CN203519730U - 一种散射参数测试系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种散射参数测试系统，在测量反射系数时包括矢量网络分析仪、一个波导开关和待测件；矢量网络分析仪的端口一连接波导开关的一端；波导开关的另一端连接待测件的待测端口；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配。在测量传输系数时包括矢量网络分析仪、两个波导开关和待测件；所述矢量网络分析仪的端口一连接波导开关一的一端；波导开关一的另一端连接待测件的端口一；待测件的端口二连接波导开关二的一端；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配。本申请实现了一种无需系统校准、误差修正的散射参数测量方法。由于测试过程准实时地进行，从而消除了各项系统误差，获得了极高的测量精度。

Description

一种散射参数测试系统

技术领域

本申请涉及一种射频微波电路的散射参数测试系统。

背景技术

在射频微波电路中，传统的电压、电流概念已不再适用，而必须采用电磁波的反射及传输模式来分析。散射参数（scattering parameters，也称S参数）是建立在入射波、反射波关系基础上的参数，尤其适用于描述射频微波电路的特性。反射系数（reflection coefficient）、传输系数（transmission coefficient）是散射参数中的两种，前者用来表示电路的每一个对外端口的电磁波反射量与入射量的比值，后者用来表示电路的一个对外端口的电磁波出射量与另一个对外端口的电磁波入射量的比值。

通常采用矢量网络分析仪（VNA，vector network analyzer）来测量电路的散射参数。矢量网络分析仪是一种复杂的测试仪器，包括信号源、功率分配器、定向耦合器、驻波比桥、幅相接收机、检测器、处理器、显示器等多个模块。使用时，可根据需要选择其中的部分或全部模块。

请参阅图1，这是一种现有的反射系数测试系统，由一台矢量网络分析仪和一个待测件（DUT，device under test）所组成。其中用到了矢量网络分析仪中的信号源、功率分配器、定向耦合器、幅相接收机等模块。其中的定向耦合器如图2所示，具有输入端、输出端、隔离端、耦合端总共四个端口。定向耦合器的输出端连接待测件的待测端口。其测量原理为：功率分配器把信号源的输出信号E₀分成两路，功率分配器的分配系数分别为c₁和c₂。一路信号c₁E₀给幅相接收机作为参考信号R，另一路信号c₂E₀给定向耦合器的输入端。定向耦合器的输出端将输入端的信号传递至待测件的待测端口作为入射波a₁。从该待测端口反射回来的信号b₁回到定向耦合器的输出端，b₁＝S₁₁a₁，S₁₁为待测件的待测端口的反射系数。该反射波b₁又被定向耦合器的隔离端耦合感应到，再由耦合端给幅相接收机作为测试信号T，T＝c₃b₁，c₃是定向耦合器的耦合系数。由于

而系数c₁、c₂、c₃均为常数，因而只要测出T/R的复数比值（这可由幅相接收机测量得到），即可得到待测件的待测端口的反射系数S₁₁。

请参阅图3，这是一种现有的传输系数测试系统，由一台矢量网络分析仪和一个待测件所组成。其中用到了矢量网络分析仪的两个端口，矢量网络分析仪的端口一连接待测件的端口一，待测件的端口二连接矢量网络分析仪的端口二。其测量原理为：功率分配器把信号源的输出信号E₀分成两路，功率分配器的分配系数分别为c₁和c₂。一路信号c₁E₀给幅相接收机作为参考信号R，另一路信号c₂E₀给待测件的端口一作为入射波a₁。从待测件的端口二出射的信号b₂传递给幅相接收机作为测试信号T，T＝b₂＝S₂₁a₁，S₂₁为待测件的端口一到端口二的传输系数。由于

而系数c₁、c₂均为常数，因而只要测出T/R的复数比值（这可由幅相接收机测量得到），即可得到待测件的端口一到端口二的传输系数S₂₁。

在使用矢量网络分析仪测量电路的散射参数时，通常还需要排除各项系统误差对测量结果的影响。因此其具体实现方法是：首先计算出各项系统误差值，这被称为系统校准（calibration）。然后根据矢量网络分析仪的测量值，以误差模型（error model）和各项系统误差值计算出实际值，这被称为误差修正（error correction）。由于散射参数是复数，而且是频率的函数，因此系统校准和误差修正必须在每个频率点上进行。以上内容在清华大学出版社2000年6月出版的《现代网络频谱测量技术》一书（吕洪国编著）的第1章中具有详尽记载。

现有的散射参数测试系统在进行较短时间的测试时，通过系统校准可以达到很高的精度。然而有些测试过程可能长达数小时。当测试时间较长时，测试线缆的抖动、温度变化等会使得经过校准修正后的测试环境发生改变，从而引起矢量网络分析仪的相位、幅度发生漂移，这种漂移会使得测试结果不准确。这种系统稳定度下降的现象随着测试时间增加而日益明显，目前没有解决办法。

现有的矢量网络分析仪在进行散射参数测量时，其相位测试精度只能达到±2°，如果测试时间延长，测试精度会变的更差，如图9中具有小三角符号的实线所示。如何满足高精度、长时间的测试需求，就成为目前矢量网络分析仪应用中的一个难题。

实用新型内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种散射参数测试系统，可以解决在长时间测试过程中测试系统的稳定度变差而导致的测量结果精度下降的问题。

为解决上述技术问题，本申请散射参数测试系统在测量反射系数时包括矢量网络分析仪、一个波导开关和待测件；矢量网络分析仪仅用一个端口，矢量网络分析仪的端口一连接波导开关的一端；波导开关的另一端连接待测件的待测端口；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配；

所述散射参数测试系统在测量传输系数时包括矢量网络分析仪、两个波导开关和待测件；矢量网络分析仪仅用一个端口，矢量网络分析仪的端口一连接波导开关一的一端；波导开关一的另一端连接待测件的端口一；待测件的端口二连接波导开关二的一端；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配。

所述波导开关具有短路和导通两种状态；波导开关在短路状态相当于一个短路器，波导开关在导通状态相当于一个开路器。

传统的散射参数测试系统是通过对矢量网络分析仪中选择不同模块，并以较为复杂的系统校准、误差修正方案进行散射参数的实际测量。本申请对矢量网络分析仪不作任何改变，在矢量网络分析仪之外新增了波导开关，实现了一种无需系统校准、误差修正的散射参数测量方法。由于测试过程是比较波导开关的不同状态下的测量值的比值，是准实时地进行，从而消除了各项系统误差，获得了极高的测量精度。

附图说明

图1是现有的反射系数测试系统的结构示意图；

图2是定向耦合器的四个端口的示意图；

图3是现有的传输系数测试系统的结构示意图；

图4a、图4b是本申请的散射参数测试系统的第一实施例的结构示意图；

图5a、图5b分别是波导开关的短路、导通示意图；

图6a、图6b是本申请的散射参数测试系统的第二实施例的结构示意图；

图7a、图7b是本申请的散射参数测试系统的第三实施例的结构示意图；

图8a、图8b是本申请的散射参数测试系统的第四实施例的结构示意图；

图9是现有的、以及本申请的散射参数测试系统的测量精度示意图。

具体实施方式

请参阅图4a和图4b，这是本申请散射参数测试系统的第一实施例，用于测量反射系数。其包括矢量网络分析仪、一个波导开关和待测件。所述矢量网络分析仪只用到一个端口，例如图1中的矢量网络分析仪所示。矢量网络分析仪的该端口一连接波导开关的一端。波导开关的另一端连接待测件的待测端口。以上连接关系都由适于射频信号传输的同轴电缆来实现。待测件如果还有其他端口，则其他端口为阻抗匹配（例如连接50欧姆电阻）。

所述波导开关具有短路和导通两种状态。请参阅图5a，这是波导开关的短路状态，此时的波导开关相当于一个短路器。请参阅图5b，这是波导开关的导通状态，此时的波导开关相当于一个开路器。

上述散射参数测试系统的第一实施例实现测量反射系数的方法为：设矢量网络分析仪的端口一给波导开关的电磁波功率为P₂。

第1步，请参阅图4a，将波导开关置于短路状态，此时的波导开关将一个端口进入的电磁波全部反射回去，完全不从另一个端口输出，因而波导开关给矢量网络分析仪的端口一的反射电磁波功率也为P₂。矢量网络分析仪记录从端口一接收的电磁波功率为P₄₁，P₄₁＝P₂。

第2步，请参阅图4b，将波导开关置于导通状态，此时波导开关允许电磁波从一个端口进入并由另一个端口全部输出，因而波导开关给待测件的待测端口的入射电磁波功率也为P₂。假设待测件的待测端口的反射系数为S₁₁，则待测件的待测端口给波导开关的反射电磁波波功率为S₁₁ ²P₂，波导开关给矢量网络分析仪的端口一的电磁波功率也为S₁₁ ²P₂。矢量网络分析仪记录从端口一接收的电磁波功率为P₄₂，P₄₂＝S₁₁ ²P₂。

第3步，矢量网络分析仪计算出待测件的待测端口的反射系数

上述方法的第1步、第2步的顺序可以互换。

请参阅图6a和图6b，这是本申请散射参数测试系统的第二实施例，也用于测量反射系数。其包括矢量网络分析仪、独立于矢量网络分析仪以外的定向耦合器（以下称为外部定向耦合器）、一个波导开关和待测件。所述矢量网络分析仪用到了两个端口，例如图3中的矢量网络分析仪所示。矢量网络分析仪的端口一、端口二分别连接外部定向耦合器的输入端、耦合端。外部定向耦合器的输出端连接波导开关的一端。波导开关的另一端连接待测件的待测端口。以上连接关系都由适于射频信号传输的同轴电缆来实现。待测件如果还有其他端口，则其他端口为阻抗匹配（例如连接50欧姆电阻）。

上述散射参数测试系统的第二实施例实现测量反射系数的方法为：设矢量网络分析仪的端口一给外部定向耦合器的输入端的电磁波功率为P₁，外部定向耦合器的输出端给波导开关的电磁波功率为P₂。

第1步，请参阅图6a，将波导开关置于短路状态，此时波导开关给外部定向耦合器的输出端的反射电磁波功率也为P₂。矢量网络分析仪记录从端口二接收的来自于外部定向耦合器的耦合端的电磁波功率为P₄₁。那么外部定向耦合器的耦合度

第2步，请参阅图6b，将波导开关置于导通状态，此时波导开关给待测件的待测端口的入射电磁波功率也为P₂。假设待测件的待测端口的反射系数为S₁₁，则待测件的待测端口给波导开关的反射电磁波功率为S₁₁ ²P₂，波导开关给外部定向耦合器的输出端的电磁波功率也为S₁₁ ²P₂。矢量网络分析仪记录从端口二接收的来自于外部定向耦合器的耦合端的电磁波功率为P₄₂。那么外部定向耦合器的耦合度

第3步，令两式相等，就得到了

矢量网络分析仪可以由此计算出待测件的待测端口的反射系数

上述方法的第1步、第2步的顺序可以互换。

上述两个实施例中，可以在波导开关置于短路状态时，对矢量网络分析仪进行校准，即归零（0dB），此时对应的P′₄₁＝1。那么在波导开关置于导通状态时，矢量网络分析仪根据测量得到的P′₄₂即可直接计算出待测件的待测端口的反射系数，即

由于矢量网络分析仪自身的局限性，在如第一实施例那样进行单端口测试时，在待测件的待测端口的反射系数小于-26dB的情况下，产生的幅度误差为3dB，相位误差为20°。但是在如第二实施例那样进行双端口测试时，即使外部定向耦合器的传输系数小于-45dB的情况下，仍旧能够达到幅度误差小于0.1dB，而相位误差小于1°。因此，上述第一实施例适用于反射系数S₁₁＞0.05的待测件的待测端口。而第二实施例则不受此限制，既可以测量反射系数S₁₁＞0.05的待测件的待测端口，也可以测量反射系数S₁₁≤0.05的待测件的待测端口。第二实施例将待测件的待测端口的反射系数的测量转换为外部定向耦合器的传输系数的测量，所以第二实施例比第一实施例有更高的精确度。

请参阅图7a和图7b，这是本申请散射参数测试系统的第三实施例，用于测量传输系数。其包括矢量网络分析仪、两个波导开关和待测件。所述矢量网络分析仪只用到一个端口，例如图1中的矢量网络分析仪所示。矢量网络分析仪的该端口一连接波导开关一的一端。波导开关一的另一端连接待测件的端口一。待测件的端口二连接波导开关二的一端。以上连接关系都由适于射频信号传输的同轴电缆来实现。待测件如果还有其他端口，则其他端口为阻抗匹配（例如连接50欧姆电阻）。

上述散射参数测试系统的第三实施例的实现测量传输系数的方法为：设矢量网络分析仪的端口一给波导开关一的电磁波功率为P₂。

第1步，请参阅图7a，将波导开关一置于短路状态，波导开关二的状态随意。此时波导开关一给矢量网络分析仪的端口一的反射电磁波功率也为P₂。矢量网络分析仪记录从端口一接收的电磁波功率为P₄₁，P₄₁＝P₂。

第2步，请参阅图7b，将波导开关一置于导通状态，波导开关二置于短路状态。此时波导开关一给待测件的端口一的入射电磁波功率也为P₂。假设待测件的端口一到端口二的传输系数为S₂₁，端口二到端口一的传输系数为S₁₂，则待测件的端口二给波导开关二的出射电磁波功率为S₂₁ ²P₂。此时波导开关二给待测件的端口二的反射电磁波功率也为S₂₁ ²P₂。待测件的端口一给波导开关一的出射电磁波功率为S₁₂ ²S₂₁ ²P₂。波导开关一给矢量网络分析仪的端口一的电磁波功率也为S₁₂ ²S₂₁ ²P₂。矢量网络分析仪记录从端口一接收的电磁波功率为P₄₂，P₄₂＝S₁₂ ²S₂₁ ²P₂。

第3步，如果待测件是无源多端口（两个以上端口）器件，且除了端口一和端口二以外的其余端口都为阻抗匹配，那么S₁₂＝S₂₁。矢量网络分析仪计算出待测件的端口一到端口二的传输系数

上述方法的第1步、第2步的顺序可以互换。

请参阅图8a和图8b，这是本申请散射参数测试系统的第四实施例，也用于测量传输系数。其包括矢量网络分析仪、独立于矢量网络分析仪以外的定向耦合器（以下称为外部定向耦合器）、两个波导开关和待测件。所述矢量网络分析仪用到了两个端口，例如图3中的矢量网络分析仪所示。矢量网络分析仪的端口一、端口二分别连接外部定向耦合器的输入端、耦合端。外部定向耦合器的输出端连接波导开关一的一端。波导开关一的另一端连接待测件的端口一。待测件的端口二连接波导开关二的一端。以上连接关系都由适于射频信号传输的同轴电缆来实现。待测件如果还有其他端口，则其他端口为阻抗匹配（例如连接50欧姆电阻）。

上述散射参数测试系统的第四实施例实现测量传输系数的方法为：设矢量网络分析仪的端口一给外部定向耦合器的输入端的电磁波功率为P₁，外部定向耦合器的输出端给波导开关一的电磁波功率为P₂。

第1步，请参阅图8a，将波导开关一置于短路状态，波导开关二的状态随意。此时波导开关一给外部定向耦合器的输出端的反射电磁波功率也为P₂。矢量网络分析仪记录从端口二接收的来自于外部定向耦合器的耦合端的电磁波功率为P₄₁。那么外部定向耦合器的耦合度 $C=10\log \frac{P_2}{P_{41}}.$

第2步，请参阅图8b，将波导开关一置于导通状态，波导开关二置于短路状态。此时波导开关一给待测件的端口一的入射电磁波功率也为P₂。假设待测件的端口一到端口二的传输系数为S₂₁，端口二到端口一的传输系数为S₁₂，则待测件的端口二给波导开关二的出射电磁波功率为S₂₁ ²P₂。此时波导开关二给待测件的端口二的反射电磁波功率也为S₂₁ ²P₂。待测件的端口一给波导开关一的出射电磁波功率为S₁₂ ²S₂₁ ²P₂，波导开关一给外部定向耦合器的输出端的电磁波功率也为S₁₂ ²S₂₁ ²P₂。矢量网络分析仪记录从端口二接收的来自于外部定向耦合器的耦合端的电磁波功率为P₄₂。那么外部定向耦合器的耦合度 $C=10\log \frac{S_{12}^2{S}_{21}^2{P}_2}{P_{42}}.$

第3步，令两式相等，就得到了

如果待测件是无源多端口（两个以上端口）器件，且除了端口一和端口二以外的其余端口都为阻抗匹配，那么S₁₂＝S₂₁。矢量网络分析仪可以由此计算出待测件的端口一到端口二的传输系数

上述方法的第1步、第2步的顺序可以互换。

上述两个实施例中，可以在波导开关置于短路状态时，对矢量网络分析仪进行校准，即归零（0dB），此时对应的P′₄₁＝1。那么在波导开关置于导通状态时，矢量网络分析仪根据测量得到的P′₄₂即可直接计算出待测件的待测端口的反射系数，即

类似地，由于第三实施例仅用到矢量网络分析仪的单端口进行测量，而第四实施例仅用到矢量网络分析仪的双端口进行测量，因此第四实施例的测量精度更高、适用范围更广。

当定向耦合器的输入端与输出端之间的传输系数S₂₁≤0.005（即-45dB）时，上述第二实施例、第四实施例仍保持着较高的测量精度，幅度误差在0.1dB以下、相位误差在1°以下。

上述四个实施例中，通常由一台计算机（未图示）控制着矢量网络分析仪和波导开关。计算机不仅控制波导开关的通断，还控制着矢量网络分析仪产生和接收射频信号，并实现对测试信号的读取和处理，从而实现测量反射系数或传输系数。

本申请散射参数测试系统可以用于测量无源器件、有源器件的任意端口的反射系数，还可用于测量无源多端口器件的任意两个端口之间的传输系数。

为满足测试需求，通常要求所使用的波导开关在导通时的反射系数小于所连接的待测件端口的反射系数，同时要求所使用的波导开关在短路时反射的电磁波能够被矢量网络分析仪检测到（即大于矢量网络分析仪的最低检测门限）。

为了提高测量精度，优选地，所使用的波导开关在导通时的反射系数小于所连接的待测件端口的反射系数的十分之一，所使用的波导开关在短路时的反射系数≥50%。此时，本申请在测量反射系数、传输系数时各元器件所引入的测量误差就可以忽略不计。

通过选择合适的波导开关，可以使其在短路状态和导通状态之间的切换时间很短，例如达到100ms左右。在较短的时间内，矢量网络分析仪测量得到的P₄₁和P₄₂可以认为是准实时的。本申请通过P₄₂与P₄₁的比值，来得到待测件的待测端口的反射系数S₁₁或者是待测件的两个端口之间的传输系数S₂₁。这种测量方式对波导开关之前的所有误差（包括矢量网络分析仪、定向耦合器、线缆由于温度以及运动带来的幅值、相位漂移等）都进行了准实时地校正。试验表明，更优选地，当波导开关在导通时的驻波比VSWR＜1.1，在短路时的反射系数S₁₁>-1.5dB，则本申请可以将矢量网络分析仪在测量时的相位稳定性提升到±0.35°以内，如图9中不带小三角的实线所示，从而满足长时间、高精度的测试需求，解决了困扰着矢量网络分析仪的应用的一大难题。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种散射参数测试系统，其特征是，在测量反射系数时包括矢量网络分析仪、一个波导开关和待测件；矢量网络分析仪仅用一个端口，矢量网络分析仪的端口一连接波导开关的一端；波导开关的另一端连接待测件的待测端口；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配；

在测量传输系数时包括矢量网络分析仪、两个波导开关和待测件；矢量网络分析仪仅用一个端口，矢量网络分析仪的端口一连接波导开关一的一端；波导开关一的另一端连接待测件的端口一；待测件的端口二连接波导开关二的一端；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配；

所述波导开关具有短路和导通两种状态；波导开关在短路状态相当于一个短路器，波导开关在导通状态相当于一个开路器。

2.根据权利要求1所述的散射参数测试系统，其特征是，在测量反射系数时还包括外部定向耦合器；矢量网络分析仪仅用两个端口，矢量网络分析仪的端口一、端口二分别连接外部定向耦合器的输入端、耦合端；外部定向耦合器的输出端连接波导开关的一端；波导开关的另一端连接待测件的待测端口；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配；

在测量传输系数时还包括外部定向耦合器；矢量网络分析仪仅用两个端口，矢量网络分析仪的端口一、端口二分别连接外部定向耦合器的输入端、耦合端；外部定向耦合器的输出端连接波导开关一的一端；波导开关一的另一端连接待测件的端口一；待测件的端口二连接波导开关二的一端；待测件或者没有其他端口，或者其他端口均为阻抗匹配。

3.根据权利要求1或2所述的散射参数测试系统，其特征是，在测量反射系数或传输系数时均还包括计算机；所述计算机控制波导开关的短路状态和导通状态的切换，还控制着矢量网络分析仪产生和接收射频信号。

4.根据权利要求1所述的散射参数测试系统，其特征是，波导开关在导通时的反射系数小于所连接的待测件端口的反射系数，波导开关在短路时反射的电磁波大于矢量网络分析仪的最低检测门限。

5.根据权利要求4所述的散射参数测试系统，其特征是，波导开关在导通时的反射系数小于所连接的待测件端口的反射系数的十分之一，波导开关在短路时的反射系数≥50%。

6.根据权利要求5所述的散射参数测试系统，其特征是，波导开关在导通时的驻波比VSWR＜1.1，在短路时的反射系数S₁₁＞-1.5dB。

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