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1、S 参数定义、矢量网络分析仪基础知识及 S 参数测量 S 参数定义、矢量网络分析仪基础知识及 S 参数测量 1 基本知识1 基本知识 1.1 射频网络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 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
2、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 （回损、 驻波比、S11）更方便些。 2两端口网络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
3、，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。 V2 S 参数的基本定义：S 参数的基本定义： S11： 端口 2 匹配时，端口 1 的反射系数及输入驻波，描述器件输入端的匹配情况， S11=a2/a1;也可用输入回波损耗 RL=-2Olg()（能量方面的反应）表示。 S22：端口 1 匹配时，端口 2 输出驻波，描述器件输出端的匹配情况，S22=b2/b1。 S21：增益或插损，描述信号经过器件后被放大的倍数或者衰减量。S21=b1/a1. 对于无源 网络即传输系数 T 或插损，对放大器即增益。 S12：反向
4、隔离度，描述器件输出端的信号对输入端的影响，S12=a2/b2。 特点：特点： 1、对于互易网络有 S12S21 2、对于对称网络有 S11S22 3、对于无耗网络，有 S11*S11+S21*S211，即网络不消耗任何能量，从端口 1 输入的能 量不是被反射回端口 1 就是传输到端口 2 上 4、在高速电路设计中用到的微带线或带状线，都有参考平面，为不对称结构（但平行双导 线就是对称结构） ，所以 S11 不等于 S22，但满足互易条件，总是有 S12S21。 假设 Port1 为信号输入端口，Port2 为信号输出端口，则我们关心的 S 参数有两个 ： S11 和 S21，S11 表示回波
5、损耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好， 一般建议 S110.7，即 3dB。 如果网络是无耗的，那么只要 Port1 上的反射很小，就可以满足 S210.7 的要求，但通 常的传输线是有耗的，尤其在 GHz 以上，损耗很显著，即使在 Port1 上没有反射，经过长距 离的传输线后，S21 的值就会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消 耗在路上了。 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。 反射系数、回波损耗、电压驻波比反射系数、回波损耗、电压驻
6、波比 回波损耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, RL=-S11=-20lg()，为 dB 数值 反射系数(): 反射电压/入射电压, 为标量 =反射波振幅/入射波振幅=(传输线特性 阻抗-负载阻抗)/(传输线特性阻抗+负载阻抗)，即 =|（ZL-Zo）/（ZL+Zo）的绝对值 电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压，VSWR=电压最大值/电 压最小值=Umax/Umin= (1+反射系数模值)/(1-反射系数模值）=(1+)/(1-) 行波系数：K=电压最小值/电压最大值=Umin/Umax=(入射波振幅-反射波振幅)/(
7、反射波 振幅+入射波振幅) 反射系数、回波损耗、驻波比对照表(反射系数、回波损耗、驻波比对照表(RL 单位是 dB,实际值是负值RL 单位是 dB,实际值是负值) ) 实际要求的参数 基本网络基数：基本网络基数： 1.2 传输线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述匹配特性，人们
8、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. = 20LogdB （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| 1 时， = 1 + 2 （1.6） 本仪器三种读数皆有, 可任意选用。 阻抗圆图 如 A，B
9、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
10、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
11、再重复。 1.3 有关仪器的几个术语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
12、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
13、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 传输线的测量 2.1 同轴线缆的测量2.1 同轴线缆的测量 一测电缆回损一测电缆回损 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 3040 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 26d
14、B 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 1014dB，粗的电缆倒不常见此情况，用户
15、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）二测电缆插损（也称测衰减） 1替代法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 3非正常情况 检测电缆时最好用全频段测试，
16、 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四同轴电缆电长度的测量 1引言 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/4 的要求，而
