单端口微波网络S参数测量

1、单端口网络S参数测量系统摘 要：在一个网络或系统中，描述其特性的参数有很多，Z、Y、A参量是以端口归一化电压和电流来定义的，这些参量在微波频段很难准确测量。而S参量由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定义，容易测量，且具有直观的物理意义，故在微波网络中的应用较多。首先我们分析端口网络S参数，然后特殊化为单端口，考虑实际测量单端口网络S参量的方法，分析测量误差来源，并采用了一定的测试技术进行误差修正，得到了器件性能指标的精确测试结果。最终结合资料，分析近代微波测试技术的主要特点。关键词：S参数；扫频反射计；不确定度；定向耦合器；检波器一.散射参数首先以二端口网络为例，明确散射参数具体含义，如图

2、，设代表网络第端口的归一化入射波电压，代表端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压关系为a2a1双端口网络Z02Z01b2b1（其中，为第端口的参考阻抗）若为线性网络，与有线性关系，二端口网络可以写出 即：其中： （具体参数求解与定义可参见参考文献1宋铮、张建华、唐伟电磁场微波技术与天线中微波基础部分）二.系统基本原理网络分析仪是通过测定线性网络的反射参数和传输参数，获得该网络参数频域、时域特性等几乎所有网络特性的测量仪器， S 参数是其中最基本的特性参数。网络分析仪分为 2 类：(1)标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；(2)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。网络

3、分析仪测量S参数的精度是衡量其性能的重要标准。网络的S参数只有在完全匹配的系统中测量时,测量结果才是精确的。而在网络分析仪中,既使用了无源器件,又使用了有源器件,同时其内部的微带线并不是完全和其它连接点匹配,因此,其性能并不是完全理想的,这就要求必须对网络分析仪在测量过程中的误差进行分析,通过数学分析的方法把误差从实际测量中去掉,从而提高测量的精度。此外，驻波参量的测量需要不同的数据，经过运算后得出结论，而且不同频率的参量要经过逐点测量，这样不仅工作效率低，而且妨碍了测量工作的自动化。工业生产上大量的测量任务要求有一个简便的，最好是在整个频带内自动进行的快速测量方法，这就促进了“扫频技术”的发

4、展；而宽频带高方向性的定向耦合器的研制成功，为直接测量反射系数提供了可能。扫频反射计测量反射系数在本质上与调配反射计没有区别，但由于工作在扫频条件下，不能进行调配，故要求整个测量系统的原件都具有宽带特性。对于定向耦合器，为了得到尽量好的频率响应，要求其方向性尽可能的高。下面，我们先了解一种系统S参数测量的实现方法，再接着对其进行误差分析，尝试通过改进减小系统的误差，提高测量精度。三.系统S参数测量实现方法（一）扫频反射系数短路负载调试现阶段的驻波扫频测量调试大多采用网络分析仪, 但是对器件进行驻波扫频调试时, 特别是调试时间较长的情况下, 可以用扫频反射计, 所用设备为一台高方向性定向耦合器、

5、一台精密衰减器和一个标准失配负载或全反射短路负载; 在信号源的输出定标很准确的情况下, 可以不用精密衰减器调节衰减量, 改为直接调节信号源的输出电平, 设定出所需反射系数进行器件的反射系数调试, 此时所用设备少, 在实验室内很容易实现，对此时装置的不确定度进行了实验分析, 结果表明, 采用短路负载来设定反射系数效果会更好。反射系数是微波元器件以及整机的关键指标之一, 扫频测量常用网络分析仪; 但是, 网络分析仪是比较贵重的仪器L 为了节省使用贵重仪器的费用以及在没有网络分析仪的情况下也能进行器件调试, 通常会采用扫频信号源外加一台高方向性定向耦合器、一台精密衰减器和一个标准失配负载或全反射短路

6、负载设定出所需的反射系数进行器件的驻波调试; 在信号源的输出很准确的实现情况下, 可以省去精密衰减器, 衰减量调整改为调节信号源的信号输出电平，此时测试所用设备最少,测试方框图如图示波器检波器匹配负载标准失配负载转换开关信号源定向耦合器待测件经过实验与不确定度计算，可知不确定度主要来源于定向耦合器方向性非理想、转换开关的反射以及定向耦合器所接匹配负载的反射, 我们可以采用精心挑选高性能定向耦合器和波导转换开关, 或者在调试时不用转换开关等措施来减少不确定度。 另外, 根据分析结果, 最好采用短路全反射负载来设定所需的反射系数; 在有条件的情况下, 可以用网络分析仪对调试后的器件反射系数进行最后

7、检验。(具体过程可参见参考文献2 扫频反射系数调试的一种实现方法)（二）调配反射计设计测量单口网络的S参数1.现利用调配反射计设计原理，实现对单口网络的S参数测量 反射计测量系统的基本测量线路由微波信号源、反射计和待测负载三大部分组成。反射计由两只定向耦合器组成。设它为理想电路（源驻波比为1），且输出幅度不变；定向耦合器的断面无反射且方向性无穷大，并与晶体检测管和为理想匹配连接。主线上的入射波经入射耦合器取样，从端口送入检波器，设的出射波为；反射波经反射耦合器取样，从送入检波器，设的出射波为。两个相对的定向耦合器可以看为一个四端口网络设待测单端口网络反射系数模值为，即单端口网络的S参数模值，由

8、于理想情况下且，则： (1-1)两只检波器测出的信号幅度之比为： （1-2） 为比例常数。2.标准测量利用反射计测量之前，需要先进行校准求出的值。通常采用短路器作为标准。方法是：将短路器（）接到反射计的输出端，读得比值为，由式1-2求出常数当反射计的输出端接待测单端口网络时，读出，按公1-2求出待测单端口网络的反射系数 （1-3）比值法实际上是一种功率比法，是建立在晶体检波器是平方律检波器上的，因此源的输出功率不宜过大，此时有，则： （1-4）式中I为检波指示装置的指示值。理想的反射计，指示值与负载反射系数无关，即，于是上式变为： （1-5）它说明当信号源幅度不变时，入射耦合器可以去掉，只留下

9、反射耦合器。相当于终端短路时，其入射波被全部反射，由来表示线路中入射波的大小，而待测单口网络的反射系数由来表示。四.系统的误差分析网络分析仪在测量过程中主要包括以下几项误差1:(1)失配误差;(2)方向性误差;(3)频率响应误差;(4)泄漏误差;(5)噪声测量误差;(6)仪器误差;(7)校标测量误差;(8)同轴接头的不重复性误差。在上述各项误差源中,前四项属于系统误差,第五项属于随机误差,而最后三项属于固有误差。固有误差一般不便于采用数学分析进行修正,而随机误差可以通过多次测量取平均值的方法来减小。因此,主要对前四项系统误差进行校正,来提高测量精度。五.系统测量的误差分析及改进方法：定向耦合器

10、的合适选择以减小测量误差：由于实际中的定向耦合器的方向性不会是无限大的，这样中就有主线上的反射波成分，中就有主线上的入射波成分，信号源和检波器不在理想状态下，于是按上述计算就带来了误差。因此，在这些实际因素的影响下，将使与之间不再满足线性关系，而引入测量误差。可以证明，由方向性误差带来的最大相对误差为：式中,由此可见，有限的方向性的影响对测小反射系数更为明显。若想减小测量误差，需要采取一定的调配措施。如图所示，把两个定向耦合器合起来看做一个四端口网络。根据信号流图的不接触环法（两个互不接触的一阶环构成一个“二阶环”，二阶环之值等于两个互不接触环之值的乘积），可以把这个四端口网络分别看做两个“定

11、向耦合器检波装置”组合单元，左边为入射组合，右边为反射组合。 将入射组合单元信号流图化简为图3所示（K4为检波效率，为检波器反射系数，T为有效传输系数，C为有效耦合系数，CD为有效方向系数），则： （2-1）其中： 易推出式中：为与出射波成比例的电压幅度值。同理解得反射组单元表达式，并由不接触环法得： (2-1)其中 与（1-3）使比较可知，由于实际电路的非理想性，使待测反射系数并不与成比例关系。只有当两只定向耦合器的方向性无穷大（即），且所有反射系数均为零时，式(2-1)才变为： 与式（1-1）相同。由上述分析可知：由于定向耦合器的方向性有限和主臂反射参数的影响，使得与失去线性关系。为了使线

12、性关系保持，需要设法使B=C=0。从上看，信号源的失配不影响测量，但影响和指示度的大小和稳定度，所以实际中需要信号源的匹配。总之，设计时应选用耦合度适当、方向性尽可能高、主臂反射参数（、）尽可能小的定向耦合器，并选用匹配性能好的信号源和检波器。六.双端口网络特性测量： 扫频技术并不限于测量单口网络的反射系数，利用扫频法还可以测量多口网络的散射参数幅值。如果在两个定向耦合器之间插入一个待测的双口网络，并将反接的定向耦合器改为正接，终端接上匹配负载，由此可以求得双口网络的特性参数。七.近代微波测试技术的主要特点：（1）大跨度的宽频带测试功能和高频率稳定度；（2）为提高测量精确度和速度，要求测量仪器智能化，测量系统自动化；（3）研究信号源，特别是相位噪声的测量方法和理论；（4）微波电子设备小型化的要求激励了微波集成电路的发展，促使微波测量技术向微型测试、电光测量技术方向发展；（5）新型微波电子设备的研究，促进了微波材料的发展。需要研究对微波材料介质参