S參數(shù)定義、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)知識和S參數(shù)測量.doc

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S參數(shù)定義、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)知識及S參數(shù)測量 1 基本知識1.1 射頻網(wǎng)絡(luò) 這里所指的網(wǎng)絡(luò)是指一個盒子，不管大小如何，中間裝的什么，我們并不一定知道，它只要是對外接有一個同軸連接器，我們就稱其為單端口網(wǎng)絡(luò)，它上面若裝有兩個同軸連接器則稱為兩端口網(wǎng)絡(luò)。注意：這兒的網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)并不是一回事，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是比較復(fù)雜的多端（口）網(wǎng)絡(luò)，這兒主要是指各種各樣簡單的射頻器件（射頻網(wǎng)絡(luò)），而不是互連成網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。 1單端口網(wǎng)絡(luò) 習(xí)慣上又叫負(fù)載ZL。因為只有一個口，總是接在最后又稱終端負(fù)載。最常見的有負(fù)載、短路器等，復(fù)雜一點的有滑動負(fù)載、滑動短路器等。 單端口網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù) 通常用阻抗或?qū)Ъ{表示，在射頻范疇用反射系數(shù)（回?fù)p、駐波比、S11）更方便些。 2兩端口網(wǎng)絡(luò) 最常見、最簡單的兩端口網(wǎng)絡(luò)就是一根兩端裝有連接器的射頻電纜。 匹配特性 兩端口網(wǎng)絡(luò)一端接精密負(fù)載（標(biāo)阻）后，在另一端測得的反射系數(shù)，可用來表征匹配特性。 傳輸系數(shù)與插損 對于一個兩端口網(wǎng)絡(luò)除匹配特性（反射系數(shù)）外, 還有一個傳輸特性，即經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)與不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的電壓之比叫作傳輸系數(shù)T。插損（IL） = 20LogTdB ，一般為負(fù)值，但有時也不記負(fù)號，即相移。V2 兩端口的四個散射參量測量 兩端口網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)，一般用上述的插損與回?fù)p已足，但對考究的場合會用到散射參量。兩端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量有4個，即S11、S21、S12、S22。S參數(shù)的基本定義：S11： 端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)及輸入駐波，描述器件輸入端的匹配情況，S11=a2/a1;也可用輸入回波損耗RL=-2Olg()（能量方面的反應(yīng)）表示。S22：端口1匹配時，端口2輸出駐波，描述器件輸出端的匹配情況，S22=b2/b1。S21：增益或插損，描述信號經(jīng)過器件后被放大的倍數(shù)或者衰減量。S21=b1/a1. 對于無源網(wǎng)絡(luò)即傳輸系數(shù)T或插損，對放大器即增益。S12：反向隔離度，描述器件輸出端的信號對輸入端的影響，S12=a2/b2。特點：1、 對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12S212、 對于對稱網(wǎng)絡(luò)有S11S223、 對于無耗網(wǎng)絡(luò)，有S11*S11+S21*S211，即網(wǎng)絡(luò)不消耗任何能量，從端口1輸入的能量不是被反射回端口1就是傳輸?shù)蕉丝?上4、 在高速電路設(shè)計中用到的微帶線或帶狀線，都有參考平面，為不對稱結(jié)構(gòu)（但平行雙導(dǎo)線就是對稱結(jié)構(gòu)），所以S11不等于S22，但滿足互易條件，總是有S12S21。假設(shè)Port1為信號輸入端口，Port2為信號輸出端口，則我們關(guān)心的S參數(shù)有兩個：S11和S21，S11表示回波損耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，這個值越小越好，一般建議S110.7，即3dB。如果網(wǎng)絡(luò)是無耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S210.7的要求，但通常的傳輸線是有耗的，尤其在GHz以上，損耗很顯著，即使在Port1上沒有反射，經(jīng)過長距離的傳輸線后，S21的值就會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達(dá)目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。中高檔矢網(wǎng)可以交替或同時顯示經(jīng)過全端口校正的四個參數(shù)，普及型矢網(wǎng)不具備這種能力，只有插頭重新連接才能測得4個參數(shù)，而且沒有作全端口校正。反射系數(shù)、回波損耗、電壓駐波比回波損耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, RL=-S11=-20lg()，為dB數(shù)值反射系數(shù)(): 反射電壓/入射電壓, 為標(biāo)量=反射波振幅/入射波振幅=(傳輸線特性阻抗-負(fù)載阻抗)/(傳輸線特性阻抗+負(fù)載阻抗)，即=|（ZL-Zo）/（ZL+Zo）的絕對值 電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹電壓/波節(jié)電壓，VSWR=電壓最大值/電壓最小值=Umax/Umin= (1+反射系數(shù)模值)/(1-反射系數(shù)模值）=(1+)/(1-)行波系數(shù)：K=電壓最小值/電壓最大值=Umin/Umax=(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)反射系數(shù)、回波損耗、駐波比對照表(RL單位是dB,實際值是負(fù)值)實際要求的參數(shù)基本網(wǎng)絡(luò)基數(shù)： 1.2 傳輸線 傳輸射頻信號的線纜泛稱傳輸線。常用的有兩種：雙線與同軸線，頻率更高則會用到微帶線與波導(dǎo)，雖然結(jié)構(gòu)不同，用途各異，但其基本特性都可由傳輸線公式所表征。 特性阻抗Z0 它是一種由結(jié)構(gòu)尺寸決定的電參數(shù)，對于同軸線：式中r為相對介電系數(shù)，D為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。 反射系數(shù)、返回?fù)p失、駐波比 這三個參數(shù)采用了不同術(shù)語來描述匹配特性，人們希望傳輸線上只有入射電壓, 沒有反射電壓, 這時線上各處電壓一樣高，只是相位不同，而實際上反射總是存在的, 這就需要定義一個參數(shù)。式中ZL為負(fù)載阻抗, Z0為同軸線的特性阻抗。由于反射系數(shù)永遠(yuǎn)1, 而且在甚高頻以上頻段手邊容易得到的校準(zhǔn)裝置為衰減器，所以有人用返回?fù)p失（回?fù)p)R.L.來描述反射系數(shù)的幅度特性，并且將負(fù)號扔掉?；?fù)p R.L. = 20LogdB （1.4） 有反射時, 線上電壓即有起伏, 駐波比（S.W.R）是使用開槽測量線最易得到的一個參數(shù)，比較直觀。 當(dāng)| 1時，= 1 + 2 （1.6）本儀器三種讀數(shù)皆有, 可任意選用。阻抗圓圖 如A，B兩個規(guī)格的天線，若只在標(biāo)網(wǎng)上選擇，肯定選B而不要A，而在矢網(wǎng)上看，A比B有潛力得多，加個電容就比B好了。這種情況是大量存在的，在全波振子對測試中就是這種情況。因此，在調(diào)試中首先要將天線阻抗調(diào)集中（在圓圖上成團(tuán)）。舉例來看，反射網(wǎng)與振子高度調(diào)節(jié)就有這種情況，折合振子單邊加粗也有這種情況，然后再采取措施（如并電容，串電感，調(diào)短路片位置，改平衡器內(nèi)導(dǎo)體等）使其匹配。而且經(jīng)常不是使中頻處于圓圖中心，而是使整個頻帶處于中心某一小圓內(nèi)，即犧牲一下中頻性能，來換取總帶寬。阻抗圓圖上適于作串聯(lián)運算，若要作并聯(lián)運算時，就要轉(zhuǎn)成導(dǎo)納；在圓圖上這非常容易，某一點的反對稱點即其導(dǎo)納。請記住當(dāng)時的狀態(tài)，作阻抗運算時圖上即阻抗，當(dāng)要找某點的導(dǎo)納值時，可由該點的矢徑轉(zhuǎn)180即得；此時圓圖所示值即全部成導(dǎo)納。狀態(tài)不能記錯，否則出錯。記住，只在一個圓圖上轉(zhuǎn)阻抗與導(dǎo)納，千萬不要再引入一個導(dǎo)納圓圖，那除了把你弄昏外，別無任何好處。另外還請記住一點，不管它是負(fù)載端還是源端，只要我們向里面看，它就是負(fù)載端。永遠(yuǎn)按離開負(fù)載方向為正轉(zhuǎn)圓圖，不要用源端作參考，否則又要把人弄昏。圓圖作為輸入阻抗特性的表征，用作簡單的單節(jié)匹配計算是非常有用的，非常直觀，把復(fù)雜的運算用簡單的形象表現(xiàn)出來，概念清楚。但對于多節(jié)級連的場合，還是編程由計算機(jī)優(yōu)化來得方便。傳輸線的傳輸參數(shù)同上面兩端口網(wǎng)絡(luò)，不再重復(fù)。1.3 有關(guān)儀器的幾個術(shù)語 網(wǎng)絡(luò)分析儀能測單或兩端口網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)的儀器, 稱網(wǎng)絡(luò)分析儀。只能測網(wǎng)絡(luò)各種參數(shù)的幅值特性者稱為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，簡稱標(biāo)網(wǎng)。既能測幅值又能測相位者稱為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，簡稱矢網(wǎng)，矢網(wǎng)能用史密斯圓圖顯示測試數(shù)據(jù)。連接電纜一根兩端裝有連接器的射頻電纜叫連接電纜（也有稱跳線的），反射特小的連接電纜稱測試電纜。反射電橋 為了測得反射系數(shù)，需要一種帶有方向性（或定向性）并保持相位信息的器件，如定向耦合器或反射電橋，本儀器采用的是反射電橋，它的輸出正比于反射系數(shù)。其原理與惠司頓電橋完全相同，只不過結(jié)構(gòu)尺寸改小適于高頻連接，并且不再想法調(diào)平衡，而是直接取出誤差電壓而已。反射電橋一般只能測同軸線等單端饋線系統(tǒng)。差分電橋 能測雙線饋線系統(tǒng)的反射電橋稱差分電橋。諧雜波抑制能力 一般國產(chǎn)掃頻源的諧雜波在20dB左右，甚至雜散波只有15dB，進(jìn)口掃頻源好的也就在30dB多一些，外差式接收機(jī)對諧雜波的抑制能力皆在40dB以上，不會出現(xiàn)什么問題。而對于寬帶檢波低放的掃頻儀與標(biāo)網(wǎng)，不外接濾波器對寄生諧雜波是沒有抑制能力的，有時就會出現(xiàn)下面幾種問題：濾波器帶外抑制會被測小，天線駐波會被測大，窄帶天線增益會測低。 動態(tài)范圍儀器設(shè)置到測插損，將一根好的短電纜的一頭接到輸出口，另一頭接到與屏幕顯示相對應(yīng)的輸入口上，按執(zhí)行鍵進(jìn)行校直通后，拔掉電纜后儀器顯示的數(shù)值即動態(tài)范圍，應(yīng)70dB。對插損的廣義理解 隔離度不該通而通了的插損稱隔離度或防衛(wèi)度。 方向圖天線對一固定信號在不同方向的插損稱方向圖。2 傳輸線的測量2.1 同軸線纜的測量一測電纜回?fù)p 1待測電纜末端接上陰負(fù)載（或陽負(fù)載加雙陰），測其入端回?fù)p，應(yīng)滿足規(guī)定要求。假如是全頻段測試的話，那一般是低端約在3040分貝左右，隨著頻率增高到3GHz，一般只能在20dB左右。假如全頻段能在30dB以上此電纜可作測試電纜，一般情況下尤其是3GHz附近是很難作到30dB的，能作到26dB就不錯了。 2回?fù)p測試曲線呈現(xiàn)周期性起伏，而平均值單調(diào)上升，起伏周期滿足F=150/L，式中L為電纜的電長度（米），F(xiàn)單位為MHz，則此電纜屬常規(guī)正常現(xiàn)象，主要反射來自兩端連接器處的反射；若低端就不好，甚至低頻差高頻好，或起伏數(shù)少，則電纜本身質(zhì)量不好。 3回?fù)p測試曲線中某一頻點回?fù)p明顯低于左右頻點呈一諧振峰狀，此時出現(xiàn)了電纜諧振現(xiàn)象。只要不在使用頻率內(nèi)可以不去管它，這是電纜制造中周期性的偏差引起的周期性反射在某一頻點下疊加的結(jié)果，我們只能先避開它。這種現(xiàn)象在1998年我們買的SYV-50-3電纜中多次碰到，回?fù)p只有1014dB，粗的電纜倒不常見此情況，用戶只有自己保護(hù)自己，選擇質(zhì)量好的才買。 4在測回?fù)p中出現(xiàn)超差現(xiàn)象時，可按下面提到時域故障定位檢查加以確診，以便采取相應(yīng)措施。二測電纜插損（也稱測衰減） 1替代法在使用要求頻段下，用插損檔通過兩個10dB衰減器用雙陽校直通，校后用電纜代替雙陽接入兩衰減器之間即得插損曲線，此法為最常用的方法。 2回?fù)p法測插損在儀器經(jīng)過開短路校正后，接上待測電纜，測末端開路時的回?fù)p，回?fù)p除2即得插損，此法的優(yōu)點在于不會出現(xiàn)插損為正的矛盾，特別適合于已架設(shè)好的長的粗饋管首尾相距較遠(yuǎn)的場合。 3非正常情況 檢測電纜時最好用全頻段測試，插損由小到大應(yīng)是一單調(diào)平滑曲線，并且插損在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以內(nèi)，小有起伏也不要緊，那是反射疊加引起的。但若有某一頻點附近顯著高于左右頻點（插損增大）呈一下陷曲線狀，說明此電纜有問題。多數(shù)是連接器外皮壓接不良所造成，返工后重測。少數(shù)是電纜本身形成的，那么此電纜只能隔離待查，停止使用。連接器外皮顯著接觸不良，可用下面提到的電纜屏蔽性能檢查方法加以確診。三同時測插損與回?fù)p 可按說明書4.7節(jié)進(jìn)行雙參量測量。雙參量測量精度不如單參量高，若無必要，以采用單參量為宜。四同軸電纜電長度的測量 1引言在射頻范圍內(nèi)，經(jīng)常采用同軸電纜對各個功能塊、器件或振子單元進(jìn)行連接（即饋電），除了要求插損小、匹配好之外，常常還對引入的相移提出要求。一般只要求相對相移，譬如同相天線陣或功率組合單位等。它們要求每根電纜一樣長，而收發(fā)開關(guān)或阻抗變換場合則會提出長度為/4的要求，而U形環(huán)平衡器又會提出長度為/2的要求，這就出現(xiàn)了如何測電纜電長度的問題。 在不加支持片的同軸線段中，同軸線段的機(jī)械長度（或幾何長度）與電長度是一致的，在有支持片或充填介質(zhì)的情況下兩者是不同的，機(jī)械長度與電長度之比為波速比（也有稱縮波系數(shù)，或縮短系數(shù)），一般在0.66到1之間，電長度顯得長些，而實際機(jī)械長度顯得短些。實際上要求的是電長度，矢網(wǎng)正好能測電長度。 2測反射相位定電纜電長度當(dāng)電纜末端開路時，在其輸入端測其反射的相位是容易的，由于反射很強(qiáng)測試精度也較高。當(dāng)然末端短路也是可行的，但不如開路時修剪長度來得方便，因此常在末端開路的情況下進(jìn)行測試。 、/4電纜的獲得 儀器設(shè)定在要求的使用頻率下點頻工作，在測回?fù)p狀態(tài)下校開路與短路。 接上待測電纜（末端開路），若電纜正好為/4時，相位讀數(shù)應(yīng)在1800附近。 若0.04），除了裝配質(zhì)量外，還有插頭本身設(shè)計問題，一般市售連接器是不適于用到3GHz的。假如連接器是仔細(xì)設(shè)計，考慮了支持片的影響的，那么還有一個因素那就是電纜的特性阻抗可能不對，此時就應(yīng)測測電纜特性阻抗。 2作法 樣本與掃頻方案 對于已裝好連接器的跳線，長度已定，只能由長度定掃頻方案而對于電纜原材料，則可以按要求頻率確定下料長度。此時待測電纜一頭裝連接器即可。 樣本長度與掃頻方案是相互有關(guān)的，可以點頻測也可以掃頻測，取值要取相位靠近2700時的電抗值，此時電長度為/ 8、電抗值在j50附近，如4060之間，否則不易得到可信數(shù)據(jù)。測試頻率宜低些，以減少連接器，以及末端開短路的差異造成的誤差。以SFF-50的電纜為例，取樣本長500mm，其電長度即為700mm（乘1.4波速比），掃頻方案可選4656 MHz，F(xiàn)=2MHz即可。 儀器在測回?fù)p狀態(tài)下，電橋輸入端與輸出端各串一只10dB衰減器。校過開短路后，接上待測電纜。記下待測電纜在末端開路與短路時的輸入電抗值（不管電阻值），兩者相乘后開方即得特性阻抗值。 一般測試只選一點最靠近2700的點（即50）進(jìn)行計算即可，要求高時，可在5010范圍內(nèi)選5點進(jìn)行平均，這5點之間起伏不應(yīng)大于0.5，否則電纜質(zhì)量不好。 電纜兩端測出的特性阻抗有可能是不相同的，說明該電纜一頭特性阻抗高，一頭低。要求高時，應(yīng)對樣本進(jìn)行掉頭測試，兩端測出的特性阻抗不應(yīng)相差0.5.注意: 1：雖然所有/ 8奇數(shù)倍的頻點皆能進(jìn)行測試，但只測了前面/ 8，后面/4及其倍數(shù)都是不參與的；它只提供了0點與點，這兩點只與長度有關(guān)，而與Z0無關(guān)。 2：測75電纜時，請用75電橋，測試數(shù)據(jù)請乘1.5倍。 3：有人采用測數(shù)百米長電纜的輸入阻抗來代替測Z0，這并非標(biāo)準(zhǔn)方法，實際上是對電纜提出了超標(biāo)準(zhǔn)的要求。除非電纜非常好，否則不易通過。七電纜屏蔽度檢測 也稱漏泄檢測，也有稱防衛(wèi)度檢測，作法同陣面幅相檢測。 采用全頻段掃頻方案，測插損，用一根好的短電纜校直通； 在輸出端接上待測電纜，其末端接上陰負(fù)載或雙陰加陽負(fù)載； 將一個拾取環(huán)（見幅相檢測），通過一段電纜接到輸入端，當(dāng)環(huán)遠(yuǎn)離待測電纜時讀數(shù)應(yīng)70dB； 將環(huán)靠在電纜上滑動，若讀數(shù)仍在70dB以上則電纜性能優(yōu)秀，若讀數(shù)在60dB左右屬良好，若讀數(shù)在40-50dB就不太好，但勉強(qiáng)能用，若讀數(shù)在20-30dB則肯定有了故障，一般出現(xiàn)在連接器處，必須重裝，壓緊后再測，連接器處不宜低于50dB； 連接器接地不良時，其時域波形表現(xiàn)為拖尾巴波形，而不是一個單純的脈沖波形；以上講的是帶插頭的電纜（常稱跳線）的檢測方法，只是一種查毛病的方法，并不作為驗收的依據(jù)。2.2 PNA用于測量75系統(tǒng)的補充說明 PNA本身是50系統(tǒng)測量儀器，在有75配套件的情況下，可在30-1000MHz頻段內(nèi)對75系統(tǒng)進(jìn)行測量。 1測回?fù)p 主要是改用75電橋，該電橋輸入輸出端口仍為50，故仍然可用原配電纜接上，而電橋測試端口為75，即能按原說明書所述方法對75系統(tǒng)的反射特性進(jìn)行測試。 測阻抗或相位或者所測駐波較大時，請用75短路器加校短路。 對電橋定向性有懷疑時，可用75負(fù)載驗證，也可采用校零措施。改用75電橋測試75系統(tǒng)時所有駐波、回?fù)p、相移值都是對的，但阻抗值請注意還要乘1.5才對。 2測插損 在儀器輸出輸入端各接一根50電纜，在電纜另一端各接一只50K/75轉(zhuǎn)換，并用75雙陰將它們對接起來校直通，然后取出雙陰串入待測件即可測出其插損與相移。示意圖如下： 3測增益 接法與測插損相似，但應(yīng)加30dB衰減器后校直通，衰減器可以是50的，也可以是75的，各自串入其相應(yīng)位置，其作法與原說明書相同。 4時域故障定位 除改用75電橋外其他與說明書全同，校短路請注意要用細(xì)芯子的75短路器。 注意：由于75與50兩者內(nèi)導(dǎo)體差別較大，使用時應(yīng)小心不要插錯，粗的插入細(xì)的會損壞器件，細(xì)的插入粗的則接觸不良甚至不通。 5. 75配套件清單2.3 多對雙絞線電纜的測試 在電腦網(wǎng)絡(luò)連線中，用到了多對雙絞線電纜，而且提出了技術(shù)要求，如何用常規(guī)單端（一線一地制，如同軸線）儀器進(jìn)行測試呢？一技術(shù)要求: 有關(guān)單位對于5類線（四對雙絞線）的技術(shù)要求見下表（每對繞成雙絞線的線又有多股與單股之分。相當(dāng)線號為24AWG26AWG）。 注：在執(zhí)行5類線標(biāo)準(zhǔn)驗收時，有的用戶要求按輸入阻抗為10015來驗收，其理由為既然有特性阻抗為10015的要求，而現(xiàn)在線很長（300m），因此只測其輸入阻抗來代替前兩項要求。對于理想的均勻線，這個要求還勉強(qiáng)說得過去，問題是線既不理想也不均勻，這個要求就超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍，否則就沒有必要定第二欄的要求。對于100MHz，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定回?fù)p為16dB，假如按輸入阻抗要求則為23dB，超過標(biāo)準(zhǔn)7dB；因此把特性阻抗驗收標(biāo)準(zhǔn)改成按輸入阻抗驗收，是不符合標(biāo)準(zhǔn)的作法。另外有的儀器有|Z|坐標(biāo)，這是一種電路參數(shù)而不是傳輸線參數(shù)，用|Z|10015來要求傳輸線的輸入阻抗，是會鬧笑話的。比如Zin=j100,是完全符合|Z|10015要求的，而對于傳輸線而言卻是全反射，根本不能用。二測試方法 這兒只討論用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試雙絞線，不涉及市售電腦線專用測試設(shè)備。 1直接用單端儀器測試 這是一種原則性的錯誤，因為平衡受到破壞，產(chǎn)生了共模電流，將導(dǎo)致衰減加大、竄擾嚴(yán)重。但有的地方仍然是這樣作的，不妨試一試。 2采用PNA100差分套件。 3將單端儀器測試口通過復(fù)用開關(guān)擴(kuò)為八個，采用混合模式散射參量進(jìn)行計算與校準(zhǔn)，這是ATN公司的方法。下面將只采用1、2兩種方法進(jìn)行測試，是用PNA3628進(jìn)行的，其頻率范圍為：1KHz120MHz。測試樣本是一段22.5米的商品電纜。 三測試結(jié)果 1特性阻抗Z0測試 雖然Z0一般不是頻率的函數(shù)，但仍測了三個頻點，測時線長最好用測試頻率的/8，測其末端開、短路時的輸入電抗，相乘開方后即得。 測試頻率 MHz 1 10 62.5 單端電橋測 97114 103.6107.7 100106 差分電橋測 108113 103108 103108 每個頻率下有四個數(shù)據(jù)（四對線），兩法測試結(jié)果差別不大，看來都可以用。四PNA100差分套件1差分轉(zhuǎn)換頭 2差分電橋 它是一個由三個100無感電阻，與接在測試口上的待測電阻，組成的一個平衡電橋（惠士頓電橋）。由信號源來的單端信號，通過平衡器變成差分信號后，接到電橋的對角線兩端。另一個對角線兩端，再通過另一平衡器將誤差信號變成單端信號后，送到儀器的接收輸入端。即可直接得測得100雙線系統(tǒng)的回?fù)p或駐波比，也可測試輸入阻抗；但數(shù)值要乘2，因為儀器為50系統(tǒng)。五結(jié)束語直接用常規(guī)單端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測特性阻抗是可行的，測回?fù)p的誤差則大了些，但似乎尚能勉強(qiáng)使用，測衰減則顯著偏大，測竄擾則嚴(yán)重失實。采用PNA100差分套件后，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀既可勝任各種雙絞線的測試，也可進(jìn)行時域故障定位測試。2.4 微帶線的測試一微帶線Z0的測試 待測微帶線的樣本為一長度6cm的一塊微帶線，按前述測Z0方法，測此線在末端開路與短路時的輸入電抗值（不管電阻值），兩者相乘后開方即得特性阻抗Z0值。二微帶接頭的測試 在一塊50微帶線的樣本為一長度6cm的微帶線兩端裝上連接器，對此線進(jìn)行時域故障檢查，調(diào)節(jié)兩端連接器與微帶線的過渡尺寸，使得兩端的時域反射0.03（越小越好），樣本適當(dāng)長些以便分清兩端分別對待。時域測試與頻域測試互相對照, 有利于對被測線作出更合理的裁決, 到頻域后可按菜單鍵再選時域返回。三雙面復(fù)銅板介電常數(shù)的測試 1低頻測電容法 、公式推導(dǎo)：由物理書可知C=A0 / t，0=8.855210-12法/米=8.855210-12F/m 若A=1010mm2，t=1，則C=0.8855P，即1平方公分的兩個板間距為1mm時的電容約0.9P，而1mm見方的面積兩板間距為1mm即1mm電容=0.008855P，有介質(zhì)后C=rC r=112.9Ct/A （2.1） 、作法：用一只能分辨1P電容的三用表進(jìn)行測試，如一塊6273mm2的復(fù)銅板，測得C為114P，而t扣除銅箔厚度后為0.96，則r=112.91140.96/（6273）=2.672.5 PNA用于測波導(dǎo)系統(tǒng)PNA常用于測同軸線系統(tǒng),測波導(dǎo)系統(tǒng)時，應(yīng)針對手頭器件情況進(jìn)行相應(yīng)的變動。一測波導(dǎo)器件的插損與相移按菜單鍵，設(shè)定掃頻方案并按執(zhí)行鍵選定之。 將兩只同軸變波導(dǎo)（cg）經(jīng)兩只波導(dǎo)隔離器對接起來, 入（左）端接到儀器輸出端，出（右）端接到儀器輸入A（或B）端，校直通。 插損量程有四檔, 可按鍵來選擇, 最小一檔為0-2.5dB, 最大可測80dB。測移相器相移與插損時, 可按菜單鍵，選相損檔，畫面將隨鍵反復(fù)出現(xiàn)四種坐標(biāo):1相位量程為180（每格72），插損量程為+1-4dB。2插損仍為+1-4dB，相位在光標(biāo)點的附近平移展開（每格5)。 3相位按180（每格72)，插損量程改為+5-20dB。 4插損仍按+5-20dB，相位在光標(biāo)點的附近平移展開（每格5)。一用同軸反射電橋測波導(dǎo)器件（或系統(tǒng)）的反射特性1常規(guī)掃頻測試 （如圖2.16）將反射電橋（RB）接到同軸變波導(dǎo)上, 并用一塊短路板將波導(dǎo)口短路（封上）后，按執(zhí)行鍵進(jìn)行校：開路項目。假如同軸變波導(dǎo)的失配很小時, 可直接連上待測件進(jìn)行測試。由于波導(dǎo)口開路并非全反射, 因此波導(dǎo)系統(tǒng)測試中一般只好用校短路來代替校開路, 這樣作對測駐波比（回?fù)p）無妨, 閃點參數(shù)所顯駐波比（回?fù)p）數(shù)字有效。用短路代開路后相位差了180, 因此再用阻抗圓圖來看時, 就成了導(dǎo)納圓圖。此時用圓圖只宜用來看相位與看曲線集中情況及趨勢等, 而閃點參數(shù)所顯相位數(shù)值需改正負(fù)號（即差180), R與X是不太好用的（一定要用的話，可將R+jX用50除后取倒數(shù)，即得歸一后的相對導(dǎo)納g +jb）。 用矢量便于對器件進(jìn)行匹配。 2點頻計量測試法 A/4法 在上面提到的測試方法中，由于同軸變波導(dǎo)的失配不知道，必然帶來誤差，這種誤差在點頻上可用/4法分離。對于波導(dǎo)系統(tǒng)則用g/4 。 以點頻2450MHz為例，對于BJ-26，g=173.36, 準(zhǔn)備一段長度為g/4=43.340.1的短波導(dǎo)即可。做法如下：測件的反射）。以紙中心為原點，由同一原點、按同一比例在紙上畫出0與1的矢量圖，連接0與1的端點a與b，找ab連線的中點m，則om =cg ，ma =dut 。 通過這種測試，準(zhǔn)確度大大提高，搞清了問題所在，可用低檔設(shè)備作出高檔產(chǎn)品。其實這種測試的另一目的在于，找出一個好的負(fù)載與一個好的同軸變波導(dǎo)以便進(jìn)行掃頻測試。 B單線法（單波導(dǎo)法） 此法實際上是/4法的一種變通或推廣，假如手頭有的短波導(dǎo)不是g/4，或者想校更多的頻點的話，不妨試試此法。按測回?fù)p進(jìn)行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正。這是因為短波導(dǎo)不是g/4而且還要掃頻測試，只能在同軸反射電橋上作開路與短路校正。反射電橋接到同軸變波導(dǎo)，并在波導(dǎo)口接上待測件（同圖2.17），記下0測試值（或打印出反射數(shù)據(jù)）。在同軸變波導(dǎo)口與待測件之間，接入一短波導(dǎo)（電長度約90，或30到150之間，不宜靠近180)，記下1測試值（或打印出反射數(shù)據(jù)）。見圖2.19。ba2o同上，畫出0與1的矢量圖，連接0與1的端點a與b，找ab連線的中點，過中點作ab中垂線，在中垂線上找出一點m，使得amb = 2（可由實際波導(dǎo)長度算出，2180時，m點在矢量三角形外）。則om = cg ，ma = dut ,誤差已得到分離。此法雖然能掃頻測試，但修正還得一點一點的進(jìn)行。參見圖2.21。一般使用時，帶寬并不寬，即使按g/4法進(jìn)行掃頻測試，精度也是夠好的。 C雙線法（雙波導(dǎo)法） 假如有兩段長度約g/6的短波導(dǎo)，即可采用此法。同B中第一點，按測回?fù)p進(jìn)行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正。這是因為短波導(dǎo)不是g/4而且還要掃頻測試，只能在同軸反射電橋上作開路與短路校正。反射電橋接到同軸變波導(dǎo)，并在波導(dǎo)口接上待測件，記下0測試值（或打印出反射數(shù)據(jù)）。接法見圖2.17。在同軸變波導(dǎo)口與待測件之間，接入一短波導(dǎo)（電長度約60，或30到90之間），記下1測試值（或打印出反射數(shù)據(jù)）。接法見圖2.19。coabmdutcg在同軸變波導(dǎo)口與待測件之間，再接入一短波導(dǎo)（電長度約60，或30到90之間）， D調(diào)配反射計法（滑動負(fù)載法） 滑動負(fù)載在波導(dǎo)中是很容易實現(xiàn)的，有了它，雖可以測三次定一圓（見上雙線法）解出cg，但通常多采用調(diào)配反射計法。這是一種典型的點頻計量方法。 按測回?fù)p進(jìn)行連接，在同軸反射電橋上作開路與短路校正，再將反射電橋接到同軸變波導(dǎo)上。在同軸變波導(dǎo)口接上一只四螺釘匹配器，后面再接上一只滑動負(fù)載。反復(fù)調(diào)節(jié)四螺釘匹配器，使得拉動滑動負(fù)載時反射系數(shù)的幅值不變（即回?fù)p不變或駐波比不變，并不要求為零），此時即可認(rèn)為反射計已完成調(diào)配（誤差0）。 用調(diào)配后的反射計測試出的值，即可認(rèn)為是真值。 3提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法 介紹計量方法的目的，除可以進(jìn)行精密測試外，還有一個目的就是要通過測試找到一只好的波導(dǎo)負(fù)載（駐波比1.02）作標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，與一只好的同軸變波導(dǎo)（駐波比1.1）。 假如有了一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載, 而且接到上述同軸變波導(dǎo)后所測駐波比1.13（回?fù)p-24dB），則可以按菜單鍵選校零項并執(zhí)行之，從而使得測試設(shè)備的精度與校零用的負(fù)載相當(dāng)（即測試系統(tǒng)的剩余駐波比1.02）。但若沒有好的負(fù)載, 或者接上負(fù)載后駐波1.13, 則不能校零, 否則反而出錯。 最好用g/4短路波導(dǎo)作開路標(biāo)準(zhǔn)，掃頻進(jìn)行開路校正。雖然掃頻作開路校正只有一點嚴(yán)格有效，但常規(guī)窄帶應(yīng)用是可行的。三采用波導(dǎo)定向耦合器測試 1常規(guī)掃頻測試 將儀器輸出端經(jīng)同軸變波導(dǎo)接到定向耦合器的主路輸入端,付路反射輸出接到儀器輸入(A或B), 在主路輸出口用短路板封上后校開路。 2點頻計量測試法 采用波導(dǎo)定向耦合器測試后，也能采用點頻計量測試法，作法同上(見二、中2、各項)。 3提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法采用波導(dǎo)定向耦合器測試后，也能采用提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法，作法同上（見二、中3、）。最好用g/4短路波導(dǎo)作開路標(biāo)準(zhǔn)，掃頻進(jìn)行開路校正；雖然掃頻作開路校正只有一點嚴(yán)格有效，但常規(guī)窄帶應(yīng)用是可行的。四采用魔T 1常規(guī)掃頻測試 將儀器輸出通過同軸變波導(dǎo)接到魔T的和支路, 將差支路通過同軸變波導(dǎo)接到儀器輸入（A或B），將標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)負(fù)載接到魔T的一路, 另一路用短路板封上后校開路。 拆下短路板接上待測件即可進(jìn)行駐波比測試。 2點頻計量測試法 采用魔T測試后，也能采用點頻計量測試法，作法同上(見二、中2、各項)。 3提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法采用魔T測試后，也能采用提高掃頻測試準(zhǔn)確度的校零法，作法同上（見二、中3、）。最好用g/4短路波導(dǎo)作開路標(biāo)準(zhǔn)，掃頻進(jìn)行開路校正；雖然掃頻作開路校正只有一點嚴(yán)格有效，但常規(guī)窄帶應(yīng)用是可行的。3 常用器件的測試3.1 電感（分立元件）一標(biāo)稱值的測試 標(biāo)稱值一般用LCR儀器進(jìn)行測試，也可用PNA進(jìn)行測試。 1用PNA3628，按測回?fù)p連接； 2掃頻方案設(shè)為0.1590MHz點頻； 3在電橋測試口上校開路與短路； 4在測試口插上待測件即可測出其R與X值，R用于優(yōu)值Q的計算，由X即可算出電感L值。 X = jL = j2fL = jL（H），因此 |X|= |L|H，如X測試值為-j10即為10H。 5按0.1590MHz設(shè)置，適于測1999H； 按1.590MHz設(shè)置，適于測0.199H，即0.1|X|= |L|H，讀數(shù)除以10； 按0.0160MHz設(shè)置，適于測109999H，即10|X|= |L|H，讀數(shù)乘以10； 6也可用列表掃頻方案，同時使用兩或三個頻率進(jìn)行測試。二射頻下的電感測試 這是一個值得思考的例子，有位用戶在其150MHz，BP機(jī)主臺發(fā)射機(jī)中一直采用一種線圈（在1/4W電阻上，用漆包線繞40圈），其目的估計是用作扼流圈。誰知，在PNA上一測卻為容性。是儀器出了問題嗎？為此，對其進(jìn)行了超頻帶范圍的測試，結(jié)果整理如下：線圈A的阻抗軌跡為一個大圓，局部有3個小圓。線圈B（空心者）呈現(xiàn)4個偏心圓。 下面給 一組參考數(shù)據(jù)，用0.35漆包線在5桿上 平繞若干圈脫下來即成為一個線圈，對于這種線圈其第一諧振點f01大致可用下表查出范圍。諧振時呈電阻性即=0，用相位來定諧振點明確一些，比用好。第一個諧振點為并聯(lián)諧振形式，低于第一個諧振點的頻率呈電感性，高于第一個諧振點的頻率呈容性。這里并不試圖解決線圈估值與設(shè)計問題，而是通過實例說明：不能簡單地將高頻結(jié)構(gòu)用到甚高頻，更不談用到超高頻。這兒主要想說明器件或零件用在什么頻率，就應(yīng)該在什么頻率下進(jìn)行測試。對射頻工作者來說，手頭沒有矢網(wǎng)進(jìn)行測試，不僅僅是不方便，有時還會作出錯誤的選擇。3.2 電容（分立元件）一標(biāo)稱值的測試 1按測回?fù)p連接； 2掃頻方案設(shè)為63.662MHz點頻(非3628型儀器只好設(shè)為63.65MHz)； 3在電橋測試口接上短路器后校開路，取下短路器后校短路。阻抗圓圖變成導(dǎo)納圓圖； 4插入待測件即可測出其導(dǎo)納值（G+jB），從而算出電容C值。注意：屏幕上仍顯R+jX。但要知道其實是G+jB。經(jīng)過計算(從略)，|X|=|C|p,如測試值X為10，則C為10p。同樣R值也可用于優(yōu)值Q的計算； 5按63.662MHz設(shè)置時，適于測試1999p； 按 6.366MHz設(shè)置時，適于測試109999p，即讀數(shù)乘以10； 按 0.636MHz設(shè)置時，適于測試10099999p，即讀數(shù)乘以100； 6也可用列表掃頻方案，同時使用兩或三個頻率進(jìn)行測試。二電容的高頻特性在電路中經(jīng)常用到瓷片電容作旁路電容，測試中發(fā)現(xiàn)帶引線的瓷片電容呈電容性也是有條件的。由于引線電感的參與，變成了一個串聯(lián)諧振回路，隨著頻率的升高依次出現(xiàn)第一個串聯(lián)諧振點與第一個并聯(lián)諧振，也就是說一個電容的高頻測試特性也是在圓圖上周期性的繞圈。集中電容，比如最普通的瓷片電容，由于引線電感的原因，會出現(xiàn)串聯(lián)諧振現(xiàn)象（=1800），超過諧振點后呈電感性。普通瓷片電容的諧振頻率大致如下：高頻時電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）變大，普通的貼片電容不宜用于微波頻段。需要時，可以作一夾具進(jìn)行測試，其思路是：利用待測件與一段同軸線組成/2腔，并聯(lián)在傳輸線上形成一個陷波器，由陷波深度即可算出ESR。如圖3.6。3.3 陶瓷諧振腔的測試方法 陶瓷諧振腔由于耐高溫，而且相對介質(zhì)常數(shù)高（常在80以上），故體積小，而且溫度穩(wěn)定性也好（約3ppm/C0），常用于功率較高（瓦級）的小型移動通信設(shè)備（如手機(jī)、無繩電話等）。對于這種器件，一般要求測其諧振頻率與Q值，對此作者摸索了一下，大致有以下幾個方法：臨界耦合法、反射系數(shù)法、陷波器法、弱耦合測頻響法，下面分段簡單介紹一下。一臨界耦合法 在一份美國Trans tech 的應(yīng)用筆記上有一短文報導(dǎo)了這種作法。 其思路為在一矢網(wǎng)上作一測試夾具，測試夾具本身為一插座，其內(nèi)導(dǎo)體伸出一叉形簧片，插座在經(jīng)過開路與短路校正后將陶瓷腔放在夾具上，陶瓷腔的引線（通常為一薄銅片）與插座的叉形形成一個耦合電容，前后移動腔體（改變耦合電容）使得腔形成臨界耦合，則此時虛部為0，實數(shù)為50的點的頻率，即諧振頻率。而R=X的兩點間頻帶寬度去除諧振頻率即得Q。 這種測試方法在矢網(wǎng)上用圓圖來看，是很清楚的。但在標(biāo)網(wǎng)上也能測出，只要先調(diào)臨界耦合使得某一頻率上回?fù)p小于-40dB的話，則回?fù)p最低點的頻率即諧振頻率f0。再找出兩個7dB點的頻率f1和f2，則Q = f0/(f2-f1)，當(dāng)臨界耦合時，R=X點的反射為 j/（2j），其反射絕對值為0.447，回?fù)p值為-7dB。 此法比較直觀，但操作有困難，作者嘗試后認(rèn)為并不實用，因為夾具難做，臨界耦合不是那么簡單就調(diào)好了的，速度太慢。二直接測反射系數(shù)法 思路 在矢網(wǎng)經(jīng)過開短路校正后，在電橋測試端口開路時，光點在=1（=0）處，接上陶瓷腔后，在顯示屏上將出現(xiàn)如圖（圖3.1）的情況，則=0的一點的頻率，即諧振頻率f0，記下此點的反射系數(shù)模值或回?fù)p即可算出Q。 陶瓷諧振腔一般有兩種作法，一是作成/4短路線，一是作成/2開路線。1/4短路線 Q =/2=1.57/（1-|） (3.4) 有的書上 Q =/(1-2)，當(dāng)|1時，兩者是一致的。 （推導(dǎo)從略）2/2開路腔 可如法炮制得 Q=3.14/（1-|），似乎Q大了一倍，其實由于腔長了一倍，將增大一倍，又使減小，所以/2腔雖比/4腔的相位靈敏度高一倍，但Q值卻差不多。 3. 參考表 上兩式中是對Zor（諧振腔的Zo）而言，而儀器測試時是對儀器的Zo而言，則應(yīng)由儀器測出之算出0與Z0，然后除上Zor得到腔內(nèi)之r 再算到r，以r代入Q值公式即得，當(dāng)儀器特性阻抗Z0=50，陶瓷腔Zor=7，可參考下表取值，使用時可用對數(shù)坐標(biāo)紙畫出連線以便插值。 4實測效果 諧振頻率的分辨率，決定于矢網(wǎng)的相位分辨率，對于相位分辨率為0.10的情況下如/4腔，反射相位為1800即能分辨1800分之一，對于900MHz，即0.5MHz。 由于|1，因此對儀器穩(wěn)定性要求很高，而為減少接觸引入的損耗，因此要求接觸良好，故夾具不好作。 雖然此法比較嚴(yán)格，但由于實際上的問題可能并不太實用。三陷波器法 2估算 Zx=0時，V0max=V/2，假定Z0=50， Zx0時，V0=50V/（Zx+100），則T=V/V0max=100/( Zx+100）， 因此可由測出的諧振點衰減值得到T，從而解出Zx， Zx=(100/T)-100 (3.5)而陶瓷腔的Zxmax=Z0r，陶瓷腔特性阻抗Z0r一般在7左右，則可算出腔內(nèi)r為Zx/ Z0r，由r可得有耗腔的等效|代入公式可得Q，最低點的頻率即諧振頻率。 示例，如某/4腔在諧振點測得的插損為30dB，即T=0.0316，則Zxmax=100/T-100=3064，除7得=437.8，=0.99544，Q=1.57/(1-|)=344，若/2腔也能測出30dB則Q=688。下面列幾個數(shù)據(jù)以見一般。 3討論 用陷波器法測試也非常實際，操作簡單，動態(tài)要求不高，但對儀器諧雜波制能力要求很高，用一般掃頻儀或標(biāo)網(wǎng)是不行的，因為這些儀器無諧雜波制能力，測出的插損（IL）偏低，測不出腔的真實Q值。夾具要推敲一下，否則影響結(jié)果與速度，對儀器輸入輸出匹配也有要求，重復(fù)性不好，Q值數(shù)據(jù)起伏太大，不推薦采用。三 弱耦合下測頻響法1 思路 將腔體接入一段傳輸網(wǎng)絡(luò)中，盡量降低耦合，以得到接近無載情況下的數(shù)據(jù)。2夾具的考慮 如圖3.8中，Z1與Z2如用小電容來實現(xiàn)，在推導(dǎo)中會出現(xiàn)2項不好辦，用電阻可能無此問題。實際用電阻作時，插損作不高（由于兩端分布電容的耦合），只好作成方形封閉的T形接頭，方形是為了便于定位，并且還要引入一個臺階以便腔體放入時不會掉下來。3實測效果 在未放入腔體時，兩針間系一截止波導(dǎo)，插損約60dB，放入陶瓷腔體后，陶瓷腔體的連接片改變了兩針之間的耦合，使插損約40dB左右，對于1900MHz的/2開路腔，測出3dB帶寬約3.4MHz，即Q約560，與國外產(chǎn)品用HP8720實測數(shù)值相符。4實用價值 雖然這種作法的諧振頻率與夾具有關(guān)，是不太嚴(yán)格的，但由于測試簡單被測件只要放入即可，不要求接觸良好（因為原來插損就很大，接觸不良不發(fā)生影響），因此是很實用的一種方法。五討論 1幾種方法的比較 臨界耦合法 由于不易調(diào)到臨界耦合，很難說有什么使用價值，而且機(jī)理尚未搞清； 直接測反射系數(shù)法 必須要矢網(wǎng)，頻率分辨力受相位分辨力限制，對裝夾要求很嚴(yán)； 陷波器法 對動態(tài)要求不高，但對諧波抑制要求較高，因此普通掃頻儀用不起來，適于測諧振頻率，而Q值不太準(zhǔn)。 弱耦合法測諧振曲線 此法雖不嚴(yán)格，但對夾具要求低，測Q準(zhǔn)確。諧振頻率與夾具有關(guān)，但重復(fù)性很好，適于工程中采用。 2/2腔比/4腔Q高些嗎？ 在前面公式中/2腔的系數(shù)比/4腔高一倍，是否Q會高一倍呢？其實不然，由于/2腔長了一倍，考慮損耗后Q值并不高。 舉個具體例子，在3GHz時7/8“同軸線每米損耗約0.1dB，若用作諧振腔，/4為25mm, /2為50mm。 /4腔損耗為0.125/1000=0.025dB, 則回?fù)p為0.05dB, |=0.999442, Q=2728。 /2腔損耗為0.05dB,回?fù)p為0.1dB，|= 0.99885, Q = 2730?？梢妰烧逹是一樣的。但/2腔的相位靈敏度要比/4腔快一倍，假如你能用上這個特性的話或許有些好處，想提高Q是辦不到的。3.4 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載與反射電橋一標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載 經(jīng)常會用到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載作為零反射，用來校正電橋的定向性，但標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載是否合乎標(biāo)準(zhǔn)呢？ 1與另一經(jīng)過計量的負(fù)載相比較，作法是用已知好的負(fù)載校零反射后，再進(jìn)行測量即可，此法最簡單，而且是寬帶的。二反射電橋 電橋與負(fù)載之間有點象雞生蛋，還是蛋生雞的問題，沒有好橋作不出好負(fù)載，反過來沒有好負(fù)載也作不出好橋，兩者是互相促進(jìn)的，檢測電橋與檢測負(fù)載差不多。 1在電橋校過開短路后，接上好的負(fù)載，測出剩余信號即代表電橋的定向性，生產(chǎn)時就是這樣作的，也只有此法最方便。 2拉動滑動負(fù)載，駐波應(yīng)不變，在阻抗圓圖上看應(yīng)為一個圓；而此圓的圓心與儀器的圓圖的圓心的偏離值，即剩余反射或定向性誤差，而圓的半徑即代表負(fù)載的反射，當(dāng)然在此例中此值并不起作用。 3仍然采用/4法，橋