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第八章频域测量本章要点：·扫频仪(频率特性分析仪)的原理与应用·微波网络特性和网络分析仪的工作原理·频谱仪(频谱分析仪)的用途、原理与分类·扫频外差式频谱仪的原理、特性和应用前言：基础知识复习1.频率与波长：毫米波厘米波分米波米波f10~1mm10~1cm1m~10cm10~1mc30~300GHz3~30GHz0.3~3GHz30~300MHzfλ=2.集总参数和分布参数：高频（30~300MHz）以下波段，即波长大于1m的情况这时元器件为集总参数（元件尺寸波长）参数集中在R、L、C等元件中，认为与导线无关。微波（300MHz~300GHz），即波长小于1m的情况这时元器件为分布参数（元件尺寸≈波长）参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。3.本课主要介绍·扫频仪(频率特性分析仪)的原理与应用·微波网络特性和网络分析仪的工作原理线性系统频率特性·频谱仪(频谱分析仪)的用途、原理与分类·扫频外差式频谱仪的原理、特性和应用信号的频谱分析在微波（300MHz～300GHz）主要用网络分析仪，本课不讲。但这种划分不是绝对的，实际上有些扫频仪可能工作到更高的频率，而有些网络分析仪可能工作到更低的工作频率。应当指出，这里讲的“网络”是指由器件、元件组成的电子网络。当年提出“网络分析仪”这一名字时，还没有计算机网络等现代网络的概念。8.1线性系统幅频特性的测量正弦稳态下的系统函数或传输函数)(jK就反映了该系统激励与响应的关系)()()()()(jiOeKjUjUjK式中，)(K也可写成)(fK，就是下面要测量的幅频特性。)(是相频特性本节不讨论。)(fKf)(fKf8.1.1静态频率特性测量----点频法点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和选用相应仪器。f0K(f)f特点：所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效率太低了。如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。8.1.2动态频率特性测量———扫频法1.扫频法的工作原理扫频法可以实现频率特性的自动测绘，而且不会像点频法那样遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，这比较符合被测电路的实际应用情况。扫频仪=扫源+示波器2.动态频率特性随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图8.3所示。图中Ⅰ为静态特性，Ⅱ、Ⅲ为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出动态频率特性有以下特点：(1)顶部最大值下降；(2)特性曲线被展宽；(3)扫速愈高，偏移愈严重。图8.3动态特性曲线其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由动态元件L、C等元件组成的(如调谐电路)，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。8.1.3扫频仪举例——BT-3型频率特性测试仪BT-3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图8.4所示。1.BT-3扫频仪的主要技术性能：(1)中心频率：在1MHz～300MHz内可任意调节，分1MHz～75MHz、75MHz～150MHz、150MHz～300MHz三个波段；(2)扫频频偏：最大频偏±7.5MHz；(3)扫频信号输出：输出电压≥0.1V（有效值），输出阻抗75Ω；(4)寄生调幅系数：最大频偏时±7.5%；(5)调频非线系数：最大频偏时20%；(6)频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。BT3C-A型频率特性测试仪扫频信号输出端检波探头2.中心频率和扫频范围本扫频仪工作时是以某中心频率为中心进行扫频的。现以第Ⅱ波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回路中的可变电容C，例如图中调到100MHz。扫频是扫描电流IM作用于调制线圈LC使振荡频率在100MHz中心频率的基础上产生±7.5MHz的频偏，即扫频范围最大只有15MHz。100MHz75MHz150MHzfoΔfLCIMIMC92.5MHz107.5MHz3.频标产生的原理图8.4框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以1MHz频标为例进行说明。图8.6频标的形成过程100.02MHz99.98MHz1MHz振荡信号的100次谐波100MHz图8.7加有频标的波形(b)(a)4.扫描信号与回扫处理本仪器为简化设计，节约成本，是利用50Hz市电降压后用来做扫描信号的。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原理框图中的“截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号）最后，介绍几种典型扫频仪的技术参数供参考(见表8.1)。表8.1几种典型扫频仪的技术参数型号频率范围扫频范围不平坦度BT3C-VHF1～300MHz±20MHz±0.25dBNW1251A1～300MHz±1MHz±0.3dBNW1256D1～1000MHz全扫、窄扫Ⅰ/Ⅱ、单频±0.35dBNW12322Hz～2MHz20Hz～20kHz、2kHz～2MHz≤5%※8.2微波网络分析仪（简介）微波网络，是对实际的物理实体所进行的数学抽象。虽然不能研究元件内部各点的场强，但微波元件的作用是通过它对微波信号的传输特性来表征的，而这一传输特性可用网络来表示（见图）。因此，当网络输入端的电压、电流及输出端的电压、电流之间的相互关系已知时，微波元件的特性也就完全确定了。双端口网络外部特性参数有多种，应用最多的是散射参数S。微波网络分析仪主要用来测试网络的S参数。分为：标量网络分析仪：只对S参数的幅值进行测量。矢量网络分析仪：具有定量测试矢量（幅值、相位）的能力。8.3频谱分析仪的概述8.3.1信号的时域与频域分析信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：deFtftj)(21)(()()jtFftedt图8.25时域与频域观测之间的关系（8.11）（8.12）示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，如图8.26中(a)是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；(b)是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是两个频率分量，看不出差异。但是，如果合成电路（如放大器）有非线性失真，即基波和二次谐波信号不能线性相加，两者则有交互作用，像混频器一样会产生新的频率分量，这在示波器上难以觉察到，而在频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带来的新的频谱分量。可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并起到互为补充的作用。图8.26不同相位合成的波形(a)(b)8.3.2频谱仪的主要用途现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十GHz，幅度跨度超过140dB。故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表，成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一些方面：1.正弦信号的频谱纯度2.调制信号的频谱3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱4.通信系统的发射机质量5.激励源响应的测量6.放大器的性能测试7.噪声频谱的分析8.电磁干扰的测量音频信号与频谱示教8.3.3频谱仪的分类频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：模拟式实时----并行滤波法顺序滤波法非实时可调滤波法扫频外差法数字式数字滤波法快速傅里叶变换（FFT）计算法8.3.4频谱仪的工作原理1.模拟式频谱仪思路：我们一起来设计频谱仪f0f0+Fff0+Ffff移动滤波器滤波器不动上面移动频谱方案一：并联滤波法方案二：移动滤波法方案三：扫频外差法逆向思维设计思想成功的典范：改变滤波器来找频谱是以百变对应万变，难度自然大，而扫频外差法是将频谱逐个移进不变的滤波器是以不变对应万变。电路：图8.27并行滤波频谱仪方案图8.28顺序滤波频谱仪方案图8.29可调滤波频谱仪方案图8.30外差法频谱仪方案2.数字式频谱仪①数字滤波法：是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤波器，如图8.31所示。图中，数字滤波器的中心频率可由控制/时基电路使之顺序改变。所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于输入/输出都是数字序列，所以数字滤波器突实际上是一个序列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。图8.31数字滤波式频谱仪方案②快速傅里叶（FFT）分析法：是一种软件计算法。现已有专门的FFT(快速傅里叶)计算器，将它与数据采集和显示电路相配合，则可组成频谱仪，如图8.32所示。通常采用DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器来完成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能够进行实时分析。应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。图8.32快速傅里叶变换式频谱仪方案8.4超外差式频谱分析仪基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接收机）本地振荡器何谓？外差：早期电台同发fs、fL超外差：fL移入接收机本振：fL成了本地振荡器fs混频器中频放大器检波器放大器高频调谐电路fL决定选择性8.4.1工作原理现以一个具体的例子来说明扫频外差频谱仪的工作原理。699tf0-Ff0700f0+F701f0F图8.33调幅波及其频谱图③②①混频器窄带滤波器检波器放大器对数扫频本振锯齿电压波①②③①②①②③①②③①②③±15HzfI=60KHz③频谱仪=超外差接收机+示波器外差式频谱仪的原理可以简述为：扫频的本振与信号混频后，使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫描时基线同步显示出来。其要点是移频滤波。8.4.2实例1：BP-1型频谱仪是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。变频器M0(+)2.3~5.3MHz100Hz～3MHz3MHz～6MHz3MHZ～30MHz被测信号100Hz～30MHz(设fs=10MHz1KHz标准调幅波)fs10MHz第一混频M1(–)第二混频M2(–)第三混频M3(–)窄带滤波器检波对数放大垂直偏转系统第一本振第二本振第三本振扫描发生器水平偏转系统3～6MHz5MHz700kHz60kHz60kHzWyABCD15MHz4.3MHz6,30,150Hz760±15kHzWx0.2~0.3S图8.35BP-1频谱仪原理框图K2K11122从图中可以看到以下特点：1.多级变频从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的通频带：Qff（8.13）谐振回路的Q值提高较困难，故欲使f减小，主要措施是降低信号频率f，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。现以被测信号为10MHz的标准调幅波来说明其工作过程。第三本振是扫频的，它将三根谱线依次地移入窄带滤波器（即第三中频放大器），它的带宽有6、30、150Hz三档可选。ttttuAuBuCuD000000004.31kHz1kHz1kHz1kHz10MHz5MHz700kHz60kHzffff(MHz)(MHz)(KHz)(KHz)15105760±15700606030Hz|A||A||A||A|图8.36BP-1各点波形图2.多级放大在多级变频的同时，实际上信