第6章-阻抗与网络分析（v6.0）

第6章-阻抗与网络分析（v6.0）

第六章网络参数测试与分析

本章所说的网络是指由若干元器件、电路连接形成的电路网络，不是目前常说的局域网、广域网所指的网络概念。网络所包含的对象多种多样，千差万别，小到一个在显微镜下才能观察到的管芯或梁式引线二极管，大到一部雷达或人造卫星的电子系统。对网络的各种参数进行正确的测试与分析，是电子设备成功研制、生产乃至验收、维护维修的基础。测量和分析的网络参数主要分为阻抗特性、网络特性和噪声系数特性三类。

阻抗特性测量按频段可分为三种，低频阻抗测量、射频阻抗测量和微波阻抗测量。

低频阻抗测量仪器主要是指LCR表，用于测量30MHz以下元器件的电阻、电感和电容。由于测量频率较低，采用四端对方法即可获得高的测量精确度。但随着测量频率的提高（>30MHz），由于杂散和寄生电容电感的存在，精确度会迅速下降。

射频阻抗分析仪可在更宽的频率范围（<3GHz）内测量元器件或电路网络的阻抗特性，主要采用射频I/V法，可在极宽的阻抗范围内获得很高的测量精确度。

微波阻抗测量方法目前主要是通过网络分析仪对微波网络的S参数进行测量，再转换为阻抗或导纳等其他参数，可实现从数百kHz到数百GHz频率范围内的测量阻抗。由于微波网络分析仪以某一特定阻抗（这一特定阻抗被称为系统阻抗）为基础测量S参数的，一般是50Ω，当被测网络的阻抗偏离系统阻抗时，测量精度会降低。

网络分析仪是将被测对象等效成单端口或多端口网络，并以单端口和二端口网络S参数为基础建立被测对象的数学模型。网络分析仪分为标量网络分析仪和矢量网络分析仪两大类。标量网络分析仪采用基于二极管检波的宽带接收方式，仅能对网络参数的幅频特性进行测试；矢量网络分析仪采用基于同步检波的窄带幅相接收方式，可对网络参数的幅频特性、相频特性和群时延特性进行测试与分析。由于矢

量网络分析仪具有标量网络分析仪无法比拟的优势，且随着电子技术的发展，矢量网络分析仪的性能指标越来越高，功能越来越强，而价格却越来越低，呈现逐步取代标量网络分析仪的趋势。目前商品化的矢量网络分析仪已覆盖30kHz～300GHz的频率范围，实验室水平已达到1000GHz。

噪声系数是指当输入端温度处于T0=290K时，网络输入端信号－噪声功率比与输出端信号－噪声功率比的比值。噪声系统主要描述线性网络的噪声特性，体现了网络对输入信号信噪比的恶化程度。噪声系数指标对接收机系统特别重要，它直接影响了接收机的灵敏度。噪声系数分析仪是测量网络噪声系数的仪器。目前的噪声系数分析仪大都采用Y因子法进行噪声系数的测量，其测量频率范围从10MHz到110GHz。

6.1 元器件特性的网络表征方法

电磁场的处理方法是通过求解在给定边界条件下的麦克斯韦方程组来获得的，尽管计算机技术已广泛应用于求解电磁场问题，但不是所有问题都能得到麦克斯韦方程组的真实解。随着微波CAD技术的不断发展，电路理论中的许多概念和方法在微波技术领域也同样有着十分重要的地位，有一些电磁现象可以当作场的问题来处理，而有些电磁现象当作路的问题来处理则更方便。微波系统中包含有微波传输线、连接器或波导法兰和其他微波部件，也就是

说存在着各种不连续性，如把这些不连续性等效成微波网络，那么就可以把场的问题用路的方法来处理和解决。实际上，分布参数的电磁场问题等效成电路问题，其电路形式往往比较简单。即使一个复杂的电路形式也可以分解为多个基本网络的串联、并联或串并联，而这些基本网络是网络分析的基础。一个网络可以通过其参考面上某种输入量和输出量之间的关系得到一组表征该网络特性的参数。所研究的输入和输出量称为端口变量，表征网络特性的一组量称为网络参数。二端口网络是最基本的网络形式，虽然一个网络可能会有多个端口，但通过特定的处理方式多端口网络可以转化为二端口网络。二端口网络模型有四个变量，其中两个是输入变量，又称为自变量，为网络的

激励信号，而另外两个变量为输出变量，表示网络对激励信号的响应，又称因变量。

6.1.1 单端口网络阻抗参数的表征方法

单端口网络有两个引脚，因此又称双端器件，如电阻、电容、电感和石英晶体等。在低频段这些器件的阻抗特性比较稳定，随着工作频率的提高，器件的分布参数影响加大，各元器件的阻抗参数不能用简单的元件参数表示，例如，一只电容的实际等效电路如图6.1所示。

图6.1 电容器的等效电路

图6.1中，C为电容器的实际电容量，R p为电容器的并联损耗电阻，主要由介质及封装材料的损耗和漏电决定；R s为电容器的串联损耗电阻，主要由引线电阻、板极电阻和焊接点接触电阻决定；L s为电容器的串联分布电感或固有电感，主要由电容引线和板极决定。依据各寄生参量作用的大小，这个电路可以简化为串联和并联电路形式。如果L s和R s相对于R p较小，可忽略不计，该电路等效为并联模型；反之则为串联模型。在进行元器件阻抗测量时，串联和并联模型可以相互转换，转换的纽带是耗散因子D。表6.1是电容、电感的串并联电路模型。在具体应用时，阻抗值高于300Ω的器件宜采用串联模型，低于5Ω宜采用并联模型。

实际电路中，一个电容器常是由电容、寄生电感和电阻决定的。显然，串/并联模型难以同时表示这三个参量，因此常采用表6.2所述的五种等效电路模型。根据器件的类别，可以选择五种模型中的一种。

目前世界上先进的阻抗分析仪就使用这种方法进行测量。

6.1.2低频网络参数的表征方法

对于低频电路采用集总参数的分析方法，研究电压V 和电流I 与阻抗参数Z 、导纳参数Y 和级连参数ABCD 之间的关系。图6.2是用于低频电路的二端口网络，有四个变量，即端口1的电压V 1和电流I 1，端口2的电压V 1和电流I 1。任意两个变量作自变量而另两个变量作因变量，有多种组合，其中三种组合是我们常用的三种网络参数，即Z 参数、Y 参数和ABCD 参数。

图6.2 一般二端口网络

当选择电流I 1和I 2作自变量、电压V 1和V 2作因变量时，得到一组网络参数称阻抗参数（Z 参数），公式（6.1）是Z 参数的方程。