电子测量原理
第 1页
第 10章 线性系统频率特性测量和网络分析
? 10.1 线性系统频率特性测量
? 10.2 网络分析仪
电子测量原理
第 2页
10.1 线性系统频率特性测量
? 10.1.1 幅频特性测量
? 10.1.2 扫频测量与扫频源
? 10.1.3 相频特性测量
电子测量原理
第 3页
引 言
? 什么是线性系统的频率特性？
线性网络正弦信号 稳态响应
H(jω),频率响应
或频率特性
幅度 |H(jω)|,幅频特性
相位 φ(ω), 相频特性
? 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
电子测量原理
第 4页
10.1.1 幅频特性测量
点频测量法 —— 线性系统频率特性的经典测量法
每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率
调节到某一个频点 。 依次设臵调谐到各指定频点
上, 分别测出各点处的参数, 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 。
? 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 。
电子测量原理
第 5页
幅频特性扫频测量法
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结果
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 。
?不足：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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第 6页
两种幅频特性测量法的比较
? 扫频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臵 （ 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；
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第 7页
? 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, 并向频率变化的方
向一侧倾斜；
? 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, 必须用扫频法；为了
得到静态特性, 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 。
两种幅频特性测量法的比较（续）
电子测量原理
第 8页
10.1.2 扫频测量与扫频源
? 基本工作原理
? 扫频源的主要特性
? 获得扫频信号的方法
? 频率标记
? 宽频段扫频方法
电子测量原理
第 9页
扫频源的基本工作原理
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 。
扫描信号
发生器
放大器稳 幅
A L C
低通滤波器 宽 带 放大器 输 出 衰减器
频标产
生电路
混频器
本振 f
0
频标 输出
扫描输出X 轴
扫频 输出
取 样 检波器
扫频振荡器
f
1
~ f
2
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第 10页
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。
扫频源的基本工作原理（续）
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第 11页
扫频源的主要特性
对扫频源通常的 技术要求,
? 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。
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第 12页
? 有效扫频宽度
? 扫频线性
? 输出振幅平稳性
扫频源的主要特性（续）
12
12
0
2 ff ffff ????
? ?
? ? m i n0
m a x0
k
k?线性系数
%100
21
21 ?
?
??
AA
AAM调幅系数
f0：扫频输出中心频率
f1：扫频起点； f2：扫频终点
k0：压控特性 f-V曲线的斜率
A1：寄生调幅最大幅度
A2：寄生调幅最小幅度
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第 13页
获得扫频信号的方法
? 变容二极管电调扫频
常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适
中、扫频速度较快；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。
? YIG（ 钇铁石榴石 ） 电调扫频
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
实际上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 。
电子测量原理
第 14页
频率标记
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 。
? 所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高
? 频标幅度应基本一致、显示整齐
? 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号
? 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要
? 电路时延尽可能小以减小频率定度误差
电子测量原理
第 15页
频率标记（续）
?菱形 频标
利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为
基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖
脉冲，再和扫频信号混频。
?脉冲 频标
由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并
产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。
宽度较菱形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。
?线形 频标
状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的
频标形式。
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第 16页
宽频段扫频方法
? 差频式宽频段扫频
定 频
振荡器
扫频本振
低通
滤波
宽带
放大
宽带
输出
将固定频率的振荡器与作为本振信号的扫频振
荡源在混频器上取差频 。 只要使定频振荡器的输出
电平远小于扫频本振的电平, 则差频信号的幅度便
由定频振荡器的幅度决定, 扫频过程中差频幅度可
基本保持不变 。
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第 17页
宽频段扫频方法（续 1）
? 全基波多频段联合式扫频
Y I G
扫频源
低通滤波器
P I N 开关
本振
1第 频段
输出
多段扫
频输入
多路
P I N 开关
低通滤波器
低通滤波器
电子测量原理
第 18页
全基波多频段联合式扫频
将频段相衔接的几个单频段基波扫频振荡器组
件封装起来，用逻辑电路控制微波开关，因此可以
任意选用某个频段的振荡器输出，也可使几个振荡
器依次产生连续的输出频率，实现宽频带扫频。
在上图所示的宽频带扫频方案中, 多个输出频率
相接的 YIG调谐基波扫频源结合在一起, 由控制信号
通过 PIN开关进行选择, 组合, 按需提供单频段或多
频段联合的扫频输出 。 两个定向耦合器与两个检波
器的组合用于对高, 低频段稳幅信号取样 。
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第 19页
宽频段扫频方法（续 2）
?多倍频程宽带扫频
以较宽频带的基波扫频振荡器为基础, 除了直
接输出这个低频段信号外, 还可将它加到可选倍率 n
的倍频器中以产生若干个较高频段 。 基波回路与倍
频器是同时调谐的 。
这种倍频式 （ 谐波式 ） 宽带扫频源较全基波式
构造简单, 但在高频段输出时可能夹杂来自低频段
的部分谐波频率寄生信号；另外, 倍频之后的信号
寄生调频及噪声也随之倍增 。
电子测量原理
第 20页
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或扫频法以获得相
频特性曲线：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； 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,
常见的有如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 。
电子测量原理
第 21页
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 。
方波形成
方波形成
Q
QS
R
A微分
微分
限幅
限幅
双稳态触发器
_
I
u
1
u
2
a
a'
b
b'
c
c'
电子测量原理
第 22页
数字式相位计
有两种,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 。
瞬时值型数字相位计属于相位 -时间变换型 。 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 。
电子测量原理
第 23页
瞬时值型数字相位计
u1作为参考的信号在通道 1中, 用作计数门的启动信号 。
u1,u2间的相位差首先被处理成两个过零脉冲的时间间隔 ΔT，
其中由 u1产生的过零脉冲启动主计数门, 由 u2产生的过零脉
冲负责关闭计数门 。
通道 1
通道 2
门控电路 主计数门
标准脉冲
发生器
十进制
计数器
显示器
Δ T
u
1
u
2 f
S
o
S
xo
x
NffT T 3 6 03 6 0 ??????? ?
若计数门的计数值为 N,则相位差的计算式为,
电子测量原理
第 24页
矢量电压表
矢量电压表是一种能同时测量信号幅度和相位
的测量仪器, 本质上属于矢量网络分析仪 。
带通滤波器 +60
o
移相器
自动相
位控制
VCO
参考
本振
电压表
方 波
发生电路
触发脉冲
形 成
相位显示
双稳态触发型
相 位 计
触发脉冲
形 成
方 波
发生电路
带通滤波器
中频输出 2
中频输出 1
取样头 1
u
1
取样头 2
u
2
相位调零
取样脉冲
发生器
-120
o
移相器
电子测量原理
第 25页
矢量电压表（续）
矢量电压表较多采用的相频特性测量方法是 脉
冲触发式 。 上图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。
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 。
电子测量原理
第 26页
10.2 网络分析仪
? 10.2.1 网络分析的基本概念
? 10.2.2 网络分析系统
? 10.2.3 反射参数测量
? 10.2.4 传输参数测量
? 10.2.5 S参数的全面测量及误差修正
电子测量原理
第 27页
10.2.1 网络分析的基本概念
? 网络分析概述
? 微波网络 S参数
? S参数的流图表示及计算
?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 。
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 。
电子测量原理
第 28页
网络分析概述
?线性网络与非线性网络
?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 。
电子测量原理
第 29页
网络分析概述（续）
? 网络分析参数
? 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
2211 SS,、?
2211 lg20lg20,lg20 SSRL ?????,或回波损失
22
22
22
11
11
11 1
1
,
1
1
,
-1
1
S
S
S
S
V S W R
?
?
?
?
?
?
?
??
? ??驻波比
21lg20 SA ??衰减
??
????
1
1Z、阻抗
12212211 SSSSS,、、参数
2121 a r g S??
电子测量原理
第 30页
微波网络 S参数
微波网络常用散射参数 （ S参数 ） 表示 。 任何网
络都可用多个 S参数表征其端口特性, 对 n端口网络
需要 n2个 S参数 。
b
2
b
1
S
22
S
11
S
12
S
21
a
2
a
1
21 DUT
S10,S21,S12,S22：表示双端口网络的四个 S
参数, 即散射参量 。
电子测量原理
第 31页
微波网络 S参数（续）
? 散射方程
?S参数的物理意义
b1,b2,端口 1,2上的所有出射波
a1,a2,端口 1,2上的入射波
01
2
21
01
1
11
22
,
??
??
aa
a
bS
a
bS
02
1
12
02
2
22
11
,
??
??
aa
a
bS
a
bS
S10:端口 2匹配时端口 1的反射系数
S21:端口 2匹配时的正向传输系数
S22:端口 1匹配时端口 2的反射系数
S12:端口 1匹配时的反向传输系数
2221212
2121111
aSaSb
aSaSb
??
??
电子测量原理
第 32页
S参数的流图表示及计算
? 信流图
使用节点代表信号，用支路和箭头代表信号及其
流动的方向，并用支路旁标代表支路的传递函数即信
号大小。上图所示的双端口网络可用流图表示如下：
端口 2端口 1
S
21
S
12
S
22
S 1
1
b
2
b
1
a
2
a 1
电子测量原理
第 33页
S参数的流图表示及计算（续 1）
? 梅森（ Mason）不接触环路法则
?
?
?
?
?
n
k
kkT
T 1
T：信流图所代表的网络的增益或传输函数
Tk：第 k条路径上所有支路系数的乘积
Δ：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
Δ k,与第 k条开路不接触的子信流图的行列式
电子测量原理
第 34页
S参数的流图表示及计算（续 2）
?信流图计算举例
在双端口网络的端口 2上终接一个反射系数为 ΓL的负载：
Γ L
S
21
S 12
S
22
S 11
b 1
a 1
Γ
由梅森法则：
LS ???? 221
1,,1,212212221111 ????????? LL SSTSST
故有,? ?
L
L
L
LL
S
SSS
S
SSSS
??
???
??
??????
22
1221
11
22
12212211
11
1
电子测量原理
第 35页
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 。
电子测量原理
第 36页
系统组成原理
基本的网络分析仪主要由信号源,S参量测
量装臵及矢量电压表组成。
1 2
参考信道 R
测试信 道 T
信号源
S 参量
测量装臵
被测网络
矢量电压表
电子测量原理
第 37页
? 信号源,向被测网络提供入射信号或激励；
? S参量测量装臵,实际上是反射测量电路与传输
测量电路的组合, 首先将入射, 反射及传输信号
分离开, 然后通过转换开关分别进行测量；
? 矢量电压表,测量入射, 反射和传输信号的幅值
及它们之间的相位差 。 也可以通过幅相接收机实
现此功能 。
电子测量原理
第 38页
标量网络分析仪
a1为入射波, b1为反射波, b2为传输波, 它们的
测量通道分别为 R（ 参考 ）, A,B。 通过这些信号
可确定正向 S参数 |S10|,|S21|。 将被测网络的激励端
与测试端反接, 同理可测得 |S22|,|S12|。
扫频源
定向耦合器
二极管检波器
| b
1
|
2
| b
2
|
2
处
理
及
显
示
DUT
B
A
| a
1
|
2
R
电子测量原理
第 39页
矢量网络分析仪
一种 外差式 矢量网络分析仪的组成框图如下：
扫频源
LO
H ( s ) PFD 参考频率源
B P F
DUT
B P F
B P F
采
样
及
量
化
参考信道 R
反射测试信道 B
传输测试信道 A
源输出信道 S
定向耦合器
处
理
及
显
示
电子测量原理
第 40页
上图中 PFD为相频检波器, H(s)为环形滤波
器, BPF为带通滤波器 。 基本结构与外差式接收
机类似：扫频源一方面为 DUT提供激励, 一方面
可以作为单独的扫频源输出通道 S。 参考信号即
入射波, 通过 R通道进行测量 。 反射波, 传输波
所在的测试通道分别为 A,B。 为获得复 S参数而
进行的复数除法可用硬件完成, 现在多采用对混
频所得的中频信号采样和数字化, 然后通过数字
处理的方法来实现 。
电子测量原理
第 41页
矢量网络分析仪（续）
两种网络分析仪的简单比较：
标量网络分析仪 矢量网络分析仪
主要测量装臵 反射传输 S参数或反射传输
信号分离器件 标量电桥、定向耦合器 定向耦合器
检测方式 二极管检波 锁相接收
激励源 扫频信号源 合成扫频信号源
可测参数 标量幅度 幅度、相位、群时延特性
成本、精度 低 高
电子测量原理
第 42页
网络分析仪与频谱分析仪
?在 电路结构 方面, 矢量网络分析仪与外差式频谱
分析仪相似：在预定频率范围内自动测量电路幅度
增益与相位, 使用内部扫频源或可程控的外部信号
源作激励, 测量被激励电路的幅度增益与相位；
?不同之处,频谱分析仪测量未知或任意的输入频
率, 而矢量网络分析仪只测量自身或受控的已知频
率；外差式频谱分析仪测量输入信号的幅度 （ 标量
仪器 ）, 矢量网络分析仪测量输入信号的幅度和相
位 （ 矢量仪器 ） 。
电子测量原理
第 43页
10.2.3 反射参数测量
? 反射参数（ S10,S22）测量的实现
DUT
幅
相
接
收
机
显示
信号源
E
S
伸长线
R
T
定向耦合器
a
1
b
1
功率分配器
设信号源出射波为 ES,功分器分配系数分别是 c1、
c2,DUT反射系数为 S10,定向耦合器将 DUT的反射
波耦合到测试通道的耦合系数为 c3。 有
11
1
32 S
c
cc
RT ?
电子测量原理
第 44页
反射参数测量的实现（续）
? 用矢量网络分析仪测量反射参数：
DUT
伸长线
R
A
定向耦合器
a
1
b
1
功率分配器
矢量网络
分析仪
S
电子测量原理
第 45页
反射参数测量中的误差来源
用含有功率分配器、定向耦合器等微波器件的系
统进行反射参数测量将必然存在系统误差，这些误差
来自系统本身的频响特性以及端口特性。
定向耦合器作为一个三端口网络，可用信流图表
示如下：
a
3
b
3
S 13
S
32
S
23
S
31
S
33
S
21
S
12
S
22
S
1 1
b
2
b 1 a 2
a
1
3
21
定向耦合器
电子测量原理
第 46页
反射参数测量中的误差来源（续）
?方向性误差 D
实际的定向耦合器方向性 D=S32/S31≠0,因此使耦
合端的信号包含了额外泄露出来的成分 。
?反射频响误差 TR
由系统本身的频响误差引起实测的系统频响轨迹
上有若干起伏或小毛刺, 即引入了频响误差 (或频率
跟踪误差 )。
?源失配误差 MS
由阻抗失配导致从 DUT向源方向看过去的等效源
反射系数不完全为零 。 反射信号中有一部分将在 DUT
和源之间被来回反射, 因而产生 S10A的测量误差 。
电子测量原理
第 47页
反射参数测量误差模型
? 反射参数测量误差模型的信流图表示
S
11M
S
11A
( D U T )
D M S
1
1 + T
R
S10A,DUT的实际反射
系数（近似真值）
S10M：反射系数测量值
D：方向性误差
TR：反射频响误差
MS：源失配误差
由梅森法则，可得
? ?DSMT
DS
MSR
A ???
??
11
1 1 M
11 1
S
电子测量原理
第 48页
? 讨论：测量值 S10M与实际反射系数 S10A之差为
反射参数测量误差模型（续）
? ?
? ? ? ?
2
1111
11
2
11
2
1111
11
11
11
1111
11
1
1
ASAR
AASASRA
A
AS
RA
AM
SMSTD
SSMSMTSD
S
SM
TS
DSSS
???
???????
?
?
?
?????
?
结论：当 DUT的反射系数 S10A较小时, 方向性误差
D的影响占主导地位；当 S10A较大时, 源失配误差
MS是影响反射测量精度的主要因素
电子测量原理
第 49页
反射参数测量误差修正
?误差修正：在已知系统误差来源并建立误差模型
之后，对已知参数真值的 校准件 进行测量，并根
据测量值和误差模型求出各项误差，最后将它们
的影响从测量值中扣除。
?常用方法：使用三个校准件依次作为 DUT进行反
射参数测量，分别得到三个以 D,TR,MS系统误
差为未知数的方程，然后由该方程组求解三项误
差。微波测量中，同轴系统一般选用 开路器, 短
路器 和 匹配负载 Z0作为校准件。
电子测量原理
第 50页
反射参数测量误差修正（续 1）
步骤如下：
1,接入开路器 （ 反射系数 =1）
此时 S10A=1，记测量值为 SM1，有
2,接入短路器 （ 反射系数 =－ 1）
此时 S10A=－ 1，记测量值为 SM2，有
3,接入匹配负载 Z0（ 反射系数 =0）
此时 S10A=0，记测量值为 SM3，有
S
R
M M
TDS
?
???
1
1
1
S
R
M M
TDS
?
???
1
1
2
3 DS M ?
电子测量原理
第 51页
反射参数测量误差修正（续 2）
4,联立上三式，解得三项系统误差分别为：
? ?? ?
21
321
21
212331
3
2
2
MM
MMM
S
MM
MMMMMM
R
M
SS
SSS
M
SS
SSSSSS
T
SD
?
??
?
?
????
?
?
5,测量 DUT，并将测量值与校准所得的误差代入误
差模型公式,即可得 S10A。
? ?DSMT
DS
MSR
A ???
??
11
1 1 M
11 1
S
校 准
修 正
电子测量原理
第 52页
10.2.4 传输参数测量
?S21,S12测量的实现
下图所示为传输参数测量系统。传输测量与反射测量的
原理基本相同，区别在于 DUT必须 串接 在测试信号通路中。
幅
相
接
收
机
显示
R
T
信号源
E
S
a
1
b
2
功率分配器
DUT
设信号源出射波为 ES,功率分配器的分配系数分别
是 c1,c2,DUT的传输系数为 S21,有：
21
1
2 S
c
c
R
T ?
电子测量原理
第 53页
传输参数测量的实现（续）
?用矢量网络分析仪测量传输参数：
DUT
R
B
功率分配器
矢量网络
分析仪
S
a
1
b
2
电子测量原理
第 54页
传输参数测量中的误差来源
?传输泄漏误差 C：传输路径因隔离不佳 （ 不满足
S21=S12=0 ） 而产生了信号泄漏, 由此引起传输泄
漏误差, 也叫隔离误差 。
?传输路径频响误差 TT：部件的传输频响使实测的系
统频响轨迹出现波纹, 即传输频响误差或跟踪误差 。
?源失配误差 MS,由双端口网络向信号源方向看过
去的等效源反射参数 。
?负载失配误差 ML,由双端口网络向负载方向看过
去的负载反射系数 。
电子测量原理
第 55页
传输参数测量误差模型
? 传输参数测量误差模型的信流图表示
S10A,实际反射系数
S21A：实际传输系数
S12A,实际传输系数
S22A：实际反射系数
由梅森法则，可得：
a
1
b
2
C
1 + T
T
M
L
S
21A
S
22A
S 11A
S 12A
M
S
? ?
AALSAALSALAS
TA
M SSMMSSMMSMSM
TSC
a
bS
221112212211
21
1
2
21 1
1
????
????
电子测量原理
第 56页
传输参数测量误差模型（续）
? 讨论：测量值 S21M与实际传输系数 S21A之差为
? ?
? ?
AALAST
A
ALAS
TA
AM
SSMSMTC
S
SMSM
TS
C
SSS
212211
21
2211
21
212121
1
1
????
?
??
?
??
???
结论：传输系数测量误差不仅与 4项系统误差有
关, 还与网络本身的特性参数有关, 与反射参
数测量有区别 ！
电子测量原理
第 57页
10.2.5 S参数的全面测量及误差修正
由以上讨论可知：传输参数的测量误差无法采
用与反射参数误差处理方法相同的过程实现校准和
修正, 而 必须将所有的 S参数全部测出, 再统一修
正所有误差 。
反射, 传输参数双向测量系统如下图所示：图
中两个微波开关联动, 拨到位臵 1时可测反射参数,
拨到位臵 2时可测传输参数, 因此不必重新连接
DUT就能测出双端口网络的全部 S参数 。
矢量网络
分析仪
伸长线 R
A
功率分配器
1
2
端口 1 端口 2
DUT
S
B
1
2
电子测量原理
第 58页
S参数的全面测量及误差修正（续 1）
?双端口网络反射 /传输参数测量 12项误差模型
RF
S
21M
C
F
1 + T
TF
M
LF
S
21A
S
22A
S
11A
S
12A
M
SF
S
11M
1
D
F
1 + T
R F
S
22M
1 + T
RR
M
SR
S
21A
S
22A
S
11A
S
12A
M
LR
1
D
R
1 + T
T R
RF
S
12M
端口 1 端口 2
( a )
( b )
C
R
正向 S10A、
S21A测量
误差模型
反向 S22A、
S12A测量
误差模型
电子测量原理
第 59页
S参数的全面测量及误差修正（续 2）
?12项误差来源：
? 正向误差（下标中的, F”表示正向测量）,
方向性误差 DF,反射频响误差 TRF,源失配误
差 MSF,泄漏误差 CF,传输路径频响误差 TTF,负
载失配误差 MLF
? 反向误差（下标中的,R”表示反向测量 ）：
传输路径频响误差 TTR,负载失配误差 MLR、
方向性误差 DR,反射频响误差 TRR,源失配误差
MSR,泄漏误差 CR
电子测量原理
第 60页
S参数的全面测量及误差修正（续 3）
? 应用 Mason法则，可解得四个 S参数的测量值：
? ? ? ?? ?
AALFSFAALFSFALFASF
AALFALFARF
FM SSMMSSMMSMSM
SSMSMSTDS
221112212211
12212211
11 1
11
????
?????
? ?
AALFSFAALFSFALFASF
TFA
FM SSMMSSMMSMSM
TSCS
221112212211
21
21 1
1
????
???
? ? ? ?? ?
AALRSRAALRSRALRASR
AALRALRARR
RM SSMMSSMMSMSM
SSMSMSTDS
221121121122
21121122
22 1
11
????
?????
? ?
AALRSRAALRSRALRASR
TRA
RM SSMMSSMMSMSM
TSCS
221121121122
12
12 1
1
????
???
全面测得 4个 S参数之后，正向校准需 6个校准件并
测量 6次，反向校准亦然 —— 共需测量 12次,才能一一
确定所有的系统误差！
电子测量原理
第 61页
S参数的全面测量及误差修正（续 4）
?正向校准 的步骤
?在端口 1接开路器：
?在端口 1接短路器：
?在端口 1接偏离短路器：
?移开 DUT，在两个端口上接匹配负载,SM4=CF
?连接两个端口形成直通：
?测量传输参数：
? ?
?
?
2
2
1 1
1
j
SF
j
RF
FM eM
eTDS
?
?
?
???
SF
RF
FM M
TDS
?
???
1
1
2
? ?
?
?
2
2
3 1
1
j
SF
j
RF
FM eM
eTDS
?
?
?
???
? ?
LFSF
RFLF
FM MM
TMDS
?
???
1
1
5
LFSF
TF
FM MM
TCS
?
???
1
1
6
电子测量原理
第 62页
S参数的全面测量及误差修正（续 5）
? 联立求解以上 6式，即得到 6项正向误差：
? ? ? ?
? ? ? ?11 22
3
2
21
2
3
???
????
??
??
???
???
jj
M
j
MM
j
M
F eAe
SeSASeSD
? ?
32
2
2
3
MM
MF
j
FM
SF SS
SDeDSM
?
???? ?
? ?? ?SFMFRF MSDT ???? 11 2
4MF SC ?
? ? ? ?FMSFRF FMLF DSMT
DSM
???
??
5
5
1
? ?? ?LFSFFMTF MMCST ???? 11 6
其中：
? ?
? ? ?
?
2
32
2
13
j
MM
j
MM
eSS
eSSA
?
?
?
??
电子测量原理
第 63页
S参数的全面测量及误差修正（续 6）
?反向校准 的步骤：理同正向校准。实际上，只需
将 6项正向误差表达式中所有的,F”下标换成,R”，
并将 S10A与 S22A互换,S21A与 S12A互换即可。
校准确定所有 12项误差之后, 根据接入 DUT测
得的 S10M,S22M,S21M,S12M参数值, 就可以进行
误差修正 （ 算式推导略 ） 。
S参数是频率的复函数, 意味着误差校准和修
正必须针对频点进行大量的复数运算才有意义 。 这
项庞大复杂的工作一般由内含微处理器的网络分析
仪完成, 或者借助计算机控制的自动测试系统 。
第 1页
第 10章 线性系统频率特性测量和网络分析
? 10.1 线性系统频率特性测量
? 10.2 网络分析仪
电子测量原理
第 2页
10.1 线性系统频率特性测量
? 10.1.1 幅频特性测量
? 10.1.2 扫频测量与扫频源
? 10.1.3 相频特性测量
电子测量原理
第 3页
引 言
? 什么是线性系统的频率特性？
线性网络正弦信号 稳态响应
H(jω),频率响应
或频率特性
幅度 |H(jω)|,幅频特性
相位 φ(ω), 相频特性
? 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
电子测量原理
第 4页
10.1.1 幅频特性测量
点频测量法 —— 线性系统频率特性的经典测量法
每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率
调节到某一个频点 。 依次设臵调谐到各指定频点
上, 分别测出各点处的参数, 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 。
? 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 。
电子测量原理
第 5页
幅频特性扫频测量法
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结果
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 。
?不足：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 。
电子测量原理
第 6页
两种幅频特性测量法的比较
? 扫频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臵 （ 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；
电子测量原理
第 7页
? 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, 并向频率变化的方
向一侧倾斜；
? 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, 必须用扫频法；为了
得到静态特性, 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 。
两种幅频特性测量法的比较（续）
电子测量原理
第 8页
10.1.2 扫频测量与扫频源
? 基本工作原理
? 扫频源的主要特性
? 获得扫频信号的方法
? 频率标记
? 宽频段扫频方法
电子测量原理
第 9页
扫频源的基本工作原理
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 。
扫描信号
发生器
放大器稳 幅
A L C
低通滤波器 宽 带 放大器 输 出 衰减器
频标产
生电路
混频器
本振 f
0
频标 输出
扫描输出X 轴
扫频 输出
取 样 检波器
扫频振荡器
f
1
~ f
2
电子测量原理
第 10页
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。
扫频源的基本工作原理（续）
电子测量原理
第 11页
扫频源的主要特性
对扫频源通常的 技术要求,
? 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。
电子测量原理
第 12页
? 有效扫频宽度
? 扫频线性
? 输出振幅平稳性
扫频源的主要特性（续）
12
12
0
2 ff ffff ????
? ?
? ? m i n0
m a x0
k
k?线性系数
%100
21
21 ?
?
??
AA
AAM调幅系数
f0：扫频输出中心频率
f1：扫频起点； f2：扫频终点
k0：压控特性 f-V曲线的斜率
A1：寄生调幅最大幅度
A2：寄生调幅最小幅度
电子测量原理
第 13页
获得扫频信号的方法
? 变容二极管电调扫频
常见于射频至微波段。实现简单、输出功率适
中、扫频速度较快；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。
? YIG（ 钇铁石榴石 ） 电调扫频
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
实际上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 。
电子测量原理
第 14页
频率标记
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 。
? 所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高
? 频标幅度应基本一致、显示整齐
? 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号
? 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要
? 电路时延尽可能小以减小频率定度误差
电子测量原理
第 15页
频率标记（续）
?菱形 频标
利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为
基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖
脉冲，再和扫频信号混频。
?脉冲 频标
由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并
产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。
宽度较菱形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。
?线形 频标
状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的
频标形式。
电子测量原理
第 16页
宽频段扫频方法
? 差频式宽频段扫频
定 频
振荡器
扫频本振
低通
滤波
宽带
放大
宽带
输出
将固定频率的振荡器与作为本振信号的扫频振
荡源在混频器上取差频 。 只要使定频振荡器的输出
电平远小于扫频本振的电平, 则差频信号的幅度便
由定频振荡器的幅度决定, 扫频过程中差频幅度可
基本保持不变 。
电子测量原理
第 17页
宽频段扫频方法（续 1）
? 全基波多频段联合式扫频
Y I G
扫频源
低通滤波器
P I N 开关
本振
1第 频段
输出
多段扫
频输入
多路
P I N 开关
低通滤波器
低通滤波器
电子测量原理
第 18页
全基波多频段联合式扫频
将频段相衔接的几个单频段基波扫频振荡器组
件封装起来，用逻辑电路控制微波开关，因此可以
任意选用某个频段的振荡器输出，也可使几个振荡
器依次产生连续的输出频率，实现宽频带扫频。
在上图所示的宽频带扫频方案中, 多个输出频率
相接的 YIG调谐基波扫频源结合在一起, 由控制信号
通过 PIN开关进行选择, 组合, 按需提供单频段或多
频段联合的扫频输出 。 两个定向耦合器与两个检波
器的组合用于对高, 低频段稳幅信号取样 。
电子测量原理
第 19页
宽频段扫频方法（续 2）
?多倍频程宽带扫频
以较宽频带的基波扫频振荡器为基础, 除了直
接输出这个低频段信号外, 还可将它加到可选倍率 n
的倍频器中以产生若干个较高频段 。 基波回路与倍
频器是同时调谐的 。
这种倍频式 （ 谐波式 ） 宽带扫频源较全基波式
构造简单, 但在高频段输出时可能夹杂来自低频段
的部分谐波频率寄生信号；另外, 倍频之后的信号
寄生调频及噪声也随之倍增 。
电子测量原理
第 20页
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或扫频法以获得相
频特性曲线：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； 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,
常见的有如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 。
电子测量原理
第 21页
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 。
方波形成
方波形成
Q
QS
R
A微分
微分
限幅
限幅
双稳态触发器
_
I
u
1
u
2
a
a'
b
b'
c
c'
电子测量原理
第 22页
数字式相位计
有两种,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 。
瞬时值型数字相位计属于相位 -时间变换型 。 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 。
电子测量原理
第 23页
瞬时值型数字相位计
u1作为参考的信号在通道 1中, 用作计数门的启动信号 。
u1,u2间的相位差首先被处理成两个过零脉冲的时间间隔 ΔT，
其中由 u1产生的过零脉冲启动主计数门, 由 u2产生的过零脉
冲负责关闭计数门 。
通道 1
通道 2
门控电路 主计数门
标准脉冲
发生器
十进制
计数器
显示器
Δ T
u
1
u
2 f
S
o
S
xo
x
NffT T 3 6 03 6 0 ??????? ?
若计数门的计数值为 N,则相位差的计算式为,
电子测量原理
第 24页
矢量电压表
矢量电压表是一种能同时测量信号幅度和相位
的测量仪器, 本质上属于矢量网络分析仪 。
带通滤波器 +60
o
移相器
自动相
位控制
VCO
参考
本振
电压表
方 波
发生电路
触发脉冲
形 成
相位显示
双稳态触发型
相 位 计
触发脉冲
形 成
方 波
发生电路
带通滤波器
中频输出 2
中频输出 1
取样头 1
u
1
取样头 2
u
2
相位调零
取样脉冲
发生器
-120
o
移相器
电子测量原理
第 25页
矢量电压表（续）
矢量电压表较多采用的相频特性测量方法是 脉
冲触发式 。 上图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。
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 。
电子测量原理
第 26页
10.2 网络分析仪
? 10.2.1 网络分析的基本概念
? 10.2.2 网络分析系统
? 10.2.3 反射参数测量
? 10.2.4 传输参数测量
? 10.2.5 S参数的全面测量及误差修正
电子测量原理
第 27页
10.2.1 网络分析的基本概念
? 网络分析概述
? 微波网络 S参数
? S参数的流图表示及计算
?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 。
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 。
电子测量原理
第 28页
网络分析概述
?线性网络与非线性网络
?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 。
电子测量原理
第 29页
网络分析概述（续）
? 网络分析参数
? 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
2211 SS,、?
2211 lg20lg20,lg20 SSRL ?????,或回波损失
22
22
22
11
11
11 1
1
,
1
1
,
-1
1
S
S
S
S
V S W R
?
?
?
?
?
?
?
??
? ??驻波比
21lg20 SA ??衰减
??
????
1
1Z、阻抗
12212211 SSSSS,、、参数
2121 a r g S??
电子测量原理
第 30页
微波网络 S参数
微波网络常用散射参数 （ S参数 ） 表示 。 任何网
络都可用多个 S参数表征其端口特性, 对 n端口网络
需要 n2个 S参数 。
b
2
b
1
S
22
S
11
S
12
S
21
a
2
a
1
21 DUT
S10,S21,S12,S22：表示双端口网络的四个 S
参数, 即散射参量 。
电子测量原理
第 31页
微波网络 S参数（续）
? 散射方程
?S参数的物理意义
b1,b2,端口 1,2上的所有出射波
a1,a2,端口 1,2上的入射波
01
2
21
01
1
11
22
,
??
??
aa
a
bS
a
bS
02
1
12
02
2
22
11
,
??
??
aa
a
bS
a
bS
S10:端口 2匹配时端口 1的反射系数
S21:端口 2匹配时的正向传输系数
S22:端口 1匹配时端口 2的反射系数
S12:端口 1匹配时的反向传输系数
2221212
2121111
aSaSb
aSaSb
??
??
电子测量原理
第 32页
S参数的流图表示及计算
? 信流图
使用节点代表信号，用支路和箭头代表信号及其
流动的方向，并用支路旁标代表支路的传递函数即信
号大小。上图所示的双端口网络可用流图表示如下：
端口 2端口 1
S
21
S
12
S
22
S 1
1
b
2
b
1
a
2
a 1
电子测量原理
第 33页
S参数的流图表示及计算（续 1）
? 梅森（ Mason）不接触环路法则
?
?
?
?
?
n
k
kkT
T 1
T：信流图所代表的网络的增益或传输函数
Tk：第 k条路径上所有支路系数的乘积
Δ：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
Δ k,与第 k条开路不接触的子信流图的行列式
电子测量原理
第 34页
S参数的流图表示及计算（续 2）
?信流图计算举例
在双端口网络的端口 2上终接一个反射系数为 ΓL的负载：
Γ L
S
21
S 12
S
22
S 11
b 1
a 1
Γ
由梅森法则：
LS ???? 221
1,,1,212212221111 ????????? LL SSTSST
故有,? ?
L
L
L
LL
S
SSS
S
SSSS
??
???
??
??????
22
1221
11
22
12212211
11
1
电子测量原理
第 35页
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 。
电子测量原理
第 36页
系统组成原理
基本的网络分析仪主要由信号源,S参量测
量装臵及矢量电压表组成。
1 2
参考信道 R
测试信 道 T
信号源
S 参量
测量装臵
被测网络
矢量电压表
电子测量原理
第 37页
? 信号源,向被测网络提供入射信号或激励；
? S参量测量装臵,实际上是反射测量电路与传输
测量电路的组合, 首先将入射, 反射及传输信号
分离开, 然后通过转换开关分别进行测量；
? 矢量电压表,测量入射, 反射和传输信号的幅值
及它们之间的相位差 。 也可以通过幅相接收机实
现此功能 。
电子测量原理
第 38页
标量网络分析仪
a1为入射波, b1为反射波, b2为传输波, 它们的
测量通道分别为 R（ 参考 ）, A,B。 通过这些信号
可确定正向 S参数 |S10|,|S21|。 将被测网络的激励端
与测试端反接, 同理可测得 |S22|,|S12|。
扫频源
定向耦合器
二极管检波器
| b
1
|
2
| b
2
|
2
处
理
及
显
示
DUT
B
A
| a
1
|
2
R
电子测量原理
第 39页
矢量网络分析仪
一种 外差式 矢量网络分析仪的组成框图如下：
扫频源
LO
H ( s ) PFD 参考频率源
B P F
DUT
B P F
B P F
采
样
及
量
化
参考信道 R
反射测试信道 B
传输测试信道 A
源输出信道 S
定向耦合器
处
理
及
显
示
电子测量原理
第 40页
上图中 PFD为相频检波器, H(s)为环形滤波
器, BPF为带通滤波器 。 基本结构与外差式接收
机类似：扫频源一方面为 DUT提供激励, 一方面
可以作为单独的扫频源输出通道 S。 参考信号即
入射波, 通过 R通道进行测量 。 反射波, 传输波
所在的测试通道分别为 A,B。 为获得复 S参数而
进行的复数除法可用硬件完成, 现在多采用对混
频所得的中频信号采样和数字化, 然后通过数字
处理的方法来实现 。
电子测量原理
第 41页
矢量网络分析仪（续）
两种网络分析仪的简单比较：
标量网络分析仪 矢量网络分析仪
主要测量装臵 反射传输 S参数或反射传输
信号分离器件 标量电桥、定向耦合器 定向耦合器
检测方式 二极管检波 锁相接收
激励源 扫频信号源 合成扫频信号源
可测参数 标量幅度 幅度、相位、群时延特性
成本、精度 低 高
电子测量原理
第 42页
网络分析仪与频谱分析仪
?在 电路结构 方面, 矢量网络分析仪与外差式频谱
分析仪相似：在预定频率范围内自动测量电路幅度
增益与相位, 使用内部扫频源或可程控的外部信号
源作激励, 测量被激励电路的幅度增益与相位；
?不同之处,频谱分析仪测量未知或任意的输入频
率, 而矢量网络分析仪只测量自身或受控的已知频
率；外差式频谱分析仪测量输入信号的幅度 （ 标量
仪器 ）, 矢量网络分析仪测量输入信号的幅度和相
位 （ 矢量仪器 ） 。
电子测量原理
第 43页
10.2.3 反射参数测量
? 反射参数（ S10,S22）测量的实现
DUT
幅
相
接
收
机
显示
信号源
E
S
伸长线
R
T
定向耦合器
a
1
b
1
功率分配器
设信号源出射波为 ES,功分器分配系数分别是 c1、
c2,DUT反射系数为 S10,定向耦合器将 DUT的反射
波耦合到测试通道的耦合系数为 c3。 有
11
1
32 S
c
cc
RT ?
电子测量原理
第 44页
反射参数测量的实现（续）
? 用矢量网络分析仪测量反射参数：
DUT
伸长线
R
A
定向耦合器
a
1
b
1
功率分配器
矢量网络
分析仪
S
电子测量原理
第 45页
反射参数测量中的误差来源
用含有功率分配器、定向耦合器等微波器件的系
统进行反射参数测量将必然存在系统误差，这些误差
来自系统本身的频响特性以及端口特性。
定向耦合器作为一个三端口网络，可用信流图表
示如下：
a
3
b
3
S 13
S
32
S
23
S
31
S
33
S
21
S
12
S
22
S
1 1
b
2
b 1 a 2
a
1
3
21
定向耦合器
电子测量原理
第 46页
反射参数测量中的误差来源（续）
?方向性误差 D
实际的定向耦合器方向性 D=S32/S31≠0,因此使耦
合端的信号包含了额外泄露出来的成分 。
?反射频响误差 TR
由系统本身的频响误差引起实测的系统频响轨迹
上有若干起伏或小毛刺, 即引入了频响误差 (或频率
跟踪误差 )。
?源失配误差 MS
由阻抗失配导致从 DUT向源方向看过去的等效源
反射系数不完全为零 。 反射信号中有一部分将在 DUT
和源之间被来回反射, 因而产生 S10A的测量误差 。
电子测量原理
第 47页
反射参数测量误差模型
? 反射参数测量误差模型的信流图表示
S
11M
S
11A
( D U T )
D M S
1
1 + T
R
S10A,DUT的实际反射
系数（近似真值）
S10M：反射系数测量值
D：方向性误差
TR：反射频响误差
MS：源失配误差
由梅森法则，可得
? ?DSMT
DS
MSR
A ???
??
11
1 1 M
11 1
S
电子测量原理
第 48页
? 讨论：测量值 S10M与实际反射系数 S10A之差为
反射参数测量误差模型（续）
? ?
? ? ? ?
2
1111
11
2
11
2
1111
11
11
11
1111
11
1
1
ASAR
AASASRA
A
AS
RA
AM
SMSTD
SSMSMTSD
S
SM
TS
DSSS
???
???????
?
?
?
?????
?
结论：当 DUT的反射系数 S10A较小时, 方向性误差
D的影响占主导地位；当 S10A较大时, 源失配误差
MS是影响反射测量精度的主要因素
电子测量原理
第 49页
反射参数测量误差修正
?误差修正：在已知系统误差来源并建立误差模型
之后，对已知参数真值的 校准件 进行测量，并根
据测量值和误差模型求出各项误差，最后将它们
的影响从测量值中扣除。
?常用方法：使用三个校准件依次作为 DUT进行反
射参数测量，分别得到三个以 D,TR,MS系统误
差为未知数的方程，然后由该方程组求解三项误
差。微波测量中，同轴系统一般选用 开路器, 短
路器 和 匹配负载 Z0作为校准件。
电子测量原理
第 50页
反射参数测量误差修正（续 1）
步骤如下：
1,接入开路器 （ 反射系数 =1）
此时 S10A=1，记测量值为 SM1，有
2,接入短路器 （ 反射系数 =－ 1）
此时 S10A=－ 1，记测量值为 SM2，有
3,接入匹配负载 Z0（ 反射系数 =0）
此时 S10A=0，记测量值为 SM3，有
S
R
M M
TDS
?
???
1
1
1
S
R
M M
TDS
?
???
1
1
2
3 DS M ?
电子测量原理
第 51页
反射参数测量误差修正（续 2）
4,联立上三式，解得三项系统误差分别为：
? ?? ?
21
321
21
212331
3
2
2
MM
MMM
S
MM
MMMMMM
R
M
SS
SSS
M
SS
SSSSSS
T
SD
?
??
?
?
????
?
?
5,测量 DUT，并将测量值与校准所得的误差代入误
差模型公式,即可得 S10A。
? ?DSMT
DS
MSR
A ???
??
11
1 1 M
11 1
S
校 准
修 正
电子测量原理
第 52页
10.2.4 传输参数测量
?S21,S12测量的实现
下图所示为传输参数测量系统。传输测量与反射测量的
原理基本相同，区别在于 DUT必须 串接 在测试信号通路中。
幅
相
接
收
机
显示
R
T
信号源
E
S
a
1
b
2
功率分配器
DUT
设信号源出射波为 ES,功率分配器的分配系数分别
是 c1,c2,DUT的传输系数为 S21,有：
21
1
2 S
c
c
R
T ?
电子测量原理
第 53页
传输参数测量的实现（续）
?用矢量网络分析仪测量传输参数：
DUT
R
B
功率分配器
矢量网络
分析仪
S
a
1
b
2
电子测量原理
第 54页
传输参数测量中的误差来源
?传输泄漏误差 C：传输路径因隔离不佳 （ 不满足
S21=S12=0 ） 而产生了信号泄漏, 由此引起传输泄
漏误差, 也叫隔离误差 。
?传输路径频响误差 TT：部件的传输频响使实测的系
统频响轨迹出现波纹, 即传输频响误差或跟踪误差 。
?源失配误差 MS,由双端口网络向信号源方向看过
去的等效源反射参数 。
?负载失配误差 ML,由双端口网络向负载方向看过
去的负载反射系数 。
电子测量原理
第 55页
传输参数测量误差模型
? 传输参数测量误差模型的信流图表示
S10A,实际反射系数
S21A：实际传输系数
S12A,实际传输系数
S22A：实际反射系数
由梅森法则，可得：
a
1
b
2
C
1 + T
T
M
L
S
21A
S
22A
S 11A
S 12A
M
S
? ?
AALSAALSALAS
TA
M SSMMSSMMSMSM
TSC
a
bS
221112212211
21
1
2
21 1
1
????
????
电子测量原理
第 56页
传输参数测量误差模型（续）
? 讨论：测量值 S21M与实际传输系数 S21A之差为
? ?
? ?
AALAST
A
ALAS
TA
AM
SSMSMTC
S
SMSM
TS
C
SSS
212211
21
2211
21
212121
1
1
????
?
??
?
??
???
结论：传输系数测量误差不仅与 4项系统误差有
关, 还与网络本身的特性参数有关, 与反射参
数测量有区别 ！
电子测量原理
第 57页
10.2.5 S参数的全面测量及误差修正
由以上讨论可知：传输参数的测量误差无法采
用与反射参数误差处理方法相同的过程实现校准和
修正, 而 必须将所有的 S参数全部测出, 再统一修
正所有误差 。
反射, 传输参数双向测量系统如下图所示：图
中两个微波开关联动, 拨到位臵 1时可测反射参数,
拨到位臵 2时可测传输参数, 因此不必重新连接
DUT就能测出双端口网络的全部 S参数 。
矢量网络
分析仪
伸长线 R
A
功率分配器
1
2
端口 1 端口 2
DUT
S
B
1
2
电子测量原理
第 58页
S参数的全面测量及误差修正（续 1）
?双端口网络反射 /传输参数测量 12项误差模型
RF
S
21M
C
F
1 + T
TF
M
LF
S
21A
S
22A
S
11A
S
12A
M
SF
S
11M
1
D
F
1 + T
R F
S
22M
1 + T
RR
M
SR
S
21A
S
22A
S
11A
S
12A
M
LR
1
D
R
1 + T
T R
RF
S
12M
端口 1 端口 2
( a )
( b )
C
R
正向 S10A、
S21A测量
误差模型
反向 S22A、
S12A测量
误差模型
电子测量原理
第 59页
S参数的全面测量及误差修正（续 2）
?12项误差来源：
? 正向误差（下标中的, F”表示正向测量）,
方向性误差 DF,反射频响误差 TRF,源失配误
差 MSF,泄漏误差 CF,传输路径频响误差 TTF,负
载失配误差 MLF
? 反向误差（下标中的,R”表示反向测量 ）：
传输路径频响误差 TTR,负载失配误差 MLR、
方向性误差 DR,反射频响误差 TRR,源失配误差
MSR,泄漏误差 CR
电子测量原理
第 60页
S参数的全面测量及误差修正（续 3）
? 应用 Mason法则，可解得四个 S参数的测量值：
? ? ? ?? ?
AALFSFAALFSFALFASF
AALFALFARF
FM SSMMSSMMSMSM
SSMSMSTDS
221112212211
12212211
11 1
11
????
?????
? ?
AALFSFAALFSFALFASF
TFA
FM SSMMSSMMSMSM
TSCS
221112212211
21
21 1
1
????
???
? ? ? ?? ?
AALRSRAALRSRALRASR
AALRALRARR
RM SSMMSSMMSMSM
SSMSMSTDS
221121121122
21121122
22 1
11
????
?????
? ?
AALRSRAALRSRALRASR
TRA
RM SSMMSSMMSMSM
TSCS
221121121122
12
12 1
1
????
???
全面测得 4个 S参数之后，正向校准需 6个校准件并
测量 6次，反向校准亦然 —— 共需测量 12次,才能一一
确定所有的系统误差！
电子测量原理
第 61页
S参数的全面测量及误差修正（续 4）
?正向校准 的步骤
?在端口 1接开路器：
?在端口 1接短路器：
?在端口 1接偏离短路器：
?移开 DUT，在两个端口上接匹配负载,SM4=CF
?连接两个端口形成直通：
?测量传输参数：
? ?
?
?
2
2
1 1
1
j
SF
j
RF
FM eM
eTDS
?
?
?
???
SF
RF
FM M
TDS
?
???
1
1
2
? ?
?
?
2
2
3 1
1
j
SF
j
RF
FM eM
eTDS
?
?
?
???
? ?
LFSF
RFLF
FM MM
TMDS
?
???
1
1
5
LFSF
TF
FM MM
TCS
?
???
1
1
6
电子测量原理
第 62页
S参数的全面测量及误差修正（续 5）
? 联立求解以上 6式，即得到 6项正向误差：
? ? ? ?
? ? ? ?11 22
3
2
21
2
3
???
????
??
??
???
???
jj
M
j
MM
j
M
F eAe
SeSASeSD
? ?
32
2
2
3
MM
MF
j
FM
SF SS
SDeDSM
?
???? ?
? ?? ?SFMFRF MSDT ???? 11 2
4MF SC ?
? ? ? ?FMSFRF FMLF DSMT
DSM
???
??
5
5
1
? ?? ?LFSFFMTF MMCST ???? 11 6
其中：
? ?
? ? ?
?
2
32
2
13
j
MM
j
MM
eSS
eSSA
?
?
?
??
电子测量原理
第 63页
S参数的全面测量及误差修正（续 6）
?反向校准 的步骤：理同正向校准。实际上，只需
将 6项正向误差表达式中所有的,F”下标换成,R”，
并将 S10A与 S22A互换,S21A与 S12A互换即可。
校准确定所有 12项误差之后, 根据接入 DUT测
得的 S10M,S22M,S21M,S12M参数值, 就可以进行
误差修正 （ 算式推导略 ） 。
S参数是频率的复函数, 意味着误差校准和修
正必须针对频点进行大量的复数运算才有意义 。 这
项庞大复杂的工作一般由内含微处理器的网络分析
仪完成, 或者借助计算机控制的自动测试系统 。
