矢量网络分析仪基础知识和s参数测量

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。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。这里仅简单的（但不严格）带上一笔。S11与网络输出端接上匹配负载后的输入反射系数 相当。注意：它是网络的失配，不是负载的失配。负载不好测出的 ，要经过修正才能得到 S11 。S21与网络输出端匹配时的电压和输入端电压比值相当，对于无源网络即传输系数 T 或插损，对放大器即增益。 上述两项是最常用的。S12即网络输出端对输入端的影响，对不可逆器件常称隔离度。S22即由输出端向网络看的网络本身引入的反射系数。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。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. = 20Log dB （ 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 | |0.04），除了装配质量外，还有插头本身设计问题，一般市售连接器是不适于用到 3GHz 的。假如连接器是仔细设计，考虑了支持片的影响的，那么还有一个因素那就是电缆的特性阻抗可能不对，此时就应测测电缆特性阻抗。2作法样本与扫频方案 对于已装好连接器的跳线，长度已定，只能由长度定扫频方案而对于电缆原材料，则可以按要求频率确定下料长度。此时待测电缆一头装连接器即可。样本长度与扫频方案是相互有关的，可以点频测也可以扫频测，取值要取相位靠近 2700时的电抗值，此时电长度为 / 8、电抗值在j50 附近，如 4060 之间，否则不易得到可信数据。测试频率宜低些，以减少连接器，以及末端开短路的差异造成的误差。以 SFF-50 的电缆为例，取样本长 500mm，其电长度即为 700mm（乘 1.4 波速比），扫频方案可选 4656 MHz，F=2MHz 即可。仪器在测回损状态下，电桥输入端与输出端各串一只 10dB 衰减器。校过开短路后，接上待测电缆。记下待测电缆在末端开路与短路时的输入电抗值（不管电阻值），两者相乘后开方即得特性阻抗值。一般测试只选一点最靠近 2700的点（即 50）进行计算即可，要求高时，可在 5010 范围内选 5 点进行平均，这 5 点之间起伏不应大于 0.5，否则电缆质量不好。电缆两端测出的特性阻抗有可能是不相同的，说明该电缆一头特性阻抗高，一头低。要求高时，应对样本进行掉头测试，两端测出的特性阻抗不应相差 0.5.注意: 1：虽然所有 / 8 奇数倍的频点皆能进行测试，但只测了前面 / 8，后面 /4 及其倍数都是不参与的；它只提供了 0 点与点，这两点只与长度有关，而与 Z0无关。2：测 75 电缆时，请用 75 电桥，测试数据请乘 1.5 倍。3：有人采用测数百米长电缆的输入阻抗来代替测 Z0，这并非标准方法，实际上是对电缆提出了超标准的要求。除非电缆非常好，否则不易通过。七电缆屏蔽度检测也称漏泄检测，也有称防卫度检测，作法同阵面幅相检测。采用全频段扫频方案，测插损，用一根好的短电缆校直通；在输出端接上待测电缆，其末端接上阴负载或双阴加阳负载；将一个拾取环（见幅相检测），通过一段电缆接到输入端，当环远离待测电缆时读数应70dB；将环靠在电缆上滑动，若读数仍在 70dB 以上则电缆性能优秀，若读数在60dB 左右属良好，若读数在 40-50dB 就不太好，但勉强能用，若读数在 20-30dB 则肯定有了故障，一般出现在连接器处，必须重装，压紧后再测，连接器处不宜低于 50dB；连接器接地不良时，其时域波形表现为拖尾巴波形，而不是一个单纯的脉冲波形；以上讲的是带插头的电缆（常称跳线）的检测方法，只是一种查毛病的方法，并不作为验收的依据。2.2 PNA 用于测量 75 系统的补充说明PNA 本身是 50 系统测量仪器，在有 75 配套件的情况下，可在 30-1000MHz 频段内对 75 系统进行测量。1测回损 主 要 是 改 用 75 电 桥 ， 该 电 桥 输 入 输 出 端 口 仍 为 50 ， 故 仍然 可 用 原 配 电 缆 接 上 ， 而 电 桥 测 试 端 口 为 75，即能按原说明书所述方法对75 系统的反射特性进行测试。测阻抗或相位或者所测驻波较大时，请用 75 短路器加校短路。对电桥定向性有怀疑时，可用 75 负载验证，也可采用校零措施。改用 75 电桥测试 75 系统时所有驻波、回损、相移值都是对的，但阻抗值请注意还要乘 1.5 才对。2测插损 在仪器输出输入端各接一根 50 电缆，在电缆另一端各接一只50K/75 转换，并用 75 双阴将它们对接起来校直通，然后取出双阴串入待测件即可测出其插损与相移。示意图如下：3测增益 接法与测插损相似，但应加 30dB 衰减器后校直通，衰减器可以是50 的，也可以是 75 的，各自串入其相应位置，其作法与原说明书相同。4时域故障定位 除改用 75 电桥外其他与说明书全同，校短路请注意要用细芯子的 75 短路器。注意：由于 75 与 50 两者内导体差别较大，使用时应小心不要插错，粗的插入细的会损坏器件，细的插入粗的则接触不良甚至不通。5. 75 配套件清单2.3 多对双绞线电缆的测试在电脑网络连线中，用到了多对双绞线电缆，而且提出了技术要求，如何用常规单端（一线一地制，如同轴线）仪器进行测试呢？一 技术要求: 有关单位对于 5 类线（四对双绞线）的技术要求见下表（每对绕成双绞线的线又有多股与单股之分。相当线号为 24AWG26AWG）。注：在 执 行 5 类 线 标 准 验 收 时 ， 有 的 用 户 要 求 按 输 入 阻 抗 为 10015 来验 收 ， 其 理 由 为 既 然 有 特 性 阻 抗 为 10015 的 要 求 ， 而 现 在 线 很 长（ 300m） ， 因 此 只 测 其 输 入 阻 抗 来 代 替 前 两 项 要 求 。对 于 理 想 的 均 匀 线 ， 这 个 要 求 还 勉 强 说 得 过 去 ， 问 题 是 线 既 不 理 想 也 不 均匀 ， 这 个 要 求 就 超 出 了 标 准 范 围 ， 否 则 就 没 有 必 要 定 第 二 栏 的 要 求 。 对 于100MHz， 标 准 规 定 回 损 为 16dB， 假 如 按 输 入 阻 抗 要 求 则 为 23dB， 超 过 标准 7dB； 因 此 把 特 性 阻 抗 验 收 标 准 改 成 按 输 入 阻 抗 验 收 ， 是 不 符 合 标 准 的 作法 。 另 外 有 的 仪 器 有 |Z|坐 标 ， 这 是 一 种 电 路 参 数 而 不 是 传 输 线 参 数 ， 用|Z| 10015 来 要 求 传 输 线 的 输 入 阻 抗 ， 是 会 闹 笑 话 的 。 比 如 Zin=j100 ,是完 全 符 合 |Z| 10015 要 求 的 ， 而 对 于 传 输 线 而 言 却 是 全 反 射 ， 根 本 不 能用 。二测试方法 这儿只讨论用矢量网络分析仪来测试双绞线，不涉及市售电脑线专用测试设备。1直接用单端仪器测试 这是一种原则性的错误，因为平衡受到破坏，产生了共模电流，将导致衰减加大、窜扰严重。但有的地方仍然是这样作的，不妨试一试。2采用 PNA100 差分套件。 3将单端仪器测试口通过复用开关扩为八个，采用混合模式散射参量进行计算与校准，这是 ATN 公司的方法。下面将只采用 1、2 两种方法进行测试，是用 PNA3628 进行的，其频率范围为：1KHz 120MHz 。测试样本是一段 22.5 米的商品电缆。 三测试结果1特性阻抗 Z0 测试虽然 Z0 一般不是频率的函数，但仍测了三个频点，测时线长最好用测试频率的 /8，测其末端开、短路时的输入电抗，相乘开方后即得。测 试 频 率 MHz 1 10 62.5单端电桥测 97114 103.6107.7 100106差分电桥测 108113 103108 103108每个频率下有四个数据（四对线），两法测试结果差别不大，看来都可以用。四PNA100 差分套件1差分转换头 2差分电桥 它是一个由三个 100 无感电阻，与接在测试口上的待测电阻，组成的一个平衡电桥（惠士顿电桥）。由信号源来的单端信号，通过平衡器变成差分信号后，接到电桥的对角线两端。另一个对角线两端，再通过另一平衡器将误差信号变成单端信号后，送到仪器的接收输入端。即可直接得测得 100 双线系统的回损或驻波比，也可测试输入阻抗；但数值要乘 2，因为仪器为 50 系统。五 结束语直接用常规单端矢量网络分析仪测特性阻抗是可行的，测回损的误差则大了些，但似乎尚能勉强使用，测衰减则显著偏大，测窜扰则严重失实。采用 PNA100 差分套件后，矢量网络分析仪既可胜任各种双绞线的测试，也可进行时域故障定位测试。2.4 微带线的测试一微带线 Z0的测试 待测微带线的样本为一长度6cm 的一块微带线，按前述测 Z0方法，测此线在末端开路与短路时的输入电抗值（不管电阻值），两者相乘后开方即得特性阻抗 Z0值。二微带接头的测试 在一块 50 微带线的样本为一长度6cm 的微带线两端装上连接器，对此线进行时域故障检查，调节两端连接器与微带线的过渡尺寸，使得两端的时域反射0.03（越小越好），样本适当长些以便分清两端分别对待。时 域 测 试 与 频 域 测 试 互 相 对 照 , 有 利 于 对 被 测 线 作 出 更 合 理 的 裁 决 , 到 频 域 后 可 按 菜 单 键 再 选 时 域 返 回 。三双面复铜板介电常数的测试1低频测电容法、公式推导：由物理书可知 C=A 0 / t， 0=8.855210-12 法/米=8.855210 -12F/m 若 A=1010mm2，t=1，则 C=0.8855P，即 1 平方公分的两个板间距为1mm 时的电容约 0.9P，而 1mm 见方的面积两板间距为 1mm 即 1mm 电容=0.008855P，有介质后 C= rC r=112.9Ct/A （2.1）、作法：用一只能分辨 1P 电容的三用表进行测试，如一块 6273mm2 的复铜板，测得 C 为 114P，而 t 扣除铜箔厚度后为 0.96，则 r=112.91140.96/（62 73）=2.672.5 PNA 用于测波导系统PNA 常用于测同轴线系统,测波导系统时，应针对手头器件情况进行相应的变动。一测波导器件的插损与相移按菜单键，设定扫频方案并按执行键选定之。将两只同轴变波导（cg）经两只波导隔离器对接起来, 入（左）端接到仪器输出端，出（右）端接到仪器输入 A（或 B）端，校直通。插 损 量 程 有 四 档 , 可 按 键 来 选 择 , 最 小 一 档 为 0-2.5dB, 最 大 可测 80dB。 测 移 相 器 相 移 与 插 损 时 , 可 按 菜 单 键 ， 选 相 损 档 ， 画 面 将随 键 反 复 出 现 四 种 坐 标 :1 相 位 量 程 为 180（ 每 格 72） ， 插 损 量 程 为 +1 -4dB。2 插 损 仍 为 +1 -4dB， 相 位 在 光 标 点 的 附 近 平 移 展 开 （ 每 格 5)。3 相 位 按 180（ 每 格 72)， 插 损 量 程 改 为 +5 -20dB。4 插 损 仍 按 +5 -20dB， 相 位 在 光 标 点 的 附 近 平 移 展 开 （ 每 格 5)。一 用同轴反射电桥测波导器件（或系统）的反射特性1 常规扫频测试 （如图 2.16）将反射电桥（RB）接到同轴变波导上, 并用一块短路板将波导口短路（封上）后，按执行键进行校：开路项目。假如同轴变波导的失配很小时, 可直接连上待测件进行测试。由于波导口开路并非全反射, 因此波导系统测试中一般只好用校短路来代替校开路, 这样作对测驻波比（回损）无妨, 闪点参数所显驻波比（回损）数字有效。用短路代开路后相位差了 180, 因此再用阻抗圆图来看时, 就成了导纳圆图。此时用圆图只宜用来看相位与看曲线集中情况及趋势等, 而闪点参数所显相位数值需改正负号（即差180), R 与 X 是不太好用的（一定要用的话，可将 R+jX 用 50 除后取倒数，即得归一后的相对导纳 g +jb） 。用矢量便于对器件进行匹配。2点频计量测试法A/4 法 在上面提到的测试方法中，由于同轴变波导的失配不知道，必然带来误差，这种误差在点频上可用 /4 法分离。对于波导系统则用 g/4 。以点频 2450MHz 为例，对于 BJ-26， g=173.36, 准备一段长度为 g/4=43.340.1 的短波导即可。做法如下：测件的反射）。以纸中心为原点，由同一原点、按同一比例在纸上画出 0与 1的矢量图，连接 0与 1的端点 a 与 b，找 ab 连线的中点 m，则 om = cg ，ma = dut 。通过这种测试，准确度大大提高，搞清了问题所在，可用低档设备作出高档产品。其实这种测试的另一目的在于，找出一个好的负载与一个好的同轴变波导以便进行扫频测试。B单线法（单波导法）此法实际上是 /4 法的一种变通或推广，假如手头有的短波导不是 g/4，或者想校更多的频点的话，不妨试试此法。按测回损进行连接，在同轴反射电桥上作开路与短路校正。这是因为短波导不是 g/4 而且还要扫频测试，只能在同轴反射电桥上作开路与短路校正。反射电桥接到同轴变波导，并在波导口接上待测件（同图 2.17），记下 0测试值（或打印出反射数据）。在同轴变波导口与待测件之间，接入一短波导（电长度 约 90，或30到 150之间，不宜靠近 180)，记下 1测试值（或打印出反射数据）。见图 2.19。同上，画出 0与 1的矢量图，连接 0与 1的端点 a 与 b，找 ab 连线的中点，过中点作 ab 中垂线，在中垂线上找出一点 m，使得amb = 2（ 可由实际波导长度算出，2180时，m 点在矢量三角形外）。则 om = cg ，ma = dut ,误差已得到分离。此法虽然能扫频测试，但修正还得一点一点的进行。参见图 2.21。一般使用时，带宽并不宽，即使按 g/4 法进行扫频测试，精度也是够好的。C双线法（双波导法）假如有两段长度约 g/6 的短波导，即可采用此法。同 B 中第一点，按测回损进行连接，在同轴反射电桥上作开路与短路校正。这是因为短波导不是 g/4 而且还要扫频测试，只能在同轴反射电桥上作开路与短路校正。反射电桥接到同轴变波导，并在波导口接上待测件，记下 0测试值（或打印出反射数据）。接法见图 2.17。ba2o在同轴变波导口与待测件之间，接入一短波导（电长度 约 60，或30到 90之间），记下 1测试值（或打印出反射数据）。接法见图2.19。在同轴变波导口与待测件之间，再接入一短波导（电长度 约 60，或 30到90之间） ，D调配反射计法（滑动负载法）滑动负载在波导中是很容易实现的，有了它，虽可以测三次定一圆（见上双线法）解出 cg，但通常多采用调配反射计法。这是一种典型的点频计量方法。按测回损进行连接，在同轴反射电桥上作开路与短路校正，再将反射电桥接到同轴变波导上。在同轴变波导口接上一只四螺钉匹配器，后面再接上一只滑动负载。反复调节四螺钉匹配器，使得拉动滑动负载时反射系数的幅值不变（即回损不变或驻波比不变，并不要求为零） ，此时即可认为反射计已完成调配（误差0） 。用调配后的反射计测试出的 值，即可认为是真值。3提高扫频测试准确度的校零法介绍计量方法的目的，除可以进行精密测试外，还有一个目的就是要通过测试找到一只好的波导负载（驻波比1.02）作标准负载，与一只好的同轴变波导（驻波比1.1） 。coa bmdutcg假如有了一只标准负载, 而且接到上述同轴变波导后所测驻波比1.13（回损-24dB） ，则可以按菜单键选校零项并执行之，从而使得测试设备的精度与校零用的负载相当（即测试系统的剩余驻波比1.02） 。但若没有好的负载, 或者接上负载后驻波1.13, 则不能校零, 否则反而出错。最好用 g/4 短路波导作开路标准，扫频进行开路校正。虽然扫频作开路校正只有一点严格有效，但常规窄带应用是可行的。三 采用波导定向耦合器测试1常规扫频测试将仪器输出端经同轴变波导接到定向耦合器的主路输入端, 付路反射输出接到仪器输入(A 或 B), 在主路输出口用短路板封上后校开路。2点频计量测试法采用波导定向耦合器测试后，也能采用点频计量测试法，作法同上(见二、中 2、各项) 。3提高扫频测试准确度的校零法采用波导定向耦合器测试后，也能采用提高扫频测试准确度的校零法，作法同上（见二、中 3、 ） 。最好用 g/4 短路波导作开路标准，扫频进行开路校正；虽然扫频作开路校正只有一点严格有效，但常规窄带应用是可行的。四采用魔 T1常规扫频测试将仪器输出通过同轴变波导接到魔 T 的和支路, 将差支路通过同轴变波导接到仪器输入（A 或 B） ，将标准波导负载接到魔 T 的一路, 另一路用短路板封上后校开路。拆下短路板接上待测件即可进行驻波比测试。2点频计量测试法采用魔 T 测试后，也能采用点频计量测试法，作法同上(见二、中 2、各项) 。3提高扫频测试准确度的校零法采用魔 T 测试后，也能采用提高扫频测试准确度的校零法，作法同上（见二、中 3、 ） 。最好用 g/4 短路波导作开路标准，扫频进行开路校正；虽然扫频作开路校正只有一点严格有效，但常规窄带应用是可行的。3 常用器件的测试3.1 电感（分立元件）一标称值的测试标称值一般用 LCR 仪器进行测试，也可用 PNA 进行测试。1用 PNA3628，按测回损连接；2扫频方案设为 0.1590MHz 点频；3在电桥测试口上校开路与短路；4在测试口插上待测件即可测出其 R 与 X 值，R 用于优值 Q 的计算，由 X 即可算出电感 L 值。X = jL = j2fL = jL（H），因此 |X|= |L|H，如