矢量网络分析仪基础知识和s参数测量

1、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

2、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

3、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

4、 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

5、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

6、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；

7、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

8、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 ，

9、 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

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