装备部--射频技术交流--测试系列之四十四(S参数原理与测量2).doc

S参数原理与测量

任意射频/微波元器件或电路都可以等效成一个网络，可用散射参数即S参数来表征其特性。对于网络测试来说，最多的就是测试S参数。根据S参数的不同含义，分别对应器件的各种指标。微波元器件的插损、衰减、隔离度、方向性、相移、群延时、驻波比、反射系数等参数均可由S参数导出，因此精确、快速测量S参数在微波网络测量中具有重要意义，用于测量网络S参数的仪器称为网络分析仪。只能测试S参数幅度是标量网络分析仪。既可测试S参数幅度又可测试相位的是矢量网络分析仪。
高频网络分析以网络的反射系数和传输系数为分析基础。不论是传输参数还是反射参数，其变化幅度均比较大，要求测试仪器有较大的动态范围，而且频段也较宽。如果采用直接测量的方法，比如移相器，不可能有如此宽频段。随着超外差变频技术的发展，网络分析仪采用变频测量的方法，将射频信号通过混频器变为中频甚至低频测量。由于混频器幅度和相位的信息是恒定，在测量计算时可以除去其影响。所以，目前常见的网络分析仪均能在一定频率范围内对射频/微波元器件、部件及整机系统进行连续的插入损耗（或增益）、反射损耗（或驻波比）的扫频测量。
由于计算机技术的引入，自动网络分析仪应运而生。在计算机操纵下自动地变换频率，选择测试参量，并根据校准过程中存储下来的系统误差数据对测量未知参量所含的误差进行修正，进行必要的数据处理，给出最后测量所需的结果。由于自动网络分析仪只对若干采样点进行测量，如果需要我们关心的频点落在网络分析仪的两个采样点之间，一般采用迭代计算的方法完成测量。迭代运算中涉及到误差修正，计算量非常大，需要用运算能力很强的计算机完成；同时自动网络分析仪采用了相当复杂的变频技术，使得其成本相当高，是一种比较昂贵而精密的测试仪器。
时域自动网络分析仪则是网络分析仪的另一个发展方向。目前已定型的超外差自动网络分析仪设备复杂而昂贵。由于一些超高速脉冲信号源及采样示波器的研制得到突破，时域自动网络分析仪的研制就提到日程上来了。时域自动网络分析仪基本原理是：用一串高速数字脉冲作为信号源输入，用示波器捕捉输出信号或者反射信号；对测得各数字信号做快速傅里叶变换(FFT)和一系列解算，可得到S参数。即：
S21=F(vi(t))/F(vo(t)) 和 S11=F(vr(t))/F(vi(t))。
网络分析仪构成
网络分析仪包括： HP8712C、HP8713C、HP8714C/ET、HP8753D/E 以及安立公司的S331A无线分析仪。其中HP8712/13C频率范围为300K Hz ~ 1.3G Hz，HP8714C/ET频率范围为300K Hz ~ 3G Hz，而HP8753E频率范围可达30K Hz ~ 6G Hz。
为了用好网络分析仪，需要对网络分析仪的构成有比较清楚地了解。下面以公司有的HP8753D为例，简要介绍射频矢量网络分析仪的构成。
HP8753D能覆盖达 6G Hz的频率范围，并提供达 110 dB的动态范围。频率和功率扫描允许用幅度和相位信息、绝对功率、增益压缩、群延时和时域测量来全面表征有源器件和无源器件的线性与非线性性能。HP8753D只需一次连接就能测出双端口器件的四个 S参数，并可将四个参数同时显示。经精确校准后，HP8753D拥有极高的测量精度。同时还有较快的测量和数据传递速度。
HP8753D主要包含综合信号源、S参数测试桥、接收机、显示器四个部分。其外形如下图：

1 射频矢量网络分析仪HP8753D外形
HP8753D的基本系统构成如下图：

2 网络分析仪HP8753D基本系统构成
信号源提供入射信号，测试器件的频率响应通过信号源扫频而确定。HP8753D的综合信号源可以产生3K－3GHz的扫频信号，加一个006选件可以扩展到6GHz。输出功率采用自动电平控制方式。为了保证频率精度和达到相位测量的目的，分析仪采用一个高稳晶振锁相。综合源输出信号通过S参数测试桥分出一路作为参考源，即图4的R。接收机鉴相器通过比较参考源的频率输出一个反馈电压到综合源。在S参数测试桥内有一个步进衰减器，控制输出到被测件上的信号电平，同时不影响参考源的输出功率。参考源R通过面板跳线连到接收机。
S参数测试桥包含 6 dB宽带定向耦合器、3dB功分器、射频开关，完成反射信号和传输信号的采样。 功分器主要用于对入射或传输信号进行取样，输入信号被两臂等分，一路输出加到基准检测器，另一路输出通过DUT后进入传输检测器。 定向耦合器放置在信号源和DUT之间，用于入射波与反射波的隔离。 S参数测试桥将反射信号和传输信号通过A、B通道送入接收机。通过对射频开关的控制，网络分析仪可以同时测试前向通道和反向通道，无需更换测试端口。
接收机对R、A、B进行混频或者直接采样变换到中频上，并对中频信号AD采样，进行数字处理。此后进一步的数字信号处理都在分析仪微处理器控制下进行。S参数的幅度和相位测试均在数字部分完成。接收机里有微处理器和内部存储器，根据校准数据对原始数据进行处理，然后将修正后的数据显示在屏幕上。处理流程如下图：

3 网络分析仪HP8753D的数字信号处理流程
ADC同时对R、A、B、AUX IN采样。如果是高频信号，则要进行变频。数字滤波器采用离散Fourier变换，带宽根据测试精度进行调整。数字滤波器输出的是复数，表示信号的幅度和相位。由于滤波器输出的是绝对信号，而网络分析仪需要输出是相对信号，即在除法器内完成A/R或者B/R。由于AD采样不可避免引入误差，故需要对信号进行幅度和相位的修正。为了提高测试精度，需要对测量数据进行多次平均。然后将校准时得到的误差系数引入并计算，完成对数据的系统误差修正。
时域门有010选件使用。延时在有延迟线时使用。S参数变换器可以输出Z、Y参数。时域变换针对时域测试。由于S参数可以多种方式显示，幅度、相位、实数、虚数、Smith圆图等等。根据仪器所需要的格式输出。平滑是偶然噪声消除的另一种手段，与频谱仪中的视频滤波器类似。显示出的每一个点都是周围若干个点平均的效果，平滑窗口决定平均范围的大小。再加上光标定位和显示基准线等处理后，最终结果被送到显示器显示；并通过HP GPIB口传递到计算机，也可将数据由HP8753D内置的软驱(其格式和IBM兼容机软驱一致)存储到3.5英寸软盘上。