网络分析仪中的S参数测试及解答(1)

　　S参数被大量应用于高速电路和高频电路设计和仿真中，不仅仅是信号完整性和电源完整性工程师需要了解S参数，对于电子工程师、测试工程师和EMC工程师等等都需要了解，如果看不懂S参数曲线，那就无从分析频域信号，在高频的时候参数变化也无从说起。今天我们总结了关于网络分析仪中的S参数测试问题。

　　测试一下， 关于网络分析仪和S参数，您能回答多少问题?

　　Q: 什么是S参数

　　A: S-parameters S参数通过指定反射信号的幅度和相位，描述射频信号如何响应设备端口的值。该名称来源于“散射 Scattering parameter”的S。S参数可以以表格或图形的形式表示，并且是有价值的测量，因为它们可以洞察设备的整体性能和健康状况。

　　S参数是一个复数矩阵，反映了在频域范围内的反射信号 / 传输信号的特性(幅度/相位)。

　　S参数指元器件反射信号和传输信号的特性，因此S参数包含反射参数，如S11，S22等;传输参数S12，S21等。下面一幅图介绍S11,S12,S21,S22参数。

　　S参数一直占据着微波理论和技术中最重要的位置，它们包括了早已为工程师所熟悉的测量项目，例如 S11(输入匹配)、S22(输出匹配)、S21(增益/ 损耗)、S12(隔离度)等，这些测量项目的测试结果可以很方便地导入到电子仿真工具。

　　在矢量网络分析仪的术语中，一般用参考通道(R) 表示入射波的测量结果。A 通道负责测量反射波，B 通道负责测量传输波。

　　在知道了这些波的幅度和相位信息之后，便能定量描述被测器件(DUT) 的反射特性和传输特性。反射特性和传输特性可以用矢量(幅度和相位)、标量(只有幅度)或纯相位表示。例如，回波损耗是反射的标量测量结果，而阻抗则是反射的矢量测量结果。我们也可以使用比值测量法进行反射和传输测量，这样可以避免受到绝对功率以及源功率随频率变化产生的影响。反射量的比值通常用A/R 表示，而传输量的比值为B/R，它们与仪器中的测量通道有关。

　　Q: 为什么使用S参数?

　　Q: S参数表达式是什么?

　　Q: 回波损耗(dB)和电压驻波比(VSWR)之间有什么关系?

　　A: 回波损耗是以对数形式(dB) 表示反射系数的一种方法。回波损耗是反射信号低于入射信号的dB 数。回波损耗总是为正数，介于无限大(使用特性阻抗负载端接)和 0 dB(开路或短路端接)之间。另一个表示反射信号的常用术语是电压驻波比(VSRW)，它定义为射频包络的最大值与最小值之比。它等于(1 + r)/(1 – r)。VSWR 的数值范围为1(无反射)到无限大(全反射)。

　　以dB为单位给出回波损耗(变量 = RL )，然后计算 VSWR：

　　反射系数的幅度定义为 Rho , 这里 Rho = ( 10 ^ (RL/-20)):

　　也就是说如果 RL = 20dB, 计算 Rho = (10 ^ (20/-20)) = 10 ^ (-1) = 0.1

　　下一步, VSWR = Emax / Emin = ( 1+ Rho) / (1 - Rho)

　　在上面的例子中 VSWR = ( 1 + 0.1) / ( 1 - 0.1) = ( 1.1 / 0.9 ) = 1.222:1

　　因此对于 20dB 的回波损耗，等效 VSWR 为 1.222:1

　　同样，将 Rho 代入 VSWR 等式, 按下式计算:

　　VSWR = ( 1 + [ 10 ^ { RL/-20 }] ) / ( 1 - [ 10 ^ { RL/-20 }] )

　　Table of Common Return Loss, Rho and Vswr Equivalencies:

　　传输系数

　　传输系数的定义为总发射电压除以入射电压(參考下图)。

　　若发射电压的绝对值大于入射电压的绝对值，则意味着被测器件或系统有增益。若发射电压的绝对值小于入射电压的绝对值，则意味着被测器件或系统有衰减或插入损耗。传输系数的相位部分称为插入相位。

　　Q: 什么是矢量网络分析仪 VNA?

　　A: 矢量网络分析仪(VNA)是测量电气网络参数的测试仪器。 它们对于各种无源和有源器件(包括滤波器、天线和功率放大器)的射频(RF)和微波元器件分析至关重要。网络分析仪是在设计和生产过程中进行传输、反射和阻抗测量以及 S参数测量的理想仪器。

　　Q: 网络分析仪有什么用途?

　　A: 网络分析仪可执行元器件表征测试。 网络分析仪向射频网络或被测器件(DUT)提供经过校准的激励信号，并通过相位和幅度信息测量频率上的矢量响应。 一台 VNA 即可获得传输(传输系数、插入损耗、增益)、反射(反射系数、VSWR、回波损耗)和阻抗测量结果，以及 S参数 S11、S12、S21、S22。

　　Q:矢量网络分析仪的工作原理是什么?

　　A: 网络分析仪包括信号源和接收机。 接收机将会检测器件(或网络)的输出信号的变化，然后与输入该器件的源信号进行比较。 为了评测器件对电流和电压的影响，VNA 会测量其引起的幅度和相位响应。 由此得到传输和反射测量结果、阻抗和 S参数，测试工程师可以根据这些结果表征他们的被测器件。

　　Q: 网络分析仪为什么测量 S参数(散射参数)，而不是 H, Y 和 Z参数? S参数有什么优点?

　　A: S参数，也就是散射参数，S代表了Scatter，直接翻译是“分散〞的意思，在电路中代表频域特性观察，与Z参数 (Impedance parameter)一样(还有Y参数，代表阻抗的倒数1/)，属于多端口网络系统的参数-是微波传输中的一个重要参数。

　　如果信号频率在微波范围，鉴于下述理由不能测量宽范围的H、Y和Z参数(在基本网络理论中使用)：

　　难以测量被测器件端口的总电压和总电流

　　有源器件在短路和开路时可能不稳定或损坏

　　S-参数测量的游动波形，而不是总电压和总电流。

　　S参数的优点：

　　确定S-参数的基本测量是熟悉的，并适合微波测量：反射系数、衰减(增益)、相位。

　　S-参数便于分析：可通过级联各元件计算系统性能。

　　可使用流图分析，从而简化对微波系统的分析。

　　用多个 S参数可以很容易地预测系统性能

　　Q: 测试PCb上的阻抗时对地端连接有什么要求吗?

　　A: 如果您PCB上有同轴连接器，网络分析仪电缆连接同轴接头时就接地了，(接头中心导体传输信号，外导体接地);如果是用探针测量PCB上的传输线，探针上一般也有传信号的针和接地的针。

　　Q: 如何用网络分析仪测试驻波比及反射系数?

　　A: 用网络分析仪来测试驻波比和反射系数非常简单，反射系数即是S11，参数设置为S11，格式为log mag即为S11的幅度，将格式设置为SWR即可直接得出驻波比。将参数设置好，然后进行校准，然后测量，仪器可以直接以图形的方式给出结果。

　　Q: 关于阻抗测试，是网络分析仪准确，还是TDR(示波器)测试准确?

　　A: 理论上说，频域测量和时域测量是完全等效的，能够互相转换。因此在相同的系统上升时间、相同的校准方法的基础上测量的时域阻抗也是一致的。

　　但在实际应用中，网络分析仪VNA有更精确的校准算法可以去除电缆、接头、PCB夹具的影响，而TDR做这些校准是比较困难的，因此通常VNA的精度更高一些。

　　Q: VNA 是否需要校准?如何校准矢量网络分析仪?

　　A:是的，所有 VNA 都经过校准，以确保获得最高质量的结果。 校准过程包括调整仪器以使用可追溯的精度和相位测量标准消除硬件系统误差。

　　校准过程可以手动或自动完成，但在大多数情况下，使用手动方法。 常用的校准方法包括基于不同参数的 SOLT 和 TRL，以消除系统误差。 手动校准包括从 VNA 软件中的可用信号列表中选择一个已知的激励信号，然后调整幅度和相位，直到该值与来自已知激励源的值相对应。 网络分析仪应使用参考校准器定期校准，以确保分析仪正确测量。 定期校准保证与国际标准匹配。

　　Q: 能否分享Keysight网络分析仪E5071C快速校准操作步骤?

　　我們以是德科技(原安捷伦)E5071C网络分析仪爲例。广泛的用于天线、基站、无源组件、射频有源器件等测试。网分使用之前一定要做好校准，才能保证测试结果的精度。今天我们以E5071C频率为8.5G的网分，来进行校准的操作。首先打开E5071C矢量网络分析仪，校准之前需要先选择校准套件。按“Cal”(校准)键→“Cal Kit”(校准套件)，然后选择校准套件。我们使用的校准套件为85032F，可以选择85032F就行。

　　我们可以1-2-3-4按顺序进行端口校准(反射测试)，首先我们在1端口接上同轴线缆后，我们看到阻抗偏离度较大，约有10%。我们来校准1端口，按下“Cal”(校准)键→“Calibrate”(校准)→“1-Port Cal”(1端口校准)。此时会显示1-Port Cal 85032F，下面是Open，Short，Load三个按钮。在测试端口连接上Open校准器，点击Open →Open(f)，我们使用的校准器为母头，所以选择Open(f)，听到嘀一声响后返回上一级菜单。拧下Open校准器，换上Short校准器，点击Short →Short(f)，听到嘀一声响后返回上一级菜单。拧下Short校准器，换上Load校准器，点击Load →Load(f)，听到嘀一声响后返回上一级菜单。最后点击“Done”，完成单端口校准。此时返回测量界面，按下Format →Smith →R+jX，Smith圆图阻抗归一到了最中心点，阻抗误差小于0.1欧姆。以此类推，我们可以对2-3-4端口进行单端口的校准。

　　如果要测试传输响应，我们还需要针对2个端口进行直通校准，我们以1-3端口为例。把两条线缆通过直通头短接，点击“Cal”(校准)键→“Calibrate”(校准)→“Response(Thru)”，进去菜单可以选择1-2,1-3,1-4,2-3,3-4等等两端口组合，我们选择1-3端口，点击“Thru” →“Done”，可以看到S31插入损耗参数的测试结果已经归零，电缆线的损耗已经补偿。

　　Q: 网络分析仪校准的时候必须校准50ohm阻抗吗? 是不是校准也要去掉线损，对网份和要测的网络之间的线材有什么要求吗?

　　A: 如果网络分析仪系统阻抗设为50 Ohm，校准件也是50 ohm校准件，那么校准之后网络分析仪端口的输出阻抗就是50 Ohm匹配。校准是在电缆端口上进行的，因此校准过程中会自动去除线损(校准误差项中包含线损和失配)。

　　网络分析仪和被测件之间的线材取决于需要测量的频率，频率越高，线材要求越好。除了线材之外对同轴连接器也有一定的要求。线材常用的有FR4， 高性能的如Rogers4350。连接器普通常见的有SMA接头，高性能的如西南微波的同轴接头。

　　Q: 史密斯圆图 Simith Chart所显示的阻抗是指网络的输入阻抗吗?

　　A: 没错是网络的输入阻抗。圆图中心点是您设置的网络分析仪系统阻抗。圆图上显示的测量曲线是您的被测件在不同频率上的阻抗值。

　　简单说，史密斯圆图是归一化阻抗的图形表示。

　　更直观地进行阻抗变换

　　在某个频率点，可以有多种方式对匹配电路进行调节，使之到达某种特征阻抗。

　　当设计阻抗匹配网络时，在传输线理论以及电路设计中会使用到史密斯圆图。

　　网络分析仪会使用史密斯圆图来显示在特定频率范围内的复数阻抗。史密斯圆图可显示所有类型的复数。如果我们观看复数阻抗史密斯圆图，可以看到从左到右阻抗值从0 Ω 逐渐增加到无穷大。

　　Q: 通常情况下我发现测试低阻抗时测试误差值太大,比如测试1欧姆左右的特性阻抗, 有没有办法提高其精度?

　　A: 您指的是频域阻抗吗?还是时域阻抗?如果您指的是在测低阻抗时S11的波动很大，这个波动大不一定代表了误差大，可能是测量的真值。

　　例如在50 Ohm的特性阻抗下，如果负载阻抗是51 Ohm, S11Linear = (51 – 50 ) / (51 + 50) = 0.01, 如果负载阻抗变为52 Ohm，

　　S11Linear = (52 – 50) / (52 + 50) = 0.02，只变化了0.01;如果特征阻抗是1 Ohm，负载阻抗是2 Ohm时，S11Linear = (2 – 1) /(2 +1)。

　　网络分析仪测试频域阻抗的原理是从测得的S参数通过计算转换得到Z，从S11转换到Z的过程在系统阻抗附近具有最好的灵敏度。

　　在现有条件下，可以通过尽量优化S11的精度来尽量得到更好的Z精度，例如减小中频带宽，增加平均都可以减小网络仪的噪声，优化S11精度，进而尽量得到更好的Z精度。

　　Q: 一般在什么条件改变的时候，就需要重新校准网络分析仪?

　　A: 矢量网络分析仪校准是基于某一个测试状态，包括仪器设置(频率范围，点数，中频带宽等)，电缆状态，测试硬件连接，温度等。其中任何一个因素变化都建议重新进行校准。一般情况下，在环境温度变化较小，仪器设置和硬件连接不变的情况下，可以一天校准一次。如果对测量精度有更高的要求，需要查阅网络分析仪的技术指标，看它的幅度和相位随时间和温度的漂移有多少，来确定你需要多长时间重新校准一次。

　　Q: 矢量网络分析仪ENA是差分100ohm的设备,当量测不是差分100ohm的待测物时(如差分85ohm),测试夹具要制做成差分100ohm还是差分85ohm?

　　A: 对您的情况，夹具通常做成85 Ohm。从时域TDR上看，夹具两侧的同轴部分是100 Ohm的，而中间连接DUT部分的阻抗为85 Ohm。

　　Q: 1.PLTS物理层测试系统分析阻抗时，如果只有S11或S22 参数和S11/S22/S21/S12 参数齐全的时候结果有差别吗? 如果有主要是什么原因造成的? 2.PLTS分析阻抗，如何根据我的线路长度来设定测试频率范围，扫描点数等参数最后才能得到一个比较可信的结果? 3.能介绍下AFR的原理和过程以及注意事项吗?

　　A: 如果有传输参数，PLTS物理层测试系统在时域变换时会从传输参数中推算出器件的电长度，从而优化时域变换的起始时间和截止时间，如果只有反射参数，时域变换的时间范围会有所区别，在不同的时间范围做时域变换，得到的时域响应会稍有差别，但是很小;测量时域阻抗时通常会先规定一个测量的系统上升时间，上升时间越快，测量的阻抗波动越大，而系统上升时间是由测量带宽决定的，在通常的窗函数系数下，20 GHz带宽的对应了35 ps的系统上升时间，您可以根据您需要的系统上升时间确定测量带宽;从信号与系统理论上讲，频域采样对应了时域的周期延拓，如果您的传输线长度超过了一个时域周期，一个周期的部分时域响应会和下一周期的时域响应叠加到一起，实际测量时要避免这种情况。时域周期和频域的频率间隔是倒数关系，因此在某一频率间隔下能测量的最长传输线长度为Range(meters) = (1/Δf) * Vf* c，其中Δf为测量频率间隔(频率范围 / 点数)，Vf为传输线的速度因子，c为光速 PLTS的AFR(Automatic Fixture Removal)功能是为了解决非同轴测试的夹具移除问题的，它能将一个直通从数学上分成两半，从而得到左右两侧夹具的特性进行去嵌入。直通和夹具可以是单端的，也可以是差分的。除了从直通提取夹具特性之外，它还能通过PCB上的开路或短路件提取夹具特性。如果是差分夹具，AFR要求直通尽量上下对称;另外AFR要求直通长度既不能太小(至少5倍系统上升时间)，也不能太大(直通插损和回损不能有交叉点)。

　　"自动夹具移除(AFR)可以更简单地从非同轴器件测量结果中去除夹具效应。"

　　Q: 用矢量网络分析仪测试线圈的电感值能精确到小数点后几位?通常测试的时候一般小数点后两位就会开始跳动，怎么设置能有更高的精确度?

　　A: 用矢量网络分析仪测试电感的原理是先得到S11->Z->L。所以L的精度主要由于S11的精度和转换到Z的灵敏度决定，后者是固定的公式。所以可以通过尽量优化S11的精度来得到更准确的L值。方法是校准正确，减小中频带宽，增加平均。

　　Q: 矢量网络分析仪与网络分析仪的区别? 如何根据产品的不同来选择不同的校正类型? 如Short,open,load,Thur.

　　A: 网络分析仪有标量和矢量之分，现在的网络分析仪基本都是矢量网络分析仪。

　　矢量网络分析仪校准方法取决于您的器件的接头类型，如果有标准的同轴接头，如3.5 mm， SMA，N型等，可以直接使用SOLT校准方法，用机械或者电子校准件都可以;如果您的器件的接头类型是非同轴的，如USB连接器，那么需要考虑TRL校准;或者先校准到同轴，然后提取夹具的效应再做去嵌入

　　Q: 如果把S参数转换成眼图，同时矢量网络分析仪VNA的测量又更为精确，那样TDR还有什么优势呢?

　　A: 矢量网络分析仪VNA和TDR相比有更大的系统动态范围，更精确的误差修正。TDR的优势是直接时域测量TDR和TDT对数字工程师更加直观。但是数据速率不断提高，需要测量的频率也越来越高，很多数字工程师也需要综合考虑时域和频域的测量。很多测试规范都规定了时域阻抗、skew，频域的插损、串扰等的测试。

　　Q: 如何测试天线连接到PCB上的阻抗?

　　A: 我理解您的问题是在测量天线阻抗时会受到PCB夹具的影响，如何去除PCB夹具的效应。PNA或PLTS的AFR(Automatic Fixture Removal)功能能够很方便地提取PCB夹具的特性，有了夹具的S参数之后您只需要对天线测试做去嵌入就可以去掉PCB夹具的影响。