矢量网络分析仪基础知识和S参数的测量.docx
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1、矢量网络分析仪根底学问及S参数测量 1 根本学问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,我们并不确定知道,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,它上面假设装有两个同轴连接器那么称为两端口网络。留意:这儿的网络及计算机网络并不是一回事,计算机网络是比拟困难的多端口网络,这儿主要是指各种各样简洁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。因为只有一个端口,总是接在最终又称终端负载。最常见的有负载, 短路器等,困难一点的有滑动负载, 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回损
2、, 驻波比, S11更便利些。 2两端口网络 最常见, 最简洁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细负载标阻后,在另一端测得的反射系数,可用来表征匹配特性。 传输系数及插损 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,即经过网络及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,一般用上述的插损及回损已足够,但对讲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。这里仅简洁的但不严格带上一笔。
3、S11及网络输出端接上匹配负载后的输入反射系数相当。留意: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及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,对不行逆器件常称隔离度。 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实力,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:双线及同轴线,频率更高那么会用到
4、微带线及波导,虽然构造不同,用途各异,但其根本特性都可由传输线公式所表征。 特性阻抗Z0 它是一种由构造尺寸确定的电参数,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 这三个参数采纳了不同术语来描述匹配特性,人们盼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,而事实上反射总是存在的, 这就须要定义一个参数。式中ZL为负载阻抗, Z0为同轴线的特性阻抗。由于反射系数恒久1, 而且在甚高频以上频段手边简洁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
5、 R.L. = 20LogdB 1.4 有反射时, 线上电压即有起伏, 驻波比S.W.R是运用开槽测量线最易得到的一个参数,比拟直观。 当| 1时,= 1 + 2 1.6本仪器三种读数皆有, 可随意选用。阻抗圆图 如A,B两个规格的天线,假设只在标网上选择,确定选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。这种状况是大量存在的,在全波振子对测试中就是这种状况。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,反射网及振子高度调整就有这种状况,折合振子单边加粗也有这种状况,然后再实行措施如并电容,串电感,调短路片位置,改平衡器内导体等使其匹配。而且常常不是使中频处于
6、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,假设要作并联运算时,就要转成导纳;在圆图上这特别简洁,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,否那么出错。记住,只在一个圆图上转阻抗及导纳,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。恒久按离开负载方向为正转圆图,不要用源端作参考,否那么又要把人弄昏。圆图作为输入阻抗特性的表征,用作简
7、洁的单节匹配计算是特别有用的,特别直观,把困难的运算用简洁的形象表现出来,概念清晰。但对于多节级连的场合,还是编程由计算机优化来得便利。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,须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
8、桥,本仪器采纳的是反射电桥,它的输出正比于反射系数。其原理及惠司顿电桥完全一样,只不过构造尺寸改小适于高频连接,并且不再想法调平衡,而是干脆取出误差电压而已。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。谐杂波抑制实力 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实力皆在40dB以上,不会出现什么问题。而对于宽带检波低放的扫频仪及标网,不外接滤波器对寄生谐杂波是没有抑制实力的,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
9、仪器设置到测插损,将一根好的短电缆的一头接到输出口,另一头接到及屏幕显示相对应的输入口上,按执行键进展校直通后,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,应满意规定要求。假设是全频段测试的话,那一般是低端约在3040分贝左右,随着频率增高到3GHz,一般只能在20dB左右。假设全频段能在30dB以上此电缆可作测试电缆,一般状况下尤其是3GHz旁边是很难作到30dB的,能作到2
10、6dB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,起伏周期满意F=150/L,式中L为电缆的电长度米,F单位为MHz,那么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;假设低端就不好,甚至低频差高频好,或起伏数少,那么电缆本身质量不好。 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。只要不在运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电缆中屡次遇到,回损只有1014dB,粗的电缆倒不常见此状况,用户只有自己爱护自己,选择质量好的
11、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,以便实行相应措施。二测电缆插损也称测衰减 1替代法在运用要求频段下,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冲突,特殊适合于已架设好的长的粗馈管首尾相距较远的场合。 3非正常状况 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,小有起伏也没关系,那是反射叠加引起的。但假设有某一频点旁边显著高于
12、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,停顿运用。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。三同时测插损及回损 可按说明书节进展双参量测量。双参量测量精度不如单参量高,假设无必要,以采纳单参量为宜。四同轴电缆电长度的测量 1引言在射频范围内,常常采纳同轴电缆对各个功能块, 器件或振子单元进展连接即馈电,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,譬犹如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那么会提出长
13、度为/4的要求,而U形环平衡器又会提出长度为/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及电长度是一样的,在有支持片或充填介质的状况下两者是不同的,机械长度及电长度之比为波速比也有称缩波系数,或缩短系数,一般在到1之间,电长度显得长些,而实际机械长度显得短些。事实上要求的是电长度,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简洁的,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便利,因此常在末端开路的状况下进展测试。 , /4电缆的获得 仪器设定在要求的运用频率
14、下点频工作,在测回损状态下校开路及短路。 接上待测电缆末端开路,假设电缆正好为/4时,相位读数应在1800旁边。 假设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。假设连接器是细致设计,考虑了支持片的影响的,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 样本及扫频方案 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,那么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。 样本长度及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
15、值在j50旁边,如4060之间,否那么不易得到可信数据。测试频率宜低些,以削减连接器,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,电桥输入端及输出端各串一只10dB衰减器。校过开短路后,接上待测电缆。登记待测电缆在末端开路及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进展计算即可,要求高时,可在5010,否那么电缆质量不好。 .留意: 1:虽然全部/ 8奇数倍的频点皆能进展测试,但只测了前面/ 8
16、,后面/4及其倍数都是不参及的;它只供应了0点及点,这两点只及长度有关,而及Z0无关。 2:测75电缆时,请用75电桥,测试数据请乘1.5倍。 3:有人采纳测数百米长电缆的输入阻抗来代替测Z0,这并非标准方法,事实上是对电缆提出了超标准的要求。除非电缆特别好,否那么不易通过。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。 采纳全频段扫频方案,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,假设读数仍在70dB以上那么电缆性能优
17、秀,假设读数在60dB左右属良好,假设读数在40-50dB就不太好,但牵强能用,假设读数在20-30dB那么确定有了故障,一般出现在连接器处,必需重装,压紧后再测,连接器处不宜低于50dB; 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配套件的状况下,可在30-1000MHz频段内对75系统进展测量。 1测回损 主要是改用75电桥,该电桥输入输出端口仍为50,故仍旧可用原配电缆接上,而电桥测试端口为75,
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