1、S參數(shù)的定義和意義

S參數(shù)（Scattering Parameters，散射參數(shù)）是一個(gè)表征器件在射頻信號(hào)激勵(lì)下的電氣行為的工具，它以輸入信號(hào)、輸出信號(hào)為元素的矩陣來(lái)表現(xiàn)DUT的“傳輸”和“散射”效應(yīng)，輸入、輸出信號(hào)是可測(cè)量的物理量，測(cè)量到的物理量的大小反應(yīng)出DUT對(duì)不同的輸入信號(hào)具有不同的響應(yīng)，這種不同的響應(yīng)程度就可以用來(lái)描述DUT的特性，而且這種表征方法可以作為非常精確的矢量模型用于建模。

此處的DUT就包括很多無(wú)源器件如電纜、連接器、濾波器，有源器件包括放大器和混頻器等，因此都可以用S參數(shù)來(lái)表征。

S參數(shù)是在射頻中用來(lái)描述器件特性的參數(shù)，S參數(shù)將電磁場(chǎng)中相關(guān)的特性轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)的概念，讓讀者可以很形象地理解電路中增益、回波損耗、穩(wěn)定性、隔離度、網(wǎng)絡(luò)匹配等概念，將電磁場(chǎng)中一些電氣特性具體化為數(shù)字，提供了極大的方便。

2、S參數(shù)的測(cè)量方法

2.1 S參數(shù)的測(cè)量原理

測(cè)量2端口DUT的S參數(shù)需要使用2端口及以上矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；

圖2.1 S參數(shù)測(cè)量硬件框體

圖2.2 2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)

Sout-in:

out =analyzer port number where the device signal output is measured (receiver)
in =analyzer port number where the signal is applied (incident) to the device (source)

S11測(cè)量原理：

當(dāng)矢網(wǎng)Source1-OUT1輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)reference接收機(jī)R1輸出到DUT port1，接收機(jī)A接收DUT port1反射回來(lái)的功率，測(cè)量比值被稱為回波損耗，S11=20log(a/r1),單位dB。

圖2.3 S11的信號(hào)傳輸路徑

S21測(cè)量原理：

當(dāng)矢網(wǎng)Source1-OUT1輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)reference接收機(jī)R1輸出到DUT port1，接收機(jī)B接收DUT port2輸出的功率，測(cè)量比值被稱為正向傳輸，S21=20log(b/r1),單位dB。

圖2.4 S21的信號(hào)傳輸路徑

S12測(cè)量原理：

當(dāng)矢網(wǎng)Source1-OUT2輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)reference接收機(jī)R2輸出到DUT port2，接收機(jī)A接收DUT port1輸出的功率，測(cè)量比值被稱為反向隔離，S12=20log(a/r2),單位dB。

圖2.5 S12的信號(hào)傳輸路徑

S22測(cè)量原理：

當(dāng)矢網(wǎng)Source1-OUT2輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)reference接收機(jī)R2輸出到DUT port2，接收機(jī)B接收DUT port2反射回來(lái)的功率，測(cè)量比值被稱為回波損耗，S11=20log(b/r2),單位dB。

圖2.6 S22的信號(hào)傳輸路徑

2.2 如何用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S參數(shù)

本例以一個(gè)20dB寬帶衰減器作為DUT，講解如何使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

2.2.1 了解被測(cè)件大概指標(biāo)

首先需要了解清楚被測(cè)件的大概指標(biāo)，結(jié)合被測(cè)件的指標(biāo)和儀器的動(dòng)態(tài)范圍，在DUT可接受的頻率和功率范圍內(nèi)，盡量使用儀器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)最高輸出功率和較大接收電平來(lái)進(jìn)行測(cè)試，即輸入到DUT的功率盡量大，在保證不破壞接收機(jī)的情況，進(jìn)入儀器接收機(jī)的功率盡量大；這樣得到的S參數(shù)跡線噪聲和抖動(dòng)才會(huì)更小，測(cè)量結(jié)果才更精確。

2.2.2 測(cè)量配置

本例以一個(gè)20dB寬帶衰減器作為DUT，該衰減器可承受CW功率為2w @ 10G；

考慮到衰減值比較大衰減器駐波較好，為了增加反射回矢網(wǎng)接收機(jī)A和傳輸?shù)浇邮諜C(jī)B的絕對(duì)功率，將矢網(wǎng)port1、port2端口功率均設(shè)為0dBm（同時(shí)考慮到本例使用的電子校準(zhǔn)件線性區(qū)在5dBm以下）；預(yù)估衰減器回波損耗大概-30dB，那么反射回A接收機(jī)的絕對(duì)功率大概為-30dBm，在接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)；預(yù)估衰減器的衰減值大概-20dB，傳輸?shù)浇邮諜C(jī)B的功率大概為-20dBm，在接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)；下面開(kāi)始設(shè)置矢網(wǎng)：

1)、preset回到初始化界面，此時(shí)矢網(wǎng)會(huì)默認(rèn)打開(kāi)Channel1，并將Channel默認(rèn)設(shè)為Standard Measurement Class。

2)、 在當(dāng)前window新建3個(gè)Window，分別添加S21、S12、S22 3條trace，雖然這4條Trace分布在4個(gè)Window，但屬于同一個(gè)Channel，也即這4條Trace的硬件配置是同一個(gè)。

3)、為了使測(cè)量曲線更加平滑，Start Freq設(shè)為10M，Stop Freq設(shè)為10G，Step Freq 10M，點(diǎn)數(shù)越多，數(shù)據(jù)繪出來(lái)的曲線越連貫。

4)、設(shè)置power，打開(kāi)Port Powers Coupled,同時(shí)設(shè)置port1、port2輸出功率為0dBm。

5)、每條Trace打開(kāi)3個(gè)Marker方便讀出具體數(shù)據(jù)，打開(kāi)All Marker Coupled，對(duì)于這個(gè)衰減器更關(guān)心低中高三個(gè)頻點(diǎn)的插損，因此分別設(shè)置10M、5G、10G;

2.2.3 校準(zhǔn)

校準(zhǔn)過(guò)程使用誤差模型消除多個(gè)系統(tǒng)誤差。通過(guò)測(cè)量高精度的SOLT校準(zhǔn)件，矢網(wǎng)可以算出誤差模型中的12個(gè)誤差項(xiàng)。校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性取決于標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的質(zhì)量以及校準(zhǔn)套件定義kit文件中對(duì)校準(zhǔn)件標(biāo)定的寄生參數(shù)模型的準(zhǔn)確性；這里使用電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)，校準(zhǔn)件寄生參數(shù)都固化在校準(zhǔn)件內(nèi)存中，即插即用。

S參數(shù)校準(zhǔn)操作流程如下

插上電子校準(zhǔn)件USB，call當(dāng)前s參數(shù)通道校準(zhǔn)，將射頻線纜分別連接到電子校準(zhǔn)件兩端，只需要一次連接即可將SOLT全部測(cè)量完成，再由矢網(wǎng)計(jì)算出各項(xiàng)誤差，將矢網(wǎng)端口延伸到射頻電纜端面，校準(zhǔn)即完成，save call set。

2.2.4 準(zhǔn)確測(cè)量

校準(zhǔn)完后，可接上一個(gè)良好的直通件，觀察各4項(xiàng)s參數(shù)幅度和相位是否準(zhǔn)確，是否比較好的集中在smith圓圖50ohm處，如果有異常說(shuō)明校準(zhǔn)有較大的誤差需檢查測(cè)試環(huán)境后再次校準(zhǔn)，直到驗(yàn)證通過(guò)后方可對(duì)DUT進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

圖2.7 20dB衰減器測(cè)量截圖

2.2.5 保存數(shù)據(jù)

確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后，按指定要求保存數(shù)據(jù)，完成測(cè)試。

3、總結(jié)

1)、測(cè)試數(shù)據(jù)的高度準(zhǔn)確性應(yīng)該作為測(cè)試工程師一生追求的目標(biāo)，數(shù)據(jù)作為評(píng)估DUT性能的重要依據(jù),測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與項(xiàng)目生存緊密相關(guān)。

2)、所有微波射頻系統(tǒng)中需要緊固的點(diǎn)都需要用標(biāo)準(zhǔn)0.9NM扭矩扳手進(jìn)行正確緊固，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。

3)、注意保護(hù)儀器各個(gè)端口，注意保護(hù)校準(zhǔn)件不被大功率損壞，注意保護(hù)DUT。

審核編輯：劉清