S参数定义、矢量网络分析仪基础知识和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
1.1 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Z L。因为只有一个口，总是接在最后又称终端负载。最常见的有负载、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Γ（回损、驻波比、S11）更方便些。
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）= 20Log│T│dB ，一般为负值，但有时也不记负号，Φ即相移。
V2
?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。S参数的基本定义：
S11：端口2匹配时，端口1的反射系数Г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(ρ)（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：
1、对于互易网络有S12＝S21
2、对于对称网络有S11＝S22
3、对于无耗网络，有S11*S11+S21*S21＝1，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S12＝S21。
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S11<0.1，即－20dB，S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，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S21>0.7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
回波损耗(Return Loss): 入射功率/反射功率, RL=-S11=-20lg(ρ)，为dB数值
反射系数(Г):反射电压/入射电压, 为标量Г=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Г=|（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+ρ)/(1-ρ)
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)/(反射波振幅+入射波振幅)
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)
实际要求的参数
基本网络基数：
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εr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≤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. = 20Log│ΓdB （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|Г|<< 1时，ρ= 1 + 2│Γ│ （1.6）?本仪器三种读数皆有, 可任意选用。
·阻抗圆图
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－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
2.1 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λ/4的要求，而U形环平衡器又会提出长度为λ/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、λ/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λ/4时，相位读数应在1800附近。
若Φ<1800则说明电缆偏长，反之则偏短。
·此法也适于测λ/4奇数倍的电缆，致于是3λ/4还是λ/4，点频下是分不清的。
ⅱ、λ/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λ/2则测试相位值应在00附近，若Φ在00以上（第一象限），则电缆偏短，若在3600以下（第四象限），则偏长。
·此法也适于λ/2整倍数的电缆，至于是λ还是λ/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Φ0。
·接上待测电缆，若读数Φ=Φ0则说明两电缆等长，不等则相差为Φ-Φ0，注意仪器相位为领先值，读数越大越领先，Φ大于Φ0则偏短，反之则偏长。
ⅳ、几点说明
·ⅰ、ⅱ两种，由于是在λ/4与λ/2特殊情况下进行的，与电缆特性阻抗无关，而第ⅲ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f0±Δf，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Φ0。
·换接待测电缆，若测试值亦为Φ0则两者等长，若测试值为Φ，Φ-Φ0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d max=×××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：第一点是有死区（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的时域最高分辨力为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ρ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47Ω。后来换了Z0为49.8的电缆，ρ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，但最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λ/ 8、电抗值在±j50Ω附近，如40～60Ω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46～56 MHz，ΔF=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。