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                      S參數的意義及矢網實操測量方法

                      2021-01-14 來源:微波射頻網作者:Jimmy 我要評論(0) 字號:

                      1、S參數的定義和意義

                      S參數(Scattering Parameters,散射參數)是一個表征器件在射頻信號激勵下的電氣行為的工具,它以輸入信號、輸出信號為元素的矩陣來表現DUT的“傳輸”和“散射”效應,輸入、輸出信號是可測量的物理量,測量到的物理量的大小反應出DUT對不同的輸入信號具有不同的響應,這種不同的響應程度就可以用來描述DUT的特性,而且這種表征方法可以作為非常精確的矢量模型用于建模。此處的DUT就包括很多無源器件如電纜、連接器、濾波器,有源器件包括放大器和混頻器等,因此都可以用S參數來表征。

                      S參數是在射頻中用來描述器件特性的參數,S參數將電磁場中相關的特性轉換為網絡的概念,讓讀者可以很形象地理解電路中增益、回波損耗、穩定性、隔離度、網絡匹配等概念,將電磁場中一些電氣特性具體化為數字,提供了極大的方便。

                      2、S參數的測量方法

                      2.1 S參數的測量原理

                      測量2端口DUT的S參數需要使用2端口及以上矢量網絡分析儀;

                      圖2.1 S參數測量硬件框體

                      圖2.2 2端口矢量網絡分析儀簡要結構

                      Sout-in:
                      out =analyzer port number where the device signal output is measured (receiver)
                      in =analyzer port number where the signal is applied (incident) to the device (source)

                      S11測量原理:

                      當矢網Source1-OUT1輸出信號經過reference接收機R1輸出到DUT port1,接收機A接收DUT port1反射回來的功率,測量比值被稱為回波損耗,S11=20log(a/r1),單位dB。

                      圖2.3 S11的信號傳輸路徑

                      S21測量原理:

                      當矢網Source1-OUT1輸出信號經過reference接收機R1輸出到DUT port1,接收機B接收DUT port2輸出的功率,測量比值被稱為正向傳輸,S21=20log(b/r1),單位dB。

                      圖2.4 S21的信號傳輸路徑

                      S12測量原理:

                      當矢網Source1-OUT2輸出信號經過reference接收機R2輸出到DUT port2,接收機A接收DUT port1輸出的功率,測量比值被稱為反向隔離,S12=20log(a/r2),單位dB。

                      圖2.5 S12的信號傳輸路徑

                      S22測量原理:

                      當矢網Source1-OUT2輸出信號經過reference接收機R2輸出到DUT port2,接收機B接收DUT port2反射回來的功率,測量比值被稱為回波損耗,S11=20log(b/r2),單位dB。

                      圖2.6 S22的信號傳輸路徑

                      2.2 如何用矢量網絡分析儀測量S參數

                      本例以一個20dB寬帶衰減器作為DUT,講解如何使用網絡分析儀進行詳細測試。

                      2.2.1 了解被測件大概指標

                      首先需要了解清楚被測件的大概指標,結合被測件的指標和儀器的動態范圍,在DUT可接受的頻率和功率范圍內,盡量使用儀器動態范圍內最高輸出功率和較大接收電平來進行測試,即輸入到DUT的功率盡量大,在保證不破壞接收機的情況,進入儀器接收機的功率盡量大;這樣得到的S參數跡線噪聲和抖動才會更小,測量結果才更精確。

                      2.2.2 測量配置

                      本例以一個20dB寬帶衰減器作為DUT,該衰減器可承受CW功率為2w @ 10G;

                      考慮到衰減值比較大衰減器駐波較好,為了增加反射回矢網接收機A和傳輸到接收機B的絕對功率,將矢網port1、port2端口功率均設為0dBm(同時考慮到本例使用的電子校準件線性區在5dBm以下);預估衰減器回波損耗大概-30dB,那么反射回A接收機的絕對功率大概為-30dBm,在接收機的線性動態范圍內;預估衰減器的衰減值大概-20dB,傳輸到接收機B的功率大概為-20dBm,在接收機的線性動態范圍內;下面開始設置矢網:

                      1)、preset回到初始化界面,此時矢網會默認打開Channel1,并將Channel默認設為Standard Measurement Class。

                      2)、 在當前window新建3個Window,分別添加S21、S12、S22 3條trace,雖然這4條Trace分布在4個Window,但屬于同一個Channel,也即這4條Trace的硬件配置是同一個。

                      3)、為了使測量曲線更加平滑,Start Freq設為10M,Stop Freq設為10G,Step Freq 10M,點數越多,數據繪出來的曲線越連貫。

                      4)、設置power,打開Port Powers Coupled,同時設置port1、port2輸出功率為0dBm。

                      5)、每條Trace打開3個Marker方便讀出具體數據,打開All Marker Coupled,對于這個衰減器更關心低中高三個頻點的插損,因此分別設置10M、5G、10G;

                      2.2.3 校準

                      校準過程使用誤差模型消除多個系統誤差。通過測量高精度的SOLT校準件,矢網可以算出誤差模型中的12個誤差項。校準的準確性取決于標準校準件的質量以及校準套件定義kit文件中對校準件標定的寄生參數模型的準確性;這里使用電子校準件校準,校準件寄生參數都固化在校準件內存中,即插即用。

                      S參數校準操作流程如下

                      插上電子校準件USB,call當前s參數通道校準,將射頻線纜分別連接到電子校準件兩端,只需要一次連接即可將SOLT全部測量完成,再由矢網計算出各項誤差,將矢網端口延伸到射頻電纜端面,校準即完成,save call set。

                      2.2.4 準確測量

                      校準完后,可接上一個良好的直通件,觀察各4項s參數幅度和相位是否準確,是否比較好的集中在smith圓圖50ohm處,如果有異常說明校準有較大的誤差需檢查測試環境后再次校準,直到驗證通過后方可對DUT進行準確測量。

                      圖2.7 20dB衰減器測量截圖

                      2.2.5 保存數據

                      確認數據無誤后,按指定要求保存數據,完成測試。

                      3、總結

                      1)、測試數據的高度準確性應該作為測試工程師一生追求的目標,數據作為評估DUT性能的重要依據,測試數據準確性與項目生存緊密相關。

                      2)、所有微波射頻系統中需要緊固的點都需要用標準0.9NM扭矩扳手進行正確緊固,以保證系統的穩定性和再現性。

                      3)、注意保護儀器各個端口,注意保護校準件不被大功率損壞,注意保護DUT。

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                      主題閱讀: S參數  矢量網絡分析儀
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