S参数定义、矢量网络分析仪基础知识和S参数测量

S 参数定义、矢量网络分析仪基础知识及 S 参数测量 1 基本知识1.1 射频网络这 里 所 指 的 网 络 是 指 一 个 盒 子 ， 不 管 大 小 如 何 ， 中 间 装 的 什 么 ， 我 们 并 不 一 定 知 道 ，它 只 要 是 对 外 接 有 一 个 同 轴 连 接 器 ， 我 们 就 称 其 为 单 端 口 网 络 ， 它 上 面 若 装 有 两 个 同 轴连 接 器 则 称 为 两 端 口 网 络 。 注 意 ： 这 儿 的 网 络 与 计 算 机 网 络 并 不 是 一 回 事 ， 计 算 机 网 络是 比 较 复 杂 的 多 端 （ 口 ） 网 络 ， 这 儿 主 要 是 指 各 种 各 样 简 单 的 射 频 器 件 （ 射 频 网 络 ） ，而 不 是 互 连 成 网 的 网 络 。1 单 端 口 网 络 习 惯 上 又 叫 负 载 ZL。 因 为 只 有 一 个 口 ， 总 是 接 在 最 后 又 称 终 端 负 载 。最 常 见 的 有 负 载 、 短 路 器 等 ， 复 杂 一 点 的 有 滑 动 负 载 、 滑 动 短 路 器 等 。 单 端 口 网 络 的 电 参 数 通 常 用 阻 抗 或 导 纳 表 示 ， 在 射 频 范 畴 用 反 射 系 数 （ 回 损 、驻 波 比 、 S11） 更 方 便 些 。2 两 端 口 网 络 最 常 见 、 最 简 单 的 两 端 口 网 络 就 是 一 根 两 端 装 有 连 接 器 的 射 频 电 缆 。 匹 配 特 性 两 端 口 网 络 一 端 接 精 密 负 载 （ 标 阻 ） 后 ， 在 另 一 端 测 得 的 反 射 系 数 ，可 用 来 表 征 匹 配 特 性 。 传 输 系 数 与 插 损 对 于 一 个 两 端 口 网 络 除 匹 配 特 性 （ 反 射 系 数 ） 外 , 还 有 一 个 传输 特 性 ， 即 经 过 网 络 与 不 经 过 网 络 的 电 压 之 比 叫 作 传 输 系 数 T。插损（IL） = 20LogTdB ，一般为负值，但有时也不记负号， 即相移。V2 两端口的四个散射参量测量 两端口网络的电参数，一般用上述的插损与回损已足，但对考究的场合会用到散射参量。两端口网络的散射参量有 4 个，即S11、S 21、S 12、S 22。S 参数的基本定义：S11： 端口 2 匹配时，端口 1 的反射系数 及输入驻波，描述器件输入端的匹配情况，S11=a2/a1;也可用输入回波损耗 RL=-2Olg()（能量方面的反应）表示。S22：端口 1 匹配时，端口 2 输出驻波，描述器件输出端的匹配情况，S22=b2/b1。S21：增益或插损，描述信号经过器件后被放大的倍数或者衰减量。S21=b1/a1. 对于无源网络即传输系数 T 或插损，对放大器即增益。S12：反向隔离度，描述器件输出端的信号对输入端的影响，S12=a2/b2。特点：1、 对于互易网络有 S12S212、 对于对称网络有 S11S223、 对于无耗网络，有 S11*S11+S21*S211，即网络不消耗任何能量，从端口 1 输入的能量不是被反射回端口 1 就是传输到端口 2 上4、 在高速电路设计中用到的微带线或带状线，都有参考平面，为不对称结构（但平行双导线就是对称结构） ，所以 S11 不等于 S22，但满足互易条件，总是有 S12S21。假设 Port1 为信号输入端口，Port2 为信号输出端口，则我们关心的 S 参数有两个：S11 和 S21，S11 表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好，一般建议 S110.7，即3dB。如果网络是无耗的，那么只要 Port1 上的反射很小，就可以满足 S210.7 的要求，但通常的传输线是有耗的，尤其在 GHz 以上，损耗很显著，即使在 Port1 上没有反射，经过长距离的传输线后，S21 的值就会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消耗在路上了。中高档矢网可以交替或同时显示经过全端口校正的四个参数，普及型矢网不具备这种能力，只有插头重新连接才能测得 4 个参数，而且没有作全端口校正。反射系数、回波损耗、电压驻波比回波损耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, RL=-S11=-20lg()，为 dB 数值反射系数(): 反射电压/入射电压, 为标量 =反射波振幅/入射波振幅=(传输线特性阻抗-负载阻抗)/(传输线特性阻抗+负载阻抗)，即 =|（ZL-Zo）/（ZL+Zo）的绝对值电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压，VSWR=电压最大值/电压最小值=Umax/Umin= (1+反射系数模值)/(1-反射系数模值）=(1+)/(1- ) 行波系数：K=电压最小值/电压最大值=Umin/Umax=(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)反射系数、回波损耗、驻波比对照表(RL 单位是 dB,实际值是负值)实际要求的参数基本网络基数：1.2 传 输 线传输射频信号的线缆泛称传输线。常用的有两种：双线与同轴线，频率更高则会用到微带线与波导，虽然结构不同，用途各异，但其基本特性都可由传输线公式所表征。特性阻抗 Z0 它是一种由结构尺寸决定的电参数，对于同轴线：式中 r 为相对介电系数，D 为同轴线外导体内径，d 为内导体外径。反射系数、返回损失、驻波比 这三个参数采用了不同术语来描述匹配特性，人们希望传输线上只有入射电压, 没有反射电压, 这时线上各处电压一样高，只是相位不同，而实际上反射总是存在的, 这就需要定义一个参数。式中 ZL 为负载阻抗, Z0 为同轴线的特性阻抗。由于反射系数永远1, 而且在甚高频以上频段手边容易得到的校准装置为衰减器，所以有人用返回损失（回损)R.L.来描述反射系数的幅度特性，并且将负号扔掉。回损 R.L. = 20LogdB （1.4）有反射时, 线上电压即有起伏, 驻波比（S.W.R）是使用开槽测量线最易得到 的 一 个 参 数，比较直观。当 | | 1 时 ， = 1 + 2 （ 1.6）本 仪 器 三 种 读 数 皆 有 , 可 任 意 选 用 。阻 抗 圆 图如 A， B 两 个 规 格 的 天 线 ， 若 只 在 标 网 上 选 择 ， 肯 定 选 B 而 不 要 A， 而 在 矢 网 上 看 ， A比 B 有 潜 力 得 多 ， 加 个 电 容 就 比 B 好 了 。 这 种 情 况 是 大 量 存 在 的 ， 在 全 波 振 子 对 测 试 中就 是 这 种 情 况 。 因 此 ， 在 调 试 中 首 先 要 将 天 线 阻 抗 调 集 中 （ 在 圆 图 上 成 团 ） 。 举 例 来 看 ，反 射 网 与 振 子 高 度 调 节 就 有 这 种 情 况 ， 折 合 振 子 单 边 加 粗 也 有 这 种 情 况 ， 然 后 再 采 取 措施 （ 如 并 电 容 ， 串 电 感 ， 调 短 路 片 位 置 ， 改 平 衡 器 内 导 体 等 ） 使 其 匹 配 。 而 且 经 常 不 是使 中 频 处 于 圆 图 中 心 ， 而 是 使 整 个 频 带 处 于 中 心 某 一 小 圆 内 ， 即 牺 牲 一 下 中 频 性 能 ， 来换 取 总 带 宽 。阻 抗 圆 图 上 适 于 作 串 联 运 算 ， 若 要 作 并 联 运 算 时 ， 就 要 转 成 导 纳 ； 在 圆 图 上 这 非 常容 易 ， 某 一 点 的 反 对 称 点 即 其 导 纳 。 请 记 住 当 时 的 状 态 ， 作 阻 抗 运 算 时 图 上 即 阻 抗 ， 当要 找 某 点 的 导 纳 值 时 ， 可 由 该 点 的 矢 徑 转 180即 得 ； 此 时 圆 图 所 示 值 即 全 部 成 导 纳 。状 态 不 能 记 错 ， 否 则 出 错 。 记 住 ， 只 在 一 个 圆 图 上 转 阻 抗 与 导 纳 ， 千 万 不 要 再 引 入 一 个导 纳 圆 图 ， 那 除 了 把 你 弄 昏 外 ， 别 无 任 何 好 处 。 另 外 还 请 记 住 一 点 ， 不 管 它 是 负 载 端 还是 源 端 ， 只 要 我 们 向 里 面 看 ， 它 就 是 负 载 端 。 永 远 按 离 开 负 载 方 向 为 正 转 圆 图 ， 不 要 用源 端 作 参 考 ， 否 则 又 要 把 人 弄 昏 。 圆 图 作 为 输 入 阻 抗 特 性 的 表 征 ， 用 作 简 单 的 单 节 匹 配计 算 是 非 常 有 用 的 ， 非 常 直 观 ， 把 复 杂 的 运 算 用 简 单 的 形 象 表 现 出 来 ， 概 念 清 楚 。 但 对于 多 节 级 连 的 场 合 ， 还 是 编 程 由 计 算 机 优 化 来 得 方 便 。传 输 线 的 传 输 参 数 同 上 面 两 端 口 网 络 ， 不 再 重 复 。1.3 有关仪器的几个术语网 络 分 析 仪 能 测 单 或 两 端 口 网 络 的 各 种 参 数 的 仪 器 , 称 网 络 分 析 仪 。 只 能 测网 络 各 种 参 数 的 幅 值 特 性 者 称 为 标 量 网 络 分 析 仪 ， 简 称 标 网 。 既 能 测 幅 值 又 能 测 相 位 者称 为 矢 量 网 络 分 析 仪 ， 简 称 矢 网 ， 矢 网 能 用 史密斯圆图显示测试数据。连接电缆 一 根 两 端 装 有 连 接 器 的 射 频 电 缆 叫 连接电缆（也有称跳线的），反射特小的连接电缆称测试电缆。反射电桥 为了测得反射系数，需要一种带有方向性（或定向性）并保持相位信息的器件，如定向耦合器或反射电桥，本仪器采用的是反射电桥，它的输出正比于反射系数。其原理与惠司顿电桥完全相同，只不过结构尺寸改小适于高频连接，并且不再想法调平衡，而是直接取出误差电压而已。反射电桥一般只能测同轴线等单端馈线系统。差分电桥 能测双线馈线系统的反射电桥称差分电桥。谐 杂 波 抑 制 能 力 一 般 国 产 扫 频 源 的 谐 杂 波 在 20dB 左 右 ， 甚 至 杂 散 波 只 有 15dB， 进 口 扫 频 源 好 的 也 就 在 30dB 多一些，外差式接收机对谐杂波的抑制能力皆在40dB 以上，不会出现什么问题。而对于宽带检波低放的扫频仪与标网，不外接滤波器对寄生谐杂波是没有抑制能力的，有时就会出现下面几种问题：滤波器带外抑制会被测小，天线驻波会被测大，窄带天线增益会测低。动态范围 仪 器 设 置 到 测 插 损 ， 将 一 根 好 的 短 电 缆 的 一 头 接 到 输 出 口 ， 另 一 头 接到 与 屏 幕 显 示 相 对 应 的 输 入 口 上 ， 按 执 行 键 进 行 校 直 通 后 ， 拔 掉 电 缆 后 仪 器 显 示 的 数 值即 动 态 范 围 ， 应 70dB。对插损的广义理解隔离度 不该通而通了的插损称隔离度或防卫度。方向图 天线对一固定信号在不同方向的插损称方向图。2 传输线的测量2.1 同轴线缆的测量一测电缆回损1待测电缆末端接上阴负载（或阳负载加双阴），测其入端回损，应满足规定要求。假如是全频段测试的话，那一般是低端约在 3040 分贝左右，随着频率增高到 3GHz，一般只能在 20dB 左右。假如全频段能在 30dB 以上此电缆可作测试电缆，一般情况下尤其是3GHz 附近是很难作到 30dB 的，能作到 26dB 就不错了。2回损测试曲线呈现周期性起伏，而平均值单调上升，起伏周期满足F=150/L，式中L 为电缆的电长度（米），F 单位为 MHz，则此电缆属常规正常现象，主要反射来自两端连接器处的反射；若低端就不好，甚至低频差高频好，或起伏数少，则电缆本身质量不好。3回损测试曲线中某一频点回损明显低于左右频点呈一谐振峰状，此时出现了电缆谐振现象。只要不在使用频率内可以不去管它，这是电缆制造中周期性的偏差引起的周期性反射在某一频点下叠加的结果，我们只能先避开它。这种现象在 1998 年我们买的 SYV-50-3电缆中多次碰到，回损只有 1014dB，粗的电缆倒不常见此情况，用户只有自己保护自己，选择质量好的才买。4在测回损中出现超差现象时，可按下面提到时域故障定位检查加以确诊，以便采取相应措施。二测电缆插损（也称测衰减）1替代法在使用要求频段下，用插损档通过两个 10dB 衰减器用双阳校直通，校后用电缆代替双阳接入两衰减器之间即得插损曲线，此法为最常用的方法。2回损法测插损在仪器经过开短路校正后，接上待测电缆，测末端开路时的回损，回损除 2 即得插损，此法的优点在于不会出现插损为正的矛盾，特别适合于已架设好的长的粗馈管首尾相距较远的场合。3非正常情况 检测电缆时最好用全频段测试，插损由小到大应是一单调平滑曲线，并且插损在标准规定以内，小有起伏也不要紧，那是反射叠加引起的。但若有某一频点附近显著高于左右频点（插损增大）呈一下陷曲线状，说明此电缆有问题。多数是连接器外皮压接不良所造成，返工后重测。少数是电缆本身形成的，那么此电缆只能隔离待查，停止使用。连接器外皮显著接触不良，可用下面提到的电缆屏蔽性能检查方法加以确诊。三同 时 测 插 损 与 回 损 可 按 说 明 书 4.7 节 进 行 双 参 量 测 量 。双 参 量 测 量 精 度 不 如 单 参 量 高 ， 若 无 必 要 ， 以 采 用 单 参 量 为 宜 。四 同轴电缆电长度的测量1引言在射频范围内，经常采用同轴电缆对各个功能块、器件或振子单元进行连接（即馈电），除了要求插损小、匹配好之外，常常还对引入的相移提出要求。一般只要求相对相移，譬如同相天线阵或功率组合单位等。它们要求每根电缆一样长，而收发开关或阻抗变换场合则会提出长度为 /4 的要求，而 U 形环平衡器又会提出长度为 /2 的要求，这就出现了如何测电缆电长度的问题。在不加支持片的同轴线段中，同轴线段的机械长度（或几何长度）与电长度是一致的，在有支持片或充填介质的情况下两者是不同的，机械长度与电长度之比为波速比（也有称缩波系数，或缩短系数），一般在 0.66 到 1 之间，电长度显得长些，而实际机械长度显得短些。实际上要求的是电长度，矢网正好能测电长度。2测反射相位定电缆电长度当电缆末端开路时，在其输入端测其反射的相位是容易的，由于反射很强测试精度也较高。当然末端短路也是可行的，但不如开路时修剪长度来得方便，因此常在末端开路的情况下进行测试。、/4 电缆的获得仪器设定在要求的使用频率下点频工作，在测回损状态下校开路与短路。接上待测电缆（末端开路），若电缆正好为 /4 时，相位读数应在 1800附近。 若 180 0则说明电缆偏长，反之则偏短。此法也适于测 /4 奇数倍的电缆，致于是 3/4 还是 /4，点频下是分不清的。、/2 电缆的获得 同前（即在点频测回损状态下校开路与短路）。 接上待测电缆（末端开路），若正好为 /2 则测试相位值应在 00附近，若 在00以上（第一象限），则电缆偏短，若在 3600以下（第四象限），则偏长。此法也适于 /2 整倍数的电缆，至于是 还是 /2，在点频下是分不清的。、与参考电缆比相对长度同前（即在点频测回损状态下，校开路与短路）。接上参考电缆（也称标准电缆），记下相位读数 0。接上待测电缆，若读数 = 0则说明两电缆等长，不等则相差为 - 0，注意仪器相位为领先值，读数越大越领先， 大于 0则偏短，反之则偏长。、几点说明、两种，由于是在 /4 与 /2 特殊情况下进行的，与电缆特性阻抗无关，而第种测试精度与特性阻抗有关，只有相同特性阻抗的电缆比较才有意义，否则出错。在测试中有时会搞不清是长了还是短了，可以在末端或始端加一小段电缆（如保护接头）试试，若更离开理论值说明电缆长了，若更靠近理论值则说明电缆短了。还有一种方法，是用三个频率，即 f0f，扫频测试，若高频点接近理论值则电缆短了，若低频点接近理论值则电缆长了。由于反射法电波在电缆上走了两次（一个来回），所以读数与误差皆要除以 2。3测传输相移定电缆长度在行波状态下，电缆引入的相移即其电长度，这种作法一般更符合实际使用情况，但由于要求两端皆接上高频连接器，因此一般只适于验收，而不适于调整。下面介绍一下比较两根电缆的相对相移。在测插损状态下，经过连接电缆与两个 10dB 衰减器对接后校直通。在两个衰减器之间串入参考（标准）电缆，记下相位测试值 0。换接待测电缆，若测试值亦为 0则两者等长，若测试值为 ，- 0为正则短了，反之则长了。搞不清时，请参见上面几点说明中的第二点。4时域故障定位法测电缆电长度同轴电缆末端开路（或短路）测出的故障位置即电缆电长度,，此法可测电缆绝对电长度。按测回损法连接，并选时域状态。估计电缆电长度，将距离档选到合适距离，以避免模糊距离。按菜单键取出机内扫频方案后，进行开路与短路校正。接上待测电缆，进行测试，画面出现一峰点。将光标移到峰点附近后按菜