S參數的意義及矢網實例測量方法

1、S參數的定義和意義

S參數（Scattering Parameters，散射參數）是一個表征器件在射頻信號激勵下的電氣行為的工具，它以輸入信號、輸出信號為元素的矩陣來表現DUT的“傳輸”和“散射”效應，輸入、輸出信號是可測量的物理量，測量到的物理量的大小反應出DUT對不同的輸入信號具有不同的響應，這種不同的響應程度就可以用來描述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參數來表征。

S參數是在射頻中用來描述器件特性的參數，S參數將電磁場中相關的特性轉換為網絡的概念，讓讀者可以很形象地理解電路中增益、回波損耗、穩定性、隔離度、網絡匹配等概念，將電磁場中一些電氣特性具體化為數字，提供了極大的方便。

2、S參數的測量方法

2.1 S參數的測量原理

測量2端口DUT的S參數需要使用2端口及以上矢量網絡分析儀；

圖2.1 S參數測量硬件框體

圖2.2 2端口矢量網絡分析儀簡要結構

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測量原理：

當矢網Source1-OUT1輸出信號經過reference接收機R1輸出到DUT port1，接收機A接收DUT port1反射回來的功率，測量比值被稱為回波損耗，S11=20log(a/r1),單位dB。

圖2.3 S11的信號傳輸路徑

S21測量原理：

當矢網Source1-OUT1輸出信號經過reference接收機R1輸出到DUT port1，接收機B接收DUT port2輸出的功率，測量比值被稱為正向傳輸，S21=20log(b/r1),單位dB。

圖2.4 S21的信號傳輸路徑

S12測量原理：

當矢網Source1-OUT2輸出信號經過reference接收機R2輸出到DUT port2，接收機A接收DUT port1輸出的功率，測量比值被稱為反向隔離，S12=20log(a/r2),單位dB。

圖2.5 S12的信號傳輸路徑

S22測量原理：

當矢網Source1-OUT2輸出信號經過reference接收機R2輸出到DUT port2，接收機B接收DUT port2反射回來的功率，測量比值被稱為回波損耗，S11=20log(b/r2),單位dB。

圖2.6 S22的信號傳輸路徑

2.2 如何用矢量網絡分析儀測量S參數

本例以一個20dB寬帶衰減器作為DUT，講解如何使用網絡分析儀進行詳細測試。

2.2.1 了解被測件大概指標

首先需要了解清楚被測件的大概指標，結合被測件的指標和儀器的動態范圍，在DUT可接受的頻率和功率范圍內，盡量使用儀器動態范圍內最高輸出功率和較大接收電平來進行測試，即輸入到DUT的功率盡量大，在保證不破壞接收機的情況，進入儀器接收機的功率盡量大；這樣得到的S參數跡線噪聲和抖動才會更小，測量結果才更精確。

2.2.2 測量配置

本例以一個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接收機A和傳輸到接收機B的絕對功率，將矢網port1、port2端口功率均設為0dBm（同時考慮到本例使用的電子校準件線性區在5dBm以下）；預估衰減器回波損耗大概-30dB，那么反射回A接收機的絕對功率大概為-30dBm，在接收機的線性動態范圍內；預估衰減器的衰減值大概-20dB，傳輸到接收機B的功率大概為-20dBm，在接收機的線性動態范圍內；下面開始設置矢網：

1)、preset回到初始化界面，此時矢網會默認打開Channel1，并將Channel默認設為Standard Measurement Class。

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

3)、為了使測量曲線更加平滑，Start Freq設為10M，Stop Freq設為10G，Step Freq 10M，點數越多，數據繪出來的曲線越連貫。

4)、設置power，打開Port Powers Coupled,同時設置port1、port2輸出功率為0dBm。

5)、每條Trace打開3個Marker方便讀出具體數據，打開All Marker Coupled，對于這個衰減器更關心低中高三個頻點的插損，因此分別設置10M、5G、10G;

2.2.3 校準

校準過程使用誤差模型消除多個系統誤差。通過測量高精度的SOLT校準件，矢網可以算出誤差模型中的12個誤差項。校準的準確性取決于標準校準件的質量以及校準套件定義kit文件中對校準件標定的寄生參數模型的準確性；這里使用電子校準件校準，校準件寄生參數都固化在校準件內存中，即插即用。

S參數校準操作流程如下

插上電子校準件USB，call當前s參數通道校準，將射頻線纜分別連接到電子校準件兩端，只需要一次連接即可將SOLT全部測量完成，再由矢網計算出各項誤差，將矢網端口延伸到射頻電纜端面，校準即完成，save call set。

2.2.4 準確測量

校準完后，可接上一個良好的直通件，觀察各4項s參數幅度和相位是否準確，是否比較好的集中在smith圓圖50ohm處，如果有異常說明校準有較大的誤差需檢查測試環境后再次校準，直到驗證通過后方可對DUT進行準確測量。

圖2.7 20dB衰減器測量截圖

2.2.5 保存數據

確認數據無誤后，按指定要求保存數據，完成測試。

3、總結

1)、測試數據的高度準確性應該作為測試工程師一生追求的目標，數據作為評估DUT性能的重要依據,測試數據準確性與項目生存緊密相關。

2)、所有微波射頻系統中需要緊固的點都需要用標準0.9NM扭矩扳手進行正確緊固，以保證系統的穩定性和再現性。

3)、注意保護儀器各個端口，注意保護校準件不被大功率損壞，注意保護DUT。

以上便是要給大家分享的內容，希望對大家有所幫助~~