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Γ（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）=20Log│T│dB，一般为负值，但有时也不记负号，Φ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、S21、S12、S22。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Г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Γ，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εr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│ΓdB（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|Г|1时，ρ=1+2│Γ│（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30－40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10－14dB，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λ/4的要求，而U形环平衡器又会提出长度为λ/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。ⅰ、λ/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λ/4时，相位读数应在1800附近。若Φ1800则说明电缆偏长，反之则偏短。·此法也适于测λ/4奇数倍的电缆，致于是3λ/4还是λ/4，点频下是分不清的。ⅱ、λ/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λ/2则测试相位值应在00附近，若Φ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λ/2整倍数的电缆，至于是λ还是λ/2，在点频下是分不清的。ⅲ、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Φ0。·接上待测电缆，若读数Φ=Φ0则说明两电缆等长，不等则相差为Φ-Φ0，注意仪器相位为领先值，读数越大越领先，Φ大于Φ0则偏短，反之则偏长。ⅳ、几点说明·ⅰ、ⅱ两种，由于是在λ/4与λ/2特殊情况下进行的，与电缆特性阻抗无关，而第ⅲ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f0±Δf，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Φ0。·换接待测电缆，若测试值亦为Φ0则两者等长，若测试值为Φ，Φ-Φ0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单键,光标在《放大》下闪动,再按执行键画面将展开四倍后重画一次,并在方格下面显出dmax=×××等数值,此值即电缆电长度。五．同轴电