者z間的關(guān)系用式（6.7）和式（6.8）表示?；夭〒p耗r = 20lgg（6.8）對(duì)于二端口微波網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)源的內(nèi)阻、負(fù)載阻抗和網(wǎng)絡(luò)z間的匹配狀態(tài)對(duì)反射指標(biāo)和傳 輸指標(biāo)冇較人的影響，在此只討論輸入和輸出端均處于匹配狀態(tài)的情況。現(xiàn)代的欠量網(wǎng)絡(luò)分 析儀具冇欠量誤差修正的能力，提高了源匹配和負(fù)載匹配的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)接入欠量 網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口時(shí)，源和負(fù)載造成的失配誤差可以被修正，可當(dāng)作輸入和輸出端均達(dá) 到匹配狀態(tài)的情況來(lái)處理。

17、1）電壓傳輸系數(shù)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出端的出波和輸入端的入波之比稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸 系數(shù)。一般情況下電壓傳輸系數(shù)是矢量不是標(biāo)量，它的幅度稱(chēng)為電壓增益，而它的相位為插 入相位。正向電壓傳輸系數(shù)=s21=2/（a+b+c+d）（6.9）反向電壓傳輸系數(shù)=s122）插入損耗插入損耗定義為網(wǎng)絡(luò)從匹配信號(hào)源取得的功率與輸出端負(fù)載匹配時(shí)負(fù)載獲得的功率之 比。插入損耗表明了網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)功率的衰減程度，它包含有網(wǎng)絡(luò)吸收損耗和反射損耗兩種， 式（6.10）中笫一項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)的吸收損耗，笫二項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)的反射損耗。対于不同性質(zhì)的微波網(wǎng)絡(luò) 有不同的要求，如衰減器主要由內(nèi)部吸收損耗所引起，而對(duì)于濾波器，其構(gòu)成的元件要

18、求損 耗盡量小，它的阻帶衰減主要由反射損耗所引起。插入損耗=101gl/s；j（6.10）= 101gl s；j/s?+101gl/l-3）反射系數(shù)當(dāng)輸出端處于匹配狀態(tài)時(shí)，輸入端的反射系數(shù)即為s",同理當(dāng)輸入端處于匹配狀態(tài)時(shí)， 輸岀端的反射系數(shù)即為s22。對(duì)于任意的信號(hào)源內(nèi)阻zs和負(fù)載阻抗zl，輸入輸出端的反射系 數(shù)可通過(guò)信號(hào)流圖來(lái)獲得，其中l(wèi)和l、s分別代表負(fù)載和信號(hào)源的反射系數(shù)。輸入端反射系數(shù)=sm+susq rl /（i-s22 rl）（6.11）輸出端反射系數(shù)=s22+s12s21rs/（i-shrs）（6.12）4）時(shí)延及群時(shí)延對(duì)于非色散的微波網(wǎng)絡(luò)插入相位與頻率成線(xiàn)性關(guān)系，

19、對(duì)于色散的微波網(wǎng)絡(luò)插入相位與頻 率成非線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于輸入輸岀均為匹配狀態(tài)的微波網(wǎng)絡(luò)，插入相位為電壓傳輸系數(shù)的幅角, 用0表示。時(shí)延和群延遲的定義為式（6.13）,對(duì)于非色散的微波網(wǎng)絡(luò)群時(shí)延等于時(shí)延。時(shí)延=4。/血（6.13）群時(shí)延r = d0/dco6.2阻抗分析儀6.2.1阻抗分析儀的發(fā)展歷史阻抗測(cè)試是對(duì)電子元器件或電子材料的阻抗特性進(jìn)行測(cè)試。隨著電訊事業(yè)的不斷發(fā)展， 人們對(duì)電子線(xiàn)路的設(shè)計(jì)、材料的選型及器件的性能要求口益提高，了解材料、器件的動(dòng)態(tài)特 性已成為目前迫切需要解決的問(wèn)題。阻抗測(cè)試由來(lái)已久，自開(kāi)始笫一個(gè)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、元 器件的制造、材料的分析之li起，人們始終關(guān)心這方面的工作。早期

20、的阻抗測(cè)試要求的頻段 范圍較低，功能比較單一，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，一種儀器不能同時(shí)測(cè)最各種阻抗參數(shù)，因而 各種測(cè)雖儀應(yīng)運(yùn)而生，比如阻抗電橋、電容器參數(shù)測(cè)量?jī)x、電感參數(shù)測(cè)量?jī)x等。此后，隨著 人規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的發(fā)展，采用微處理器的阻抗參數(shù)分析儀得到普及，實(shí)現(xiàn)寬 頻帶、多功能、多參量、高粹度、高速度、自校準(zhǔn)、自診斷、大屏幕顯示等為特征的智能化 阻抗參數(shù)分析儀，已成為發(fā)展的主流。在軍事領(lǐng)域，隨著軍事電了技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電了材料及電了元器件提出了更高的要求。 當(dāng)前，軍事通訊和數(shù)據(jù)處理要求電子元器件具有更好的性能、更小的物理尺寸、更低的成本 以及更高的町靠性，因此，精確冇效的電了元件的阻抗特性測(cè)試

21、口益成為軍事科研及產(chǎn)品設(shè) 計(jì)的重要組成部分。阻抗測(cè)量的方法很多，幾十年來(lái)，雖然測(cè)試技術(shù)得到很大發(fā)展，但是阻抗測(cè)量的原理和測(cè) 試方法基本沒(méi)有改變，射頻頻段的阻抗測(cè)試則是個(gè)特例。八十年代初agilent公司的前身hp 公司推出了它的第-代智能化阻抗測(cè)試儀hp4191,首次實(shí)現(xiàn)射頻阻抗的智能化測(cè)試。該儀器 采用的基木測(cè)量方法（反射法）采用了反射計(jì)電橋作為信號(hào)耦合器，能在1mhz到1 ooomhz 頻率范圍內(nèi)測(cè)雖元器件的阻抗特性，并具有寬量程、多功能等特點(diǎn)。但是，當(dāng)阻抗測(cè)試偏離 50q時(shí)，測(cè)試精度將變差，口偏離越遠(yuǎn)，精度越差。針對(duì)這一不足，1994年，hp公司又推 出了它第二代射頻阻抗測(cè)試產(chǎn)品hp42

22、91o hp4291改hp4191的反射法為常用的電壓電流法 （vi法），突破了傳統(tǒng)阻抗測(cè)量方法的局限性，利用了數(shù)字鑒相、數(shù)字濾波等信號(hào)處理方法, 很好的解決了電壓、電流信號(hào)之間的相差測(cè)量，抑制了高次諧波、隨機(jī)噪聲的干擾。hp4291 采用了兩種新技術(shù)，一是射頻電流電壓直接阻抗測(cè)最技術(shù)，二是高、低阻抗電路技術(shù)，能 夠在保持高精度的同時(shí)，頻率范圍提高到1.8ghz,阻抗測(cè)量范圍從0.1 q到50k q，同時(shí)采 用彩色crt顯示，測(cè)量結(jié)果更加直觀，并可以進(jìn)行材料特性測(cè)量，是具有世界先進(jìn)水平的代 表產(chǎn)品。hp4291可達(dá)到的測(cè)試精度為8%o4%,測(cè)試頻率分辨率可達(dá)imhz,在同行業(yè)中獨(dú) 占鰲頭。我國(guó)

23、在九五期間也進(jìn)行了射頻阻抗分析儀的研制工作并獲得了成果，產(chǎn)站的技術(shù)指 標(biāo)已接近（部分達(dá)到）agilent公司hp4291a的指標(biāo)要求，在國(guó)內(nèi)科研院所取得了一定的應(yīng)用。 最近兒年，agilent公司乂推出了改進(jìn)型產(chǎn)me4991a射頻阻抗材料分析儀，仍然采用射頻iv 測(cè)量技術(shù)，測(cè)試精度和頻率分辨率與hp4291-致，頻率范圍擴(kuò)展到3ghz,能夠在更寬頻段 內(nèi)對(duì)元件進(jìn)行精確測(cè)試。6.2.2阻抗分析儀的基本原理在介紹阻抗分析儀的基本原理吋，首先要明白幾個(gè)阻抗測(cè)試吋常用參數(shù)的定義。（1）阻抗。符號(hào)乙z= | z | z e =r+jx，單位是歐姆（q ）,根據(jù)歐姆定律，阻抗 定義為在一定頻率下一個(gè)器件的

24、端電壓和流過(guò)該器件的電流之比（z = u/i）,阻抗概念比較適 合于串聯(lián)電路元器件的電路特性的描述。（2）導(dǎo)納。符號(hào)y, y= | y | z0 =g+jb,單位西門(mén)了 （s）,是阻抗的倒數(shù)，通常用于描述并聯(lián)電路模型的電路元器件。（3）串聯(lián)電阻。符號(hào)rs，單位歐姆（q）,它是導(dǎo)體或電路以發(fā)熱的形式損耗能量的一 種特性，是復(fù)數(shù)阻抗的實(shí)數(shù)部分。（4）并聯(lián)電阻。符號(hào)rp,單位歐姆（q）,它是電導(dǎo)的倒數(shù)。（5）電容。符號(hào)c,單位法拉（f）,它代表電流超前電壓90°的電路或元件的電場(chǎng)儲(chǔ) 能特性。電容在并聯(lián)電路里用正電納（+j3c）表示，在串聯(lián)電路里用負(fù)電抗（一j/3c）表 示。（6）電導(dǎo)。符號(hào)

25、g,單位四門(mén)子，用來(lái)描述元件或電路的電能損失特性，它是復(fù)數(shù)導(dǎo) 納的實(shí)數(shù)部分。（7）電納。號(hào)b,單位西門(mén)子，它是復(fù)數(shù)導(dǎo)納的虛數(shù)部分，通常用于描述并聯(lián)電路，如 果電路為容性，電納為正，如果電路是感性，電納為負(fù)。（8）電感。符號(hào)l,單位亨利（h）,它代表電壓超前電流90°的電路或元件的磁場(chǎng)儲(chǔ) 能特性，電感在串聯(lián)電路里用正電抗（+wl）表示，在并聯(lián)電路里用負(fù)電納（一j ml）表 示。（9）品質(zhì)因數(shù)。符號(hào)q,無(wú)量綱，它是電路或元件最大儲(chǔ)能的2“乘積打一周期內(nèi)耗能 z比。在串聯(lián)電路里，它是電抗與電阻z比，在并聯(lián)電路里，它是電納少電導(dǎo)z比。（10）耗散因子。符號(hào)d,無(wú)量綱，它是品質(zhì)因索的倒數(shù)。（1

26、1）反射系數(shù)。符號(hào)，在均勻傳輸線(xiàn)上取定一參考面，反射回來(lái)的電磁行波的振幅 與入射到參考面上的電磁行波振幅之比定義為反射系數(shù)，反射系數(shù)是矢量，人小在0和1之 間，相位角取值范圍0到2兀。山于頻率范圍、阻抗量程和測(cè)量梢度的不同，阻抗分析儀采用多種測(cè)量原理，一般有電 橋法、諧振法、iv法、射頻法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法和自動(dòng)平衡電橋法六種測(cè)試技術(shù)。電橋法的頻率測(cè)量范圍一般為百流到300mhz,電橋法的測(cè)試精度高，配以不同的電橋可 以提供較寬的頻率測(cè)量范圍，但測(cè)試時(shí)需要手動(dòng)平衡電橋，單一電橋的測(cè)試頻段窄，在自動(dòng) 測(cè)試技術(shù)高度發(fā)展的今天，除了需要進(jìn)行高精度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室外，工業(yè)部門(mén)己很少采用 這一測(cè)試技術(shù)。諧振

27、法的頻率測(cè)雖范圍一般為10khz到70mhz,采用諧振法能夠在進(jìn)行高q值測(cè)試時(shí)獲 得很髙的測(cè)試梢度，但是需要調(diào)諧諧振頻率，采用這種測(cè)試方法進(jìn)行阻抗測(cè)試吋測(cè)試粹度較 低，因而，h前這種測(cè)試方法只應(yīng)用于單一的高q值測(cè)試。iv法的頻率測(cè)量范圍一般為10khz到100mhz,由于受測(cè)試頭變壓器的頻率限制，相對(duì)與射頻i-v法測(cè)試頻率較低。射頻i-v法主要應(yīng)用于射頻元件的測(cè)試，測(cè)試頻率范i韋i為1mhz3ghz,測(cè)試精度高， 測(cè)試頻率范圍寬，但相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀法，受測(cè)試頭變壓器的頻率限制，上限頻率難以有大 的擴(kuò)展。網(wǎng)絡(luò)分析儀法的頻率測(cè)量范圍可以從300khz 一直延伸到微波毫米波頻段，測(cè)試值接近特 性阻抗

28、時(shí)可以獲得很高的測(cè)試梢度，但測(cè)試值偏離特性阻抗測(cè)試梢度就大大降低，因而它的阻抗測(cè)試范圍較窄，在不同頻段町能需要多次校準(zhǔn)。6.8網(wǎng)絡(luò)分析儀法圖6.7射頻i-v法圖白動(dòng)平衡電橋法能夠在20hz到110mhz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，具有較高的測(cè)量頻段、很 高的測(cè)量精度和寬的阻抗測(cè)量范圍，冃前低頻段的阻抗分析儀一般都采川這一測(cè)試技術(shù)。rtv圖6.9 h動(dòng)平衡電橋法6.2.3射頻阻抗分析儀的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)射頻阻抗分析儀的主要測(cè)量原理冇兩種，一種是網(wǎng)絡(luò)分析儀法，即反射系數(shù)法，另一種 是冃前廣泛采用的射頻電流一電壓直接測(cè)量法。6.2.3.1反射系數(shù)法測(cè)量阻抗不論阻抗乙還是反射系數(shù)1、，都可用來(lái)表示器件及電路

29、的特征。是基于均勻傳輸線(xiàn)上 傳輸?shù)牟?如果傳輸線(xiàn)的特性阻抗zo已知，阻抗z除以z。即得到歸一化阻抗zno zn和1、之 間可用下式表示：(6.14)_ z _r+jx_l + n zo zo 1-r由式（6.14）可見(jiàn)，通過(guò)反射系數(shù)可以求出阻抗。反射系數(shù)法就是基于上述測(cè)量原理。先求出被測(cè)件的反射系數(shù)，然后山機(jī)內(nèi)微處理器換算 出阻抗參數(shù)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗測(cè)量功能基木上都是采用這種方式實(shí)現(xiàn)的，而在射頻阻 抗分析儀屮，采用這種方法的基木測(cè)最電路由信號(hào)源和矢最電壓比檢測(cè)器組成，框圖如圖6.10測(cè)量控制程序門(mén)校準(zhǔn)程序被測(cè)件顯示器 鍵盤(pán)圖6.10采用反射系數(shù)法的典型射頻阻抗分析儀原理框圖信號(hào)源是一個(gè)頻

30、率合成器，它產(chǎn)生射頻激勵(lì)信號(hào)，定向電橋的測(cè)試端口連接被測(cè)件，并提 供正比于被測(cè)件反射系數(shù)的欠量輸出信號(hào)。測(cè)試信號(hào)從測(cè)試端口加到被測(cè)件上，信號(hào)的一部 分從被測(cè)件反射冋定向電橋，參考通道和測(cè)試通道輸出的欠量電壓比，反映出被測(cè)件的反射系數(shù)。定向電橋輸出信號(hào)通過(guò)頻率變換器下變頻為中頻信號(hào)，由相敏檢波器分離出矢量的實(shí) 數(shù)和虛數(shù)部分。三個(gè)參考終端：0q短路器、os開(kāi)路器和50 q負(fù)載用來(lái)校準(zhǔn)電橋電路各誤差 分量、電長(zhǎng)度和其它不確定度等系統(tǒng)誤差，所獲得的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，以修 正被測(cè)件的欠最測(cè)最值。帶微處理器的數(shù)字控制電路按照存儲(chǔ)器屮的程序控制儀器的測(cè)最過(guò) 程，并完成由測(cè)得的反射系數(shù)轉(zhuǎn)換成其它各

31、種阻抗參量的功能。623.2射頻電流一電壓直接測(cè)量法運(yùn)用反射系數(shù)法測(cè)量阻抗時(shí)，由于阻抗是從反射系數(shù)換算來(lái)的，當(dāng)阻抗偏離50q較遠(yuǎn)時(shí), 反射系數(shù)值的微小變化將導(dǎo)致很大的阻抗變化，這將降低射頻頻段阻抗測(cè)量的和度。因而， 這種方法適合在50q附近的阻抗測(cè)量，在遠(yuǎn)離50q時(shí)，測(cè)量精度難以保證。為了提高射頻阻 抗的測(cè)量精度，出現(xiàn)了采用射頻電流一電壓直接阻抗測(cè)量法的射頻阻抗分析儀，這種分析儀 根據(jù)電壓和電流之比肓接測(cè)最阻抗，即使阻抗明顯人于或小于50q,進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)也能保 證各參數(shù)的精度。1）射頻電流一電壓直接測(cè)量法原理概述復(fù)數(shù)電流一電壓法是經(jīng)典的阻抗測(cè)量方法，在頻率低于100mhz時(shí)，這種方法在目前仍

32、廣 泛使用。然而，隨著頻率的提高，被測(cè)件不能看作是一個(gè)單純的集總參數(shù)，副參量的影響愈 趨嚴(yán)重，特別是這種方法在檢測(cè)電圧時(shí)，一般是通過(guò)低損耗變壓器將電壓耦合到另一冋路進(jìn) 行檢測(cè)，而變壓辭有嚴(yán)格的帶寬限制，使得在射頻頻段傳統(tǒng)電流電壓法難以采用。拓寬頻帶 至射頻頻段有一種新的方法，稱(chēng)為射頻電流電壓肓接阻抗測(cè)量法，基木電路如圖6.11所示。圖6.11射頻電流電壓直接阻抗測(cè)最法基本測(cè)最電路這種方法采用了兩個(gè)欠量電壓表v、.和vj, v檢測(cè)加在被測(cè)件兩端的矢雖電壓，v檢測(cè)通 過(guò)被測(cè)件相應(yīng)的矢量電流，假定測(cè)量電路中沒(méi)有分布電導(dǎo)和殘余阻抗，那么被測(cè)件的阻抗zx 可以通過(guò)下列方程計(jì)算求得：zxro(6.15)典

33、型電原理圖如圖6.12所示，在這里采用巴倫實(shí)現(xiàn)平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換，其變比為1:1, 開(kāi)關(guān)釆用匹配式單刀雙擲開(kāi)關(guān)，r0為500匹配負(fù)載，一般為薄膜電阻。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)吋，電 壓電流端口結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)，以減少分布參數(shù)的影響，提高測(cè)試的一致性和精度。從圖中可 以看出，電流、電壓轉(zhuǎn)換頭為三端口對(duì)稱(chēng)形式，當(dāng)切換開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行電壓電流信號(hào)測(cè)試吋， 轉(zhuǎn)換頭不影響信號(hào)源及接收機(jī)混頻器的工作，不造成切換誤差。被測(cè)阻抗的失配造成的反射 影響也大大減少，由于采用的是電壓電流比的相對(duì)測(cè)量，信號(hào)通道引起的誤差通過(guò)校準(zhǔn)測(cè)試 可以減少。該法與反射系數(shù)法札i比，不要求嚴(yán)格的阻抗匹配，因而可以進(jìn)行寬量程的阻抗測(cè) 試。巴侖1: 1圖

34、6.12采用巴倫實(shí)現(xiàn)電流和電壓分離電原理圖2）高、低阻抗測(cè)量法實(shí)際上的測(cè)量電路不能同時(shí)測(cè)量被測(cè)件的電壓和電流，如圖6.11所示，被測(cè)件的電壓測(cè) 最是精確的，但電流表并不是直接串接在被測(cè)件上，當(dāng)被測(cè)件的阻抗較大時(shí)，將會(huì)引起一定 的測(cè)量誤差。為了擴(kuò)展阻抗測(cè)量的量程，在測(cè)試端口釆用可拆卸式高阻抗和低阻抗測(cè)試頭，圖6.13高阻抗及低阻抗測(cè)試頭基本電路圖當(dāng)測(cè)量高阻抗器件時(shí)，被測(cè)件電流的測(cè)量是最為困難的，高阻抗電路直接將電流測(cè)量電路 與被測(cè)件串聯(lián)，排除了流經(jīng)電壓指示電路的電流，以確保精確的被測(cè)件電流測(cè)量。另一方面, 當(dāng)測(cè)量低阻抗器件時(shí)，跨于被測(cè)件兩端的電壓最難測(cè)量。在這種情況下，低阻抗電路將電壓 檢測(cè)電路

35、直接連接到被測(cè)件上，排除了電流指示電路阻抗上的電壓降，以確保精確的電壓測(cè) 量。針對(duì)不同的被測(cè)阻抗采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，就可以按給定的測(cè)量精度擴(kuò)展阻抗測(cè)量范圍。對(duì)于高阻抗測(cè)試頭，zx表示為：(6.16)對(duì)于低阻抗測(cè)試頭，zx表示為:= v °（6.17）-i-lk3）射頻阻抗分析儀的校準(zhǔn)原理由于分布電導(dǎo)和殘余阻抗的存在，電路元件的誤差不能忽視，如圖6.13中，測(cè)量電路的 四個(gè)匹配電阻（ro）很難做到完全一致，從式（6.16）和式（6.17）計(jì)算出的阻抗值與實(shí)際被測(cè) 件的阻抗值仍有差距，怎樣才能縮小差距？這就需要引入校準(zhǔn)。校準(zhǔn)要先建立謀弟模型，使 用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量，求出誤差模型的各校準(zhǔn)系數(shù)

36、，存入儀器內(nèi)，儀器通過(guò)計(jì)算對(duì)被測(cè)件的測(cè) 蜃結(jié)果自動(dòng)作岀修正，以提高測(cè)蜃精度。射頻阻抗分析儀的謀差因了與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的s參數(shù)誤差因了是不同的,科研人員對(duì)射 頻阻抗分析儀的誤差修止進(jìn)行研究，找出了規(guī)律，一般情況下，如果測(cè)量阻抗值用zm表示， 實(shí)際阻抗值z(mì)x能夠用下列方程修正：7 -bzx=a fn（6.18）1 - cz,”這里，a、b、c為校準(zhǔn)系數(shù)，采用開(kāi)路器、短路器和匹配負(fù)載三種標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)儀器進(jìn)行校 準(zhǔn)，可以求出這三個(gè)系數(shù)。比如，當(dāng)測(cè)試端口連接短路器時(shí)，zx=o,則b=zm, b表示電路 的殘余阻抗；當(dāng)端口連接開(kāi)路器時(shí)，相對(duì)而言阻抗值z(mì)x趨于無(wú)窮大，能夠求出c=l/zm, c 表示電路的分布電

37、導(dǎo)；當(dāng)端口連接匹配負(fù)載時(shí)，zx = 50q,已知b、c和zm,從式（6.18） 求出a,三個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)都能夠確定。站質(zhì)因數(shù)q和耗散因子d這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量粕度對(duì)相位依賴(lài)性較強(qiáng)，為了保證胡質(zhì)因數(shù) 和耗散因子的測(cè)量準(zhǔn)確度，必須提鬲射頻阻抗分析儀相位測(cè)量精度。在射頻段，用于校準(zhǔn)的 50q負(fù)載相位準(zhǔn)確度較低，難以保證高q值元件的測(cè)量精度，為了減少相位測(cè)量的不確定度, 射頻阻抗分析儀校準(zhǔn)時(shí)增加了低損耗空氣電容器作為相位標(biāo)準(zhǔn)，這就是“開(kāi)路/短路/負(fù)載/低損 耗電容校準(zhǔn)法”。一般認(rèn)為，50q負(fù)載的相位角為0,它的阻抗表示為zls=50ej°,式（6.18）校準(zhǔn)系數(shù)的確 定就是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的。假定低

38、損耗電容的實(shí)際相位為os （此值一般為一兀/2）,測(cè)量相 位為9 c,測(cè)量相位與實(shí)際相位之差a 0 = 0 c 9 s這時(shí)，50 q負(fù)載的阻抗將調(diào)整為下列方程：(6.19)zlc = 50e'jae采用調(diào)整后的50 q負(fù)載重新計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)a、b、c,由于引入了低損耗電容的相位修正, 將大大提高射頻阻抗分析儀相位的測(cè)量準(zhǔn)確度，能夠很容易地保證高q值元件的測(cè)量精度。4）夾具誤差補(bǔ)償技術(shù)為適應(yīng)各種外形被測(cè)件的測(cè)量，需要給整機(jī)配以測(cè)試夾具，山于校準(zhǔn)是在無(wú)測(cè)試夾具下進(jìn) 行的，測(cè)試系統(tǒng)安裝上夾具后，必然要引入測(cè)試夾具和校準(zhǔn)參考面之間的謀差，這就涉及到 夾具的誤差補(bǔ)償問(wèn)題。夾具的謀差補(bǔ)償有多種方式，

39、比較完備的補(bǔ)償采用開(kāi)路/短路/負(fù)載補(bǔ)償方式，測(cè)試夾具的 誤差補(bǔ)償如圖6.14所示。ari:阻抗x-z7zx |接收機(jī)c dj1-z圖6.14開(kāi)路/短路/負(fù)載補(bǔ)償示意圖(6.20)夾具的誤差補(bǔ)償項(xiàng)能夠等效為下列矩陣方程:b、ujmj夾具誤差采用a、b、c、d四個(gè)參數(shù)表示，zxm為阻抗接收機(jī)的測(cè)量值，zxm=v|/i】，zdut 為被測(cè)件的真實(shí)阻抗，zdut=v2/i2，由矩陣方程得出下列方程式：z jay + bjazd + bxm i, cv2 + di2 czdut + d從而zdutczga(6.21)當(dāng)測(cè)試端口開(kāi)路時(shí)，測(cè)量值為z°,則zo=4當(dāng)測(cè)試端口短路時(shí)，測(cè)量值是zs，則z

40、s=|當(dāng)測(cè)試端口接一標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載厶id時(shí)，測(cè)量值為厶hp則zsm =+ d由以上方程求出zdedutz昭z°zq(z財(cái)zj(zsm.zs)(z0.zxm)(6.22)夾具課差補(bǔ)償技術(shù)的主要依據(jù)就是這個(gè)方程。通常情況卜：測(cè)試夾具的謀差可以等效為圖6.15電路。rsl$圖6.15夾貝誤差等效電路示意圖這里 zs = r+ jwls, y()=g() + jwc0顯然，囚胡，只需做開(kāi)路器和短路器的簡(jiǎn)單補(bǔ)償，即可求出z及百，從而通過(guò)下列jj程式求出zdut。zmzs(6.23)7dut 1各乂）丫。這樣，消除夾具誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單的開(kāi)路矩路補(bǔ)償就可以實(shí)現(xiàn)，給整個(gè)測(cè)試工作帶來(lái)很多便利。5）典型產(chǎn)品典型產(chǎn)

41、晶是美國(guó)hp公司九十年代研制生產(chǎn)的hp4291a射頻阻抗分析儀，它主要包括主 機(jī)、測(cè)試平臺(tái)、阻抗測(cè)試頭、測(cè)試夾具和校準(zhǔn)件， 電路和電源部分組成，方椎圖如圖6.16所示。匸機(jī)由內(nèi)置的合成源、接收機(jī)、數(shù)字控制hp4291a內(nèi)置的合成源產(chǎn)生1mhz到1.8ghz、頻率分辨率imhz的激勵(lì)信號(hào)，送入測(cè)試 平臺(tái)，通過(guò)阻抗測(cè)試頭和測(cè)試夾具加到被測(cè)件上，測(cè)試平臺(tái)交替接收被測(cè)件兩端的電壓和通過(guò)被測(cè)件的電流信號(hào)，并送入主機(jī)，主機(jī)利用同一個(gè)電路測(cè)量屯流和電壓信號(hào)，由于測(cè)量以 快速時(shí)分多路傳輸?shù)姆椒ㄔ跍y(cè)試平臺(tái)內(nèi)交替進(jìn)行，轉(zhuǎn)換間隔短，因而附加在電流和電壓測(cè)量 數(shù)據(jù)屮的謀差有一定的比例關(guān)系，當(dāng)電壓與電流相比求得阻抗時(shí)，

42、這些誤差項(xiàng)的一部分將被 抵消，接收機(jī)采用高中頻方案，通過(guò)三級(jí)頻率變換實(shí)現(xiàn)中頻處理，被測(cè)信號(hào)在接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行 三次屮頻變換，分別為:第一中頻2.05858gh乙第二屮頻21.42mhz,第三屮頻20khz,第 三中頻信號(hào)通過(guò)取樣保持電路進(jìn)行a/d變換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后，用數(shù)字信號(hào)處理器分離 出信號(hào)的實(shí)部和虛部，并計(jì)算電壓和電流的欠量比（v/i）。同吋，主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和補(bǔ)償，得 出基本阻抗參數(shù)。微處理器可以將其變換為其它阻抗參數(shù)，最后按照一定的顯示格式在crt 上顯示。高梢度、高分辨率的合成源是射頻阻抗測(cè)量梢度的重要保證，hp4291合成源采用三個(gè)鎖 相環(huán)路：小數(shù)分頻鎖札i環(huán)、步進(jìn)vco環(huán)和主鎖相環(huán)

43、路，為阻抗測(cè)量提供頻率范i羽1mhz 1.8ghz、分辨率imhz的激勵(lì)信號(hào)。hp4291a測(cè)試功能齊全，可以測(cè)量電阻、電容、電感的各種參數(shù)，也口j以測(cè)量介電常數(shù)、 磁導(dǎo)率、正切損耗角等各種材料參數(shù)。英主要技術(shù)指標(biāo)有：（1）工作頻率范圍：1mhz1.8ghz；（2）頻率分辨率：imhz：（3）阻抗范圍：0q50kq；（4）基木阻抗精度：0.8%4.0%；（5）相位精度：8毫弧度40毫弧度。在hp4291a z后，agilent公司最近乂推出了 4991a射頻阻抗分析儀，頻率范圍到3ghz, 測(cè)試原理和主要技術(shù)指標(biāo)和4291a相同。6.2.4射頻阻抗分析儀的主要應(yīng)用1）測(cè)量分立元件（l、c、r）

44、的射頻特性射頻阻抗分析儀具有寬頻帶打頻能力，適合于測(cè)量電容器的阻抗頻率特性，確定其固有 諧振頻率、殘余阻抗、串聯(lián)等效電阻和相角等數(shù)據(jù);同樣，阻抗分析儀能夠測(cè)量電感器的分布 電容和電阻器的殘感。由于分析儀的寬頻帶掃頻和阻抗變換能力，配上各種夾具，射頻阻抗 分析儀能夠測(cè)量射頻頻段l、c、r分立元件的所有阻抗參數(shù)。2）測(cè)量高q器件和電路高q器件在衛(wèi)星通訊和軍事電了領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，射頻阻抗分析儀具有很高的頻率分辨率 和高q器件的測(cè)量能力，能夠較好地評(píng)價(jià)這類(lèi)電路參量。比如，在晶體濾波器和諧振器的設(shè) 計(jì)中，射頻阻抗分析儀能夠迅速確定假信號(hào)頻率響應(yīng)和寄生振蕩頻率，對(duì)改善電路和降低成 本意義重大。3）測(cè)量材料參

45、數(shù)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)是材料參數(shù)的主體，磁導(dǎo)率適應(yīng)的材料主要是各種磁體，介電常數(shù)則是 介質(zhì)材料，象印制線(xiàn)路板等，它們很難直接測(cè)量。但是，磁導(dǎo)率或介電常數(shù)分別是電感或電 容的函數(shù)，并且與材料的外型尺寸有關(guān)，如能知道這些數(shù)據(jù)，按照公式能夠求出磁導(dǎo)率或介 電常數(shù)，射頻阻抗分析儀采用這種方法，通過(guò)特定的夾具，將激勵(lì)信號(hào)加在被測(cè)材料上，測(cè) 出磁體的電感或介質(zhì)材料上的電容，使用鍵盤(pán)輸入磁體或介質(zhì)材料的外形尺寸，比如介質(zhì)材 料的厚度和而積等，阻抗分析儀將從機(jī)內(nèi)設(shè)定的公式中口動(dòng)求出磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。6.3標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀6.3.1網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的基本方法假如我們手中有一個(gè)不能打開(kāi)的黑箱子，箱中裝有何種物體我們一無(wú)所知，要

46、想知道箱 中是何物體，就必須通過(guò)搖晃等各種試驗(yàn)來(lái)推測(cè)。網(wǎng)絡(luò)分析與測(cè)量的過(guò)程就類(lèi)似于上述探知 黑箱物體的過(guò)程，主要包括三個(gè)步驟：(1) 在不知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性的情況下，選取適當(dāng)?shù)耐獠考?lì)信號(hào)；(2) 接收、觀察和分析網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號(hào)；(3) 與已知特性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或特性進(jìn)行比較來(lái)推測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性。網(wǎng)絡(luò)測(cè)雖和分析與測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的了解程度冇很大關(guān)系，測(cè)試人員的 經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量速度有很人的影響。測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)主要包括對(duì)被測(cè)對(duì)象的特性有一 個(gè)大致的估計(jì)，以確定采用何種激勵(lì)拮號(hào)及其接收方式，通過(guò)測(cè)量和分析來(lái)驗(yàn)證測(cè)試人員所 期望的結(jié)果，測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)還包插對(duì)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部

47、特性之間模型的認(rèn)識(shí)及數(shù)據(jù)積 累。通常人們?cè)谶M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試時(shí)冇意或無(wú)意地采川了上述測(cè)試過(guò)程。通過(guò)研究一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參考面 上某種輸入量和輸岀量之間的關(guān)系可得到一組表征該網(wǎng)絡(luò)特征的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的表示方法 有y參數(shù)、z參數(shù)、h參數(shù)、s參數(shù)等，其中利用s參數(shù)分析微波電路特別方便，可以直接反 映電路網(wǎng)絡(luò)的傳輸和反射特性，尤其適合描述晶體管和其他有源器件的特性，成為在微波領(lǐng) 域應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，端口1端口2圖6.17b微波二端口網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流圖二端口網(wǎng)絡(luò)是最基本的網(wǎng)絡(luò)形式，任何一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)都可以用4個(gè)s參數(shù)來(lái)表示其端口 特性,如圖6.17所示。圖中al、a2分別表示端口 1和端口 2的入射波,bl、b2分別

48、表示端口 1和端口 2的出射波。圖6.17a微波二端口網(wǎng)絡(luò)從二端口網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流圖可以得到:b,= sllai + s12a2(6.24)b2=s2iai + s22a2其中s, s22、s12、和s21即為表示網(wǎng)絡(luò)特性的4個(gè)s參數(shù)，稱(chēng)為散射參數(shù)，式(6.24) 也被稱(chēng)為散射方程組?？趈以看出，s"是在端口 2匹配情況下端口 1的反射系數(shù)，s22是在端口 1匹配情況下端口 2的反射系數(shù)，sd是在端口 1匹配情況下的反向傳輸系數(shù)，s21是在端口 2匹配情況下的匸向 傳輸系數(shù)，即：s2 =a2 =0a2 ax - 0一般來(lái)說(shuō)，s“和s22的模均小于1，對(duì)于有增益的器件，如微波晶體管，s2i

49、的模大于1， s12的模小于1；對(duì)于有衰減的器件，s21和s】2的模均小于1。測(cè)最射頻、微波和毫米波網(wǎng)絡(luò)特性的儀器稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)分析儀，它通過(guò)施加合適的激勵(lì)源到被 測(cè)網(wǎng)絡(luò)并接收和處理網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算和量化被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀有標(biāo)量 網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀z分，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅度特性，矢量網(wǎng)絡(luò)分 析儀可同時(shí)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅度、相位和祥延時(shí)特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀z間有 很大的差異，各冇優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)情況見(jiàn)表6.4。表6.4標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的比較標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試裝置反射傳輸全s參數(shù)或反射傳輸信號(hào)分離器件標(biāo)雖電橋、定向耦合器定向耦合器檢測(cè)

50、方式二極管檢波方式鎖相接收，同步檢波激勵(lì)信號(hào)源掃頻信號(hào)源合成掃頻信號(hào)源測(cè)量信號(hào)類(lèi)型標(biāo)量幅度測(cè)量矢量幅度、相位、群時(shí)延的待性測(cè)量測(cè)量功能少多測(cè)最精度低組成系統(tǒng)簡(jiǎn)單復(fù)雜成本低高網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口已通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，在射頻、微波和毫米波頻段的低端一般采用 同軸連接器，通過(guò)同軸至波導(dǎo)轉(zhuǎn)換可完成波導(dǎo)器件的測(cè)量，亳米波頻段多采川標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，網(wǎng) 絡(luò)分析儀采用的標(biāo)準(zhǔn)端口見(jiàn)表6.5 o表6.5網(wǎng)絡(luò)分析儀的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量端口同軸系統(tǒng)波導(dǎo)系統(tǒng)連接益頻率范幗波導(dǎo)頻率范圍n型dc 18ghzwr-421826.5ghz7mmdc 18ghzwr-2826.540ghz3.5mmdc-26.5ghzwr-2233 50giizk

51、(2.92mm)dc 40ghzwr-1940 60ghz2.4mmdc 50ghzwr-1550 75ghzv( 1.85mm)dc 60giizwr-1075 hogiiz1mmdc110ghz6.3.2微波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成與工作原理早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀大都只能進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量，測(cè)量在一個(gè)或幾個(gè)固定頻率點(diǎn)上進(jìn)行。但隨 著射頻和微波技術(shù)的發(fā)展，微波系統(tǒng)及元器件逐步向?qū)掝l帶方向發(fā)展，需在要求的頻帶內(nèi)進(jìn) 行很多頻率點(diǎn)的測(cè)量才能獲得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的寬帶特性。而早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀由于只能進(jìn)行點(diǎn)頻 手工測(cè)量，在進(jìn)行寬帶測(cè)量時(shí)工作繁瑣，效率很低，不能適應(yīng)現(xiàn)代射頻和微波測(cè)量要求?，F(xiàn) 代網(wǎng)絡(luò)分析儀與早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀相比

52、，主要有三個(gè)顯著的進(jìn)步：一是引入了掃頻信號(hào)源， 可進(jìn)行寬帶扔頻測(cè)量，測(cè)量速度快，提高了測(cè)量效率；二是引入了計(jì)算機(jī)，智能化水平有了 極大提高，可以同時(shí)計(jì)算并以圖形方式顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的多種參數(shù)；三是引入了基于軟件的謀 差修正技術(shù)，使寬帶測(cè)量的精度大幅度提高，并在一定程度上降低了對(duì)測(cè)試儀器的硬件指標(biāo) 要求。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)分為4大部分，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機(jī)、微波掃頻信號(hào)源、信號(hào)分離器 件和檢波器。其中圖6.18是微波同軸標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)，如果微波掃頻信號(hào)源和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，稱(chēng)為一體化標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，否則為分體式標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖6.18微波同軸標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)組成圖6.19a和圖6.19

53、b是毫米波波導(dǎo)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩種方案，a方案采川毫米波掃頻信 號(hào)源，源的輸出功率大，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍大，組成的測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單。b方案采用微波掃頻 信號(hào)源通過(guò)倍頻的方式獲得毫米波信號(hào)，毫米波信號(hào)源的輸岀功率較小，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范 圍小，但由于釆用微波掃頻信號(hào)源替代毫米波信號(hào)源，便系統(tǒng)總價(jià)格降低。在標(biāo)最網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)組成屮，標(biāo)最網(wǎng)絡(luò)分析儀主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)人機(jī)交互、 系統(tǒng)控制、信號(hào)調(diào)理為采集、信號(hào)分析、補(bǔ)償和誤差修正等任務(wù)；微波打頻信號(hào)源提供給被 測(cè)網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)信號(hào)；信號(hào)分離器件負(fù)責(zé)分離入射波和反射波，射頻和微波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的 信號(hào)分離器件一般采用標(biāo)量惠斯頓電橋，而毫米波標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)

54、的信號(hào)分離器件為高方 向性的定向耦合器；檢波器的作用是將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為與微波信號(hào)功率成比例的宜流或低頻 交流信號(hào)，便于主機(jī)處理。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀所用檢波器件一般為肖特基二極管，也有應(yīng)用性 能更好的平面摻朵勢(shì)壘二極管（pbd）,具有很好的頻響特性及很高的靈做度。杯;i；網(wǎng)絡(luò)分析儀i：機(jī)i 波 器整個(gè)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的工作頻率范圍山組成系統(tǒng)的掃頻信號(hào)源、信號(hào)分離器件和檢波 器共同決定。不論分體式還是一體化標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀其信號(hào)分離器件和檢波器均在機(jī)箱的外kkai.c木波扌圖6.19a毫米波波導(dǎo)標(biāo)最網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)組成微波扌i頻們號(hào)源標(biāo)處m絡(luò)分析儀匸機(jī)放人盟fa波xn圖619b亳米波波導(dǎo)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)

55、組成6.3.2.1分體式標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀分體式標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般至少設(shè)置a、b和r三個(gè)相互獨(dú)立的信號(hào)通道，各通道對(duì)信 號(hào)進(jìn)行分級(jí)放人、對(duì)數(shù)變換等處理后送入a/d變換電路。圖6.20為分體標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的簡(jiǎn) 化原理方框圖。微波激勵(lì)信號(hào)通過(guò)定向電橋施加到被測(cè)件上，定向電橋分離出反射波并將其轉(zhuǎn)換成與反 射波信號(hào)功率成比例的直流信號(hào)，通過(guò)被測(cè)件的傳輸波由連接被測(cè)件的檢波器轉(zhuǎn)換成與傳輸 波信號(hào)功率成比例的直流信號(hào)。檢波后的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲前置放大和斬波處理輸出低頻 調(diào)制信號(hào)。不管是哪種檢波方式，送入標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的都是27.778khz的方波調(diào)制信號(hào)，然 后通過(guò)選頻濾波器、對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行放大整形，采用相

56、關(guān)檢波技術(shù)還原成直流信號(hào)。處理后 的白流信號(hào)通過(guò)采樣保持和高速a/d變換成數(shù)字信號(hào)，cpu將所獲取的數(shù)字倍號(hào)進(jìn)行處理和 加工，包括平方律補(bǔ)償、謀差修正等，并以圖形方式顯示岀來(lái)。圖6.20標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖cpu是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的指揮控制中心，在cpu的控制下完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量控制和 數(shù)據(jù)處理，因此測(cè)量控制軟件是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀重要的組成部分。為了保證標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量梢度和動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)軟件設(shè)置了很多補(bǔ)償和校準(zhǔn)技術(shù)，如通道精度補(bǔ)償、檢波器梢 度補(bǔ)償、頻率響應(yīng)補(bǔ)償、平方律檢波補(bǔ)償、各通道及檢波器溫度補(bǔ)償及自動(dòng)零和手動(dòng)零技術(shù), 所有這些都涉及了大量的碩件技術(shù)和軟件技術(shù)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)接口將給系統(tǒng)使用和 操作帶來(lái)很大的方便，通過(guò)該接口與掃頻信號(hào)源相連，構(gòu)成標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的核心為信號(hào)的通道處理部分，該部分設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整機(jī)性能 的指標(biāo)，下而我們將較為詳細(xì)地介紹該部分的工作原理。1）對(duì)數(shù)放大電路該電路的原理框圖如圖6.21所示。圖6.21對(duì)數(shù)放大原理框圖一臺(tái)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常含有三到四個(gè)獨(dú)立信號(hào)通道，其結(jié)構(gòu)完全相同，下面以一個(gè)通 道為例加以說(shuō)明。首先，檢波器輸出的27.778khz的調(diào)制信號(hào)送入由兩