矢量网络分析仪基础知识及S参数测量

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zui后又 称终端负载。zui常见的有负载、短路器等，复杂一点的有滑动负载、滑动短路 奖坐 W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r （回 损、驻波比、S11）更方便些。2. 两端口网络zui常见、zui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） = 20Log | T | dB，一般为负值，但有时也不记负号，0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、S21、S12、S22。这里仅简单的（但不严格）带上一笔。S11与网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zui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W1,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 | r dB当|r | 1 时，p = 1 + 21 r |（1.6）如A, B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，可由该点的矢彳至转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，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一20dB左右，甚至杂散波只有 15dB，进口扫频源好的也就在一30dB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N70dB。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，应满足规 定要求。假如是全频段测试的话，那一般是低端约在30-40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26dB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10-14dB，粗的电 缆倒不常见此情况，用户只有自己保护自己，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）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zui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. 非正常情况检测电缆时zui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 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入/4的要求，而U形环平衡器 又会提出长度为入/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）与电长度 是一致的，在有支持片或充填介质的情况下两者是不同的，机械长度与电长度之 比为波速比（也有称缩波系数，或缩短系数），一般在0.66到1之间，电长度显 得长些，而实际机械长度显得短些。实际上要求的是电长度，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容易的，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方便，因此常 在末端开路的情况下进行测试。i、入/4电缆的获得仪器设定在要求的使用频率下点频工作，在测回损状态下校开路与短路。接上待测电缆（末端开路），若电缆正好为入/4时，相位读数应在1800 附近。若6 1800则说明电缆偏长，反之则偏短。此法也适于测入/4奇数倍的电缆，致于是3入/4还是入/4,点频下是分 不清的。ii、入/2电缆的获得同前（即在点频测回损状态下校开路与短路）。接上待测电缆（末端开路），若正好为入/2则测试相位值应在00附近， 若在00以上（*象限），则电缆偏短，若在3600以下（第四象限），则偏长。此法也适于入/2整倍数的电缆，至于是入还是入/2，在点频下是分不清的。iii、与参考电缆比相对长度同前（即在点频测回损状态下，校开路与短路）。接上参考电缆（也称标准电缆），记下相位读数6 0。接上待测电缆，若读数6 =6 0则说明两电缆等长，不等则相差为6 -6 0， 注意仪器相位为ling先值，读数越大越ling先，6大于6 0则偏短，反之则偏 长。iv、几点说明 i、ii两种，由于是在入/4与入/2特殊情况下进行的，与电缆特性阻抗无关， 而第i种测试精度与特性阻抗有关，只有相同特性阻抗的电缆比较才有意义，否 则出错。在测试中有时会搞不清是长了还是短了，可以在末端或始端加一小段电缆（如 保护接头）试试，若更离开理论值说明电缆长了，若更靠近理论值则说明电缆短 了。还有一种方法，是用三个频率，即f0A f，扫频测试，若高频点接近理论 值则电缆短了，若低频点接近理论值则电缆长了。由于反射法电波在电缆上走了两次（一个来回），所以读数与误差皆要除 以2。3. 测传输相移定电缆长度在行波状态下，电缆引入的相移即其电长度，这种作法一般更符合实际使用情况， 但由于要求两端皆接上高频连接器，因此一般只适于验收，而不适于调整。下面 介绍一下比较两根电缆的相对相移。在测插损状态下，经过连接电缆与两个10dB衰减器对接后校直通。在两个衰减器之间串入参考（标准）电缆，记下相位测试值6 0。换接待测电缆，若测试值亦为6 0则两者等长，若测试值为6，6 -6 0为正则 短了，反之则长了。搞不清时，请参见上面几点说明中的第二点。4. 时域故障定位法测电缆电长度同轴电缆末端开路（或短路）测出的故障位置即电缆电长度，此法可测电缆绝 对电长度。按测回损法连接，并选时域状态。估计电缆电长度，将距离档选到合适距离，以避免模糊距离。按菜单键取出机内扫频方案后，进行开路与短路校正。接上待测电缆，进行测试，画面出现一峰点。将光标移到峰点附近后按菜单键，光标在放大下闪动，再按执行键画 面将展开四倍后重画一次，并在方格下面显出dmax=XXX等数值，此值即电缆电长度。五. 同轴电缆的时域故障定位检查1. 同轴电缆的三段反射同轴电缆可说是射频设备中少不了的一种连接件，短者几厘米，长者几百米， 它并不是一种很起眼的东西，但对系统性能确是至关紧要的一环。对同轴线可以 提出多方面的要求，现在我们只看看对它的驻波比要求。通常要求同轴电缆的驻波比1.1，即使在V频段这个要求也不低，在更高频段 那就更难了。对于电视台发射天馈系统，其系统的驻波比就要求为1.1，那分配 给馈线的指标就更不好提了。一根同轴线（电缆或馈管）从其输入端测出的驻波比是由三段反射的矢量叠 加造成的。一段是远端反射，它包括了负载的反射以及电缆输出连接器处的反射。 如果负载是无反射的标阻，则远端反射即指输出连接器处的反射，另一段是输入 连接器（包括转接器）处的反射叫近端反射。还有中间这一段由电缆本身制造公 差引起的分布反射，使用者对这段反射是无能为力的，只是把问题搞清楚而已， 以便于采取相应的措施。如何分清这三段反射呢？2. 时域分布反射的获得为分清一根电缆的三段反射，通常用时域反射计，它是一种能发射很窄脉冲 （ns级）后看其反射波形的仪器，虽然它很有权威性，但确有三点不足：*点是 有死区（或盲区）。对近端反射无能为力，因为在发射脉冲宽度内的反射一般是 被发射脉冲淹没了。第二点是它对波导系统无能为力。第三点由于发的是窄脉冲， 所占频段极宽，待测件的测试频段不能控制。如本来电缆只用于400兆赫附近， 而它测的却是几十赫到千兆赫内全频段的性能，这并不适合于一般使用者的要求， 它只是一种电缆生产厂的一种专用的贵重设备。看来这种仪器早晚是要被淘汰的， 它的性能不如测频域反算时域的方法来得灵活，而且还多花钱（作为验收，频域 仪器是必备的，假如它有时域功能就不用再买时域反射计了）。现在可用网络分析仪上的时域故障定位功能软件来完成时域反射的测试。它的作 法是在频域中测出多个有关频率的反射系数，然后经过运算来得到时域画面。纵 坐标为反射系数幅度值，横坐标为距离或时间。不单分清了三段反射而且看出了 同轴电缆上的分布反射，从而可以检查电缆制造的工艺水平或质量水平。普及型 矢量网络分析仪PNA上带有时域功能，它能根据电缆使用频段来设定扫频起止频 率，以便得到符合实际需要的时域检查。PNA的时域zui高分辨力为6cm，随着 探测长度加长而降低。下面的例子都是用PNA测的，曲线都是机内所附的微打印 机打的。对一般使用者以及专业电缆生产厂都有参考意义。从以上测试结果可以得到如下初步结论。相同品种的同轴电缆，粗的分布反射比细的分布反射小。分清三段反射能帮你找出故障（或指标差）的原因，明确改进方向。根据目前掌握的实际情况，插头的反射不宜大于0.03，电缆的分布反射不 宜大于0.01，电视用时要求还要高一些。故障定位功能是很有用的，按使用频段设定扫频频段也是有效的，宽带反 射小而起伏多，窄带的反射大而起伏少不容易漏掉故障。六. 特性阻抗的检测1. 问题的提出这里举个例子，某厂加工了一批SFF-50-1.5的带SMA插头的电缆，做了五 根样品长约120mm，都是合格的。后来做了几十根长约240mm的却全部临界，在 430MHz附近p为1.15。用时域看反射在两端插头处约0.07,为此加测了 Z0，发 现为47Q。后来换了 Z0为49.8的电缆，p只有1.04。原来做短的合格是因为 刚好反射相消，而长的长度不合适造成反射叠加，在窄带虽可用凑长度解决问题， 但zui好还是采用好的电缆为宜。当时域检测发现两端连接器处反射较大时（譬如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，此时电长度为入/8、电抗值在土 j50Q附近，如40 60Q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zui靠近2700的点（即50Q ）进行计算即可，要求高 时，可在5010Q范围内选5点进行平均，这5点之间起伏不应大于0.5Q，否 则电缆质量不好。电缆两端测出的特性阻抗有可能是不相同的，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 Q .注意：1：虽然所有入/8奇数倍的频点皆能进行测试，但只测了前面入/8， 后面入/4及其倍数都是不参与的；它只提供了 0点与8点，这两点只与长度有 关，而与Z0无关。2：测75Q电缆时，请用75Q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N70dB；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；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75Q系统的补充说明PNA本身是50Q系统测量仪器，在有75Q配套件的情况下，可在30-1000MHz 频段内对75Q系统进行测量。1. 测回损主要是改用75Q电桥，该电桥输入输出端口仍为50Q，故仍然 可用原配电缆接上，而电桥测试端口为75Q，即能按原说明书所述方法对75Q 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75Q短路器加校短路。对电桥定向性有怀疑时，可用75Q负载验证，也可采用校零措施。改用75Q电桥测试75Q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50Q电缆，在电缆另一端各接一只 50K/75Q转换，并用75Q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。3. 测增益接法与测插损相似，但应加30dB衰减器后校直通，衰减器可以 是50Q的，也可以是75Q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75Q电桥外其他与说明书全同，校短路请注意要 用细芯子的75Q短路器。注意：由于75Q与50Q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. 75Q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100 + 15Q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，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|W10015Q来要求传输 线的输入阻抗，是会闹笑话的。比如Zin=j100Q，是完全符合|Z|W10015Q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PNA100Q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： 1KHz120MHz。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zui好用测试 频率的入/8,测其末端开、短路时的输入电抗，相乘开方后即得。测试频率 MHz11062.5单端电桥测Q97 114103.6 107.7100106差分电桥测Q108113103 108103108每个频率下有四个数据（四对线），两法测试结果差别不大，看来都可以用。四. PNA100Q差分套件1 .差分转换头2. 差分电桥 它是一个由三个100Q无感电阻，与接在测试口上的待测电阻， 组成的一个平衡电桥（惠士顿电桥）。由信号源来的单端信号，通过平衡器变成差分信号后，接到电桥的对角线两端。 另一个对角线两端，再通过另一平衡器将误差信号变成单端信号后，送到仪器的 接收输入端。即可直接得测得100Q双线系统的回损或驻波比，也可测试输入阻 抗；但数值要乘2，因为仪器为50Q系统。五. 结束语直接用常规单端矢量网络分析仪测特性阻抗是可行的，测回损的误差则大了 些，但似乎尚能勉强使用，测衰减则显著偏大，测窜扰则严重失实。采用PNA100Q差分套件后，矢量网络分析仪既可胜任各种双绞线的测试， 也可进行时域故障定位测试。2.4微带线的测试一. 微带线Z0的测试 待测微带线的样本为一长度N6cm的一块微带线， 按前述测Z0方法，测此线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Z0值。二. 微带接头的测试 在一块50Q微带线的样本为一长度N6cm的微带线 两端装上连接器，对此线进行时域故障检查，调节两端连接器与微带线的过渡尺 寸，使得两端的时域反射0.03 （越小越好），样本适当长些以便分清两端分别 对待。时域测试与频域测试互相对照，有利于对被测线作出更合理的裁决，到频 域后可按菜单键再选时域返回。三. 双面复铜板介电常数的测试1. 低频测电容法1、公式推导：由物理书可知C=As 0 / t, 0=8.8552X 10-12法/米二8.8552 X 10-12F/m若A=10X10mm2, t=1,则C=0.8855P,即1平方公分的两个板间距 为1mm时的电容约0.9P，而1mm见方的面积两板间距为1mm艮口 1mm电容 =0.008855P，有介质后 C= rC r=112.9XCXt/A（2.1）ii、作法：用一只能分辨1P电容的三用表进行测试，如一块62X73mm2的复铜板，测得C为114P，而t扣除铜箔厚度后为0.96，则 r=112.9X 114X0.96/ （62X73）=2.672.5 PNA用于测波导系统PNA常用于测同轴线系统，测波导系统时，应针对手头器件情况进行相应的 变动。一测波导器件的插损与相移按菜单键，设定扫频方案并按执行键选定之。将两只同轴变波导（cg）经两只波导隔离器对接起来，入（左）端接到仪 器输出端，出（右）端接到仪器输入A （或B）端，校直通。插损量程有四档，可按I键来选择，zui小一档为0-2.5dB, zui大可 测80dB。测移相器相移与插损时，可按菜单键，选相损档，画面将随 I键反复出现四种坐标：.相位量程为180（每格72），插损量程为+1-4dB。.插损仍为+1-4dB，相位在光标点的附近平移展开（每格5）。3. 相位按180（每格72），插损量程改为+5-20dB。4. 插损仍按+5-20dB，相位在光标点的附近平移展开（每格5）。一. 用同轴反射电桥测波导器件（或系统）的反射特性1. 常规扫频测试（如图2.16）将反射电桥（RB）接到同轴变波导上，并用一块短路板将波 导口短路（封上）后，按执行键进行校：开路项目。假如同轴变波导的失配很小时，可直接连上待测件进行测试。由于波导口开路并非全反射，因此波导系统测试中一般只好用校短路来代替校 开路，这样作对测驻波比（回损）无妨，闪点参数所显驻波比（回损）数字有效。用短路代开路后相位差了 180 ,因此再用阻抗圆图来看时，就成了导纳圆图。 此时用圆图只宜用来看相位与看曲线集中情况及趋势等，而闪点参数所显相位 数值需改正负号（即差180） , R与X是不太好用的（一定要用的话，可将 R+jX用50Q除后取倒数，即得归一后的相对导纳g +jb）。用矢量便于对器件进行匹配。2. 点频计量测试法A.入/4法在上面提到的测试方法中，由于同轴变波导的失配不知道，必然带来误差， 这种误差在点频上可用入/4法分离。对于波导系统则用入g/4。以点频2450MHz为例，对于BJ-26，入g=173.36,准备一段长度为入 g/4=43.340. 1的短波导即可。做法如下：测件的反射）。以纸中心为原点，由同一原点、按同一比例在纸上画出r 0与r 1 的矢量图，连接r 0与r 1的端点a与b，找ab连线的中点m， 则。om =r cg，ma =dut。通过这种测试，准确度大大提高，搞清了问题所在，可用低档设备作出高档产 品。其实这种测试的另一目的在于，找出一个好的负载与一个好的同轴变波导以 便进行扫频测试。B.单线法（单波导法）此法实际上是入/4法的一种变通或推广，假如手头有的短波导不是入g/4, 或者想校更多的频点的话，不妨试试此法。按测回损进行连接，在同轴反射电桥上作开路与短路校正。这是因为短波导不 是入g/4而且还要扫频测试，只能在同轴反射电桥上作开路与短路校正。反射电桥接到同轴变波导，并在波导口接上待测件（同图2.17），记下0测 试值（或打印出反射数据）。在同轴变波导口与待测件之间，接入一短波导（电长度约90，或30到 150之间，不宜靠近180），记下1测试值（或打印出反射数据）。见图 2.19。同上，画出0与1的矢量图，连接0与1的端点a与b，找ab连线的 中点，过中点作ab中垂线，在中垂线上找出一点m，使得Zamb = 20 （0可由 实际波导长度算出，20 180。时，m点在 矢量三角形外）。则om = r cg，ma =dut ,误差已得到分离。此法虽然能扫 频测试，但修正还得一点一点的进行。一般使用时，带宽并不宽，即使按入g/4法进行扫频测试，精度也是够好的。（1双线法（双波导法）假如有两段长度约入g/6的短波导，即可采用此法。同B中*点，按测回损进行连接，在同轴反射电桥上作开路与短路校正。这是 因为短波导不是入g/4而且还要扫频测试，只能在同轴反射电桥上作开路与短路 校正。反射电桥接到同轴变波导，并在波导口接上待测件，记下0测试值（或打印 出反射数据）。接法见图2.17。在同轴变波导口与待测件之间，接入一短波导（电长度0约60，或30到 90之间），记下1测试值（或打印出反射数据）。在同轴变波导口与待测件之间，再接入一短波导（电长度0约60，或30 到90之间），D.调配反射计法（滑动负载法）滑动负载在波导中是很容易实现的，有了它，虽可以测三次定一圆（见上 双线法）解出cg，但通常多采用调配反射计法。这是一种典型的点频计量方法。按测回损进行连接，在同轴反射电桥上作开路与短路校正，再将反射电桥 接到同轴变波导上。在同轴变波导口接上一只四螺钉匹配器，后面再接上一只滑动负载。反复调节四螺钉匹配器，使得拉动滑动负载时反射系数的幅值不变（即回损不 变或驻波比不变，并不要求为零），此时即可认为反射计已完成调配（误差一0）。用调配后的反射计测试出的r值，即可认为是真值。3. 提高扫频测试准确度的校零法介绍计量方法的目的，除可以进行精密测试外，还有一个目的就是要通过测 试找到一只好的波导负载（驻波比1.02）作标准负载，与一只好的同轴变波导 （驻波比1.1）。假如有了一只标准负载，而且接到上述同轴变波导后所测驻波比 1.13 （回损-24dB），则可以按菜单键选校零项并执行之，从而使得测试设备的精 度与校零用的负载相当（即测试系统的剩余驻波比1.02）。但若没有好的负载， 或者接上负载后驻波N1.13,则不能校零，否则反而出错。zui好用入g/4短路波导作开路标准，扫频进行开路校正。虽然扫频作开 路校正只有一点严格有效，但常规窄带应用是可行的。三. 采用波导定向耦合器测试1. 常规扫频测试将仪器输出端经同轴变波导接到定向耦合器的主路输入端，付路反射输出 接到仪器输入皿或B）,在主路输出口用短路板封上后校开路。2. 点频计量测试法采用波导定向耦合器测试后，也能采用点频计量测试法，作法同上（见二、 中2、各项）。3. 提高扫频测试准确度的校零法 采用波导定向耦合器测试后，也能采用提高扫频测试准确度的校零法，作法同上（见二、中3、）。zui好用入g/4短路波导作开路标准，扫频进行开路校正；虽 然扫频作开路校正只有一点严格有效，但常规窄带应用是可行的。四. 采用魔T1. 常规扫频测试将仪器输出通过同轴变波导接到魔T的和支路，将差支路通过同轴变波 导接到仪器输入（A或B），将标准波导负载接到魔T的一路，另一路用短路板封 上后校开路。拆下短路板接上待测件即可进行驻波比测试。2. 点频计量测试法采用魔T测试后，也能采用点频计量测试法，作法同上（见二、中2、各 项）。3. 提高扫频测试准确度的校零法采用魔T测试后，也能采用提高扫频测试准确度的校零法，作法同上（见二、中3、）。zui好用入g/4短路波导作开路标准，扫频进行开路校正；虽然扫频作开路 校正只有一点严格有效，但常规窄带应用是可行的。 3常用器件的测试3.1电感（分立元件）一. 标称值的测试标称值一般用LCR仪器进行测试，也可用PNA进行测试。1. 用PNA3628，按测回损连接；2. 扫频方案设为0.1590MHz点频；3. 在电桥测试口上校开路与短路；4. 在测试口插上待测件即可测出其R与X值，R用于优值Q的计算，由X即可 算出电感L值。X = j3 L = j2n fL = jL （p H），因此 |X|Q = |L|p H，如 X 测试值为-j10 Q即为10p H。5. 按0.1590MHz设置，适于测1999p H；按1.590MHz设置，适于测0.199p H，即0.1|X|Q = |L|p H，读数除以 10；按0.0160MHz设置，适于测109999p H，即10|X|Q = |L|p H，读数乘以 10；6. 也可用列表扫频方案，同时使用两或三个频率进行测试。二. 射频下的电感测试这是一个值得思考的例子，有位用户在其150MHz，BP机主台发射机中一直 采用一种线圈（在1/4W电阻上，用漆包线绕40圈），其目的估计是用作扼流圈。 谁知，在PNA上一测却为容性。是仪器出了问题吗？为此，对其进行了超频带范 围的测试，结果整理如下：线圈A的阻抗轨迹为一个大圆，局部有3个小圆。线圈B （空心者）呈现4个偏 心圆。下面给一组参考数据，用0.35漆包线在6 5杆上平绕若干圈脱下来即成 为一个线圈，对于这种线圈其*谐振点f01大致可用下表查出范围。谐振时呈电阻性即6=0，用相位来定谐振点明确一些，比用8好。*个谐振点为 并联谐振形式，低于*个谐振点的频率呈电感性，高于*个谐振点的频率呈容性。 这里并不试图解决线圈估值与设计问题，而是通过实例说明：不能简单地将高频 结构用到甚高频，更不谈用到超高频。这儿主要想说明器件或零件用在什么频率， 就应该在什么频率下进行测试。对射频工作者来说，手头没有矢网进行测试，不 仅仅是不方便，有时还会作出错误的选择。3.2 电容（分立元件）一.标称值的测试1. 按测回损连接；2. 扫频方案设为63.662MHz点频（非3628型仪器只好设为63.65MHz）；3. 在电桥测试口接上短路器后校开路，取下短路器后校短路。阻抗圆图变成导 纳圆图；4. 插入待测件即可测出其导纳值（G+jB），从而算出电容C值。注意：屏幕上 仍显R+jX。但要知道其实是G+jB。经过计算（从略），|X|Q = |C|p,如测试值X 为10Q，则C为10p。同样R值也可用于优值Q的计算；5. 按63.662MHz设置时，适于测试1999p；按6.366MHz设置时，适于测试109999p，即读数乘以10；按0.636MHz设置时，适于测试10099999p，即读数乘以100；6. 也可用列表扫频方案，同时使用两或三个频率进行测试。二. 电容的高频特性在电路中经常用到瓷片电容作旁路电容，测试中发现带引线的瓷片电容呈电 容性也是有条件的。由于引线电感的参与，变成了一个串联谐振回路，随着频率 的升高依次出现*个串联谐振点与*个并联谐振，也就是说一个电容的高频测试特 性也是在圆图上周期性的绕圈。集中电容，比如zui普通的瓷片电容，由于引线电感的原因，会出现串联谐振现 象（6 =1800），超过谐振点后呈电感性。普通瓷片电容的谐振频率大致如下：高频时电容的等效串联电阻（ESR）变大，普通的贴片电容不宜用于微波频段。 需要时，可以作一夹具进行测试，其思路是：利用待测件与一段同轴线组成入/2 腔，并联在传输线上形成一个陷波器，由陷波深度即可算出ESR。如图3.6。3.3陶瓷谐振腔的测试方法陶瓷谐振腔由于耐高温，而且相对介质常数高（常在80以上），故体积小， 而且温度稳定性也好（约3ppm/C0），常用于功率较高（瓦级）的小型移动通信 设备（如手机、无绳等）。对于这种器件，一般要求测其谐振频率与Q值，对此 作者摸索了一下，大致有以下几个方法：临界耦合法、反射系数法、陷波器法、 弱耦合测频响法，下面分段简单介绍一下。一. 临界耦合法在一份美国Trans tech的应用笔记上有一短文报导了这种作法。其思路为在一矢网上作一测试夹具，测试夹具本身为一插座，其内导体伸出 一叉形簧片，插座在经过开路与短路校正后将陶瓷腔放在夹具上，陶瓷腔的引线 （通常为一薄铜片）与插座的叉形形成一个耦合电容，前后移动腔体（改变耦合 电容）使得腔形成临界耦合，则此时虚部为0，实数为50Q的点的频率，即谐振 频率。而I R I = I X I的两点间频带宽度去除谐振频率即得Q。这种测试方法在矢网上用圆图来看，是很清楚的。但在标网上也能测出，只 要先调临界耦合使得某一频率上回损小于-40dB的话，则回损zui低点的频率即 谐振频率f0。再找出两个7dB点的频率f1和f2，则Q=f0/ （f2-f1），当临 界耦合时，I R I = I X I点的反射为土j/ （2j），其反射绝对值为0.447，回 损值为-7dB。此法比较直观，但操作有困难，作者尝试后认为并不实用，因为夹具难做， 临界耦合不是那么简单就调好了的，速度太慢。二. 直接测反射系数法思路在矢网经过开短路校正后，在电桥测试端口开路时，光点在=1 （6 =0 ）处，接上陶瓷腔后，在显示屏上将出现如图（图3.1）的情况，则6 =0 的一点的频率，即谐振频率f0，记下此点的反射系数模值或回损即可算出Q。陶瓷谐振腔一般有两种作法，一是作成入/4短路线，一是作成入/2开路线。1. 入/4短路线Q = n /2/6=1.57/（1-|）（3.4）有的书上Q=n / （1-r 2），当|-1时，两者是一致的。（推导从略）1. 入/2开路腔 可如法炮制得Q=3.14/（1-|），似乎Q大了一倍， 其实由于腔长了一倍，将增大一倍，又使r减小，所以入/2腔虽比入/4腔的相 位灵敏度高一倍，但Q值却差不多。3. 参考表 上两式中r是对Zor (谐振腔的Zo)而言，而仪器测试时是对仪 器的Zo而言，则应由仪器测出之r算出P 0与p Z0，然后除上Zor得到腔内之 p r f 再算到r r，以r r代入Q值公式即得，当仪器特性阻抗Z0=50Q，陶瓷 腔Zor=7Q，可参考下表取值，使用时可用对数坐标纸画出连线以便插值。4. 实测效果谐振频率的分辨率，决定于矢网的相位分辨率，对于相位分辨率为0.10的情 况下如入/4腔，反射相位为1800即能分辨1800分之一，对于900MHz，即0.5MHz。由于|r |1，因此对仪器稳定性要求很高，而为减少接触引入的损耗，因此 要求接触良好，故夹具不好作。虽然此法比较严格，但由于实际上的问题可能并不太实用。三. 陷波器法2 .估算Zx=0 时，V0max=V/2，假定 Z0=50Q， Zx 尹 0 时，V0=50V/ ( Zx+100 )，则 T=V/V0max=100/ ( Zx+100)，因此可由测出的谐振点衰减值得到T，从而解出Zx，Zx=(100/T)-100(3.5)而陶瓷腔的Zxmax=p Z0r，陶瓷腔特性阻抗Z0r 一般在7Q左右，则可算出腔内 p r为Zx/ Z0r，由p r可得有耗腔的等效|r |代入公式可得Q，zui低点的频率 即谐振频率。示例，如某入/4腔在谐振点测得的插损为 30dB，即T=0.0316，则 Zxmax=100/T-100=3064Q，除 7 得p =437.8，F =0.99544，Q=1.57/ (1-|F | ) =344，若入/2腔也能测出30dB则Q=688。下面列几个数据以见一般。3.讨论用陷波器法测试也非常实际，操作简单，动态要求不高，但对仪器谐杂波制能 力要求很高，用一般扫频仪或标网是不行的，因为这些仪器无谐杂波制能力，测 出的插损(IL)偏低，测不出腔的真实Q值。夹具要推敲一下，否则影响结果与速度，对仪器输入输出匹配也有要求，重复性 不好，Q值数据起伏太大，不推荐采用。三. 弱耦合下测频响法1. 思路将腔体接入一段传输网络中，尽量降低耦合，以得到接近无载情况下的 数据。2. 夹具的考虑如图3.8中，Z1与Z2如用小电容来实现，在推导中会出现3 2项不好办， 用电阻可能无此问题。实际用电阻作时，插损作不高(由于两端分布电容的耦合)， 只好作成方形封闭的T形接头，方形是为了便于定位，并且还要引入一个台阶以 便腔体放入时不会掉下来。3. 实测效果在未放入腔体时，两针间系一截止波导，插损约60dB,放入陶瓷腔体后， 陶瓷腔体的连接片改变了两针之间的耦合，使插损约40dB左右，对于1900MHz 的入/2开路腔，测出3dB带宽约3.4MHz，即Q约560，与国外产品用HP8720实 测数值相符。4. 实用价值虽然这种作法的谐振频率与夹具有关，是不太严格的，但由于测试 简单被测件只要放入即可，不要求接触良好（因为原来插损就很大，接触不良不发生影响），因此是很实用的一种 方法。五. 讨论1. 几种方法的比较临界耦合法由于不易调到临界耦合，很难说有什么使用价值，而且机理 尚未搞清；直接测反射系数法 必须要矢网，频率分辨力受相位分辨力限制，对装夹 要求很严；陷波器法对动态要求不高，但对谐波抑制要求较高，因此普通扫频仪用 不起来，适于测谐振频率，而Q值不太准。弱耦合法测谐振曲线此法虽不严格，但对夹具要求低，测Q准确。谐振 频率与夹具有关，但重复性很好，适于工程中采用。2. 入/2腔比入/4腔Q高些吗？在前面公式中入/2腔的系数比入/4腔高一倍，是否Q会高一倍呢？其实不 然，由于入/2腔长了一倍，考虑损耗后Q值并不高。举个具体例子，在3GHz时7/8 同轴线每米损耗约0.1dB，若用作谐振腔， 入 /4 为 25mm,入 /2 为 50mm。入 /4 腔损耗为 0.1 X 25/1000=0.025dB,则回损为 0.05dB, | F |二0.999442, Q=2728。入 /2 腔损耗为 0.05dB,回损为 0.1dB，|r |= 0.99885, Q = 2730。可见两者Q是一样的。但入/2腔的相位灵敏度要比入/4腔快一倍，假如你能用 上这个特性的话或许有些好处，想提高Q是办不到的。3.4标准负载与反射电桥一. 标准负载经常会用到标准负载作为零反射，用来校正电桥的定向性，但标准负载是否 合乎标准呢？1. 与另一经过计量的负载相比较，作法是用已知好的负载校零反射后，再进行 测量即可，此法zui简单，而且是宽带的。二. 反射电桥电桥与负载之间有点象鸡生蛋，还是蛋生鸡的问题，没有好桥作不出好负载， 反过来没有好负载也作不出好桥，两者是互相促进的，检测电桥与检测负载差不 多。1. 在电桥校过开短路后，接上好的负载，测出剩余信号即代表电桥的定向性， 生产时就是这样作的，也只有此法zui方便。2. 拉动滑动负载，驻波应不变，在阻抗圆图上看应为一个圆；而此圆的圆心与 仪器的圆图的圆心的偏离值，即剩余反射或定向性误差，而圆的半径即代表负载 的反射，当然在此例中此值并不起作用。3. 仍然采用入/4法，桥与负载皆可得到校正。3.5转接器由于实际产品的插头各种各样，而仪器的测试接头通常只有一种，这就有个 转接问题，而且它要参与到测试值中去，因此必须对其进行检测，有几种作法。1. 在转接头后接上相应的负载后，测其输入驻波，此法虽简单，问题是不易得 到各种不同连接器的标准负载。但对于某一具体单位，对于某种常用的尺寸型号， 作些专用负载也是必要的。2. 将两个转接器对接起来后仍接仪器标准负载，进行测试，由于可能偶然会碰 上两个反射会抵消的情况，因此测试频带应尽量宽，偿若宽带内并无起伏，才能 证明转接器无问题。3. 两个转接器对接接负载后的驻波若很小，而且在两个转接器间再串入一段对 使用频率为入/4的短标准线后的驻波仍然很小，才能证明这种转接器在这个频 段没有问题，因为*次测试若反射抵消而经入/4就会变成叠加，因此两次结果皆 好，才是真好。4. 转接器的本身反射（S11）能作到40dB是很好的，也是很难的，尤其是频率 高时譬如3GHz能到30dB也就能用了。对于尺寸较大的转换，可用时域法检测，找出关键反射点，以便改进。3.6其它1. 隔离器与环流器PNA只能测单向的参数，必须掉头才能测试隔离度。2. 功分器功分器为3端口以上的器件，PNA只能测其中两个端口的参数，测试时其它端口 要接上匹配负载。3. 滤波器PNA能测滤波器的频响与驻波比，适于开发与研制，还能测试滤波器的群时延。4. 放大器请注意放大器的zui大输出问题，由于本机输入端口灵敏度较高，而内部 又无程控衰减器，承受功率小于1mW,测增益时必需外接衰减器以抵消放大器的 增益。 4线天线测试4.1驻波比测试测驻波比的连接与方法都是一样的，只是要注意几个实际问题。1.天线是有辐射的天线应置于空旷场所（有条件的话，zui好在暗室或暗 箱内测试），仪器应置于无强辐射处。当手摸电缆或仪器时，读数会变即属不正 常。注意电缆外导体必须与连接器外壳接触良好，必要时还要考虑仪器是否要加 屏蔽。2. 注意防止电缆出问题实际测量中要防止电缆出问题，不是实在必要，不宜通过电缆来进行测试， 否则电缆的不完善将影响测试精度， 作为测试电缆必须经过检验，其回损优于30dB为宜，随便找一根电缆可能只有 十几个dB那是不行的。电缆不好能否进行三项校正来提高精度呢？原则上是可以的，用双阴加阳 负载只适于1000MHz以下，而且PNA还要求电缆回损优于24dB才能校零，否则 出错。即使作为连接电缆，也常因接触不良与开短路现象造成仪器不能正常工作， 通常以为是仪器故障，其实多半是电缆出了问题。3. 带有长馈线的天馈系统在机房内测馈线端口驻波即天馈系统驻波，此时一般馈线较长，少则几米多则上 百米，这其中有三种反射，一是天线入口的反射，常称远端反射；另一种是馈线 到仪器的转接头的反射，称近端反射;还有就是zui不好控制的馈线本身的反射。为了便于观测，现在多用驻波电桥来测试，它是一种差模器件，对共模50Hz 有强的抑制，但是却带来了三种反射一起看的后果，造成反射的频响曲线起伏很 大，当然zui高点若也合格那是没有矛盾的。但经常有多点超出，此时用扫频仪 在0.01扫速档是看不出来的（由于检波滤波电路起了平滑作用，若用1秒扫速 就看见了），所以人们宁愿用扫频仪或标网而不愿用PNA。一般说来天线输入口的反射都是合格的，但由于另两项的参与就出了问题， 对于近端转接一般在米波问题不大，更高频段时就得注意，尽量要减少近端反射 以减少它带来的超差。关于主馈管的反射问题，好的主馈管会帮你忙，因为它本身反射小，所以不 怎么增加反射，而又引入了损耗，每1dB插损可增加2dB回损。但差的馈管就会 造成某些频点叠加而超限，这只有靠取平滑值（即只看曲线的中心线，但有的用 户是不会同意的，只好仍用扫频仪）。馈线差的那怕接上zui好的负载（1.01） 也会出现某个频率突跳的谐振现象，说明此馈管不宜在此频段使用，只好在其他 频段