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基于TDR的S参数测量

发表时间:2018/8/24 14:49:30  来源:互联网,RF技术社区  浏览次数:5862  
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引言

在频域、时域、阻抗域三种电学基本特性测试测量仪器中♤以阻抗域测试测量仪器所用电路结构最复杂、测试操作最费时间、成套价格最高⊙目前能够供应GHz级阻抗域测试测量仪器的黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载亦为数不多♤特别是矢量网络分析仪(VNA)只有是德科技、罗德与施瓦茨、安立等几家黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载生产⊙VNA的最高带宽达到65GHz♤前端使用变频器可将带宽扩大至120GHz♤成套售价在二十万美元以上⊙

黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载知道♤任何电子元器件都可用二端或四端网络来表征♤所用参数有Z(阻抗)、Y(电导)、H(混合)和S(散射)♤由于Z、Y、H参数的测量都涉及开路、短路条件♤这些条件在GHz频段不易实现♤因此VNA测量的是阻抗匹配条件下的S参数⊙在十年前一些测试测量专家试图从时域—频域特性测量入手♤通过快速傅立叶函数变换将幅度—时间特性变成分立的幅度—频率特性♤在此基础上推导出S参数⊙整个测试过程和测量条件与直接测量S参数相同♤只是激励源从扫频发生器改为阶跃脉冲发生器♤从时域反射(TDR)和时域传输(TRT)参数导出S参数⊙

最简单的一个物理同轴线连接点的二端口S散射矩阵见表达式(1)♤它是由输入端口和输出端口的入射波和反射波来定义的四个Sij参数⊙每个端口的电压V和电流I分别由入射波V+、I+和反射波V-、I-组成♤即V=V++V-和I=I++I-⊙从表达式(1)和图1a可知♤S11是输入端口电压反射系数♤S12是反向电压增益♤S21是正向电压增益♤S22是输出端口电压反射系数⊙全部S参数都是在同轴线的输入和输出阻抗匹配的条件下获得的⊙

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1a 二端口网络

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1b 四端口网络

图1 S 参数阵列

在图1b四端口的情况下♤S散射矩阵要复杂得多♤它由二端口扩展而成♤由四组共16个Sij参数来定义♤见表达式(2)⊙

时域和频域的变换和反变换

 

计算技术和数字处理促进了傅里叶变换的应用♤快速傅里叶变换(FFT)和反向傅里叶变换(IFFT)使数字取样示波器的时域—频域变换♤能够在1ms级内完成1024个样品的复杂计算⊙分立的时域—频域关系如图2所示♤图中左边是一个阶跃脉冲♤由极短脉冲△t取样♤时间窗口等于N△t♤图中右方是FTT运算后的频普分量♤相应的频率增量等于△f=1/N△t♤N是取样点数⊙图2也是数字取样示波器的基础♤由极短的单位脉冲△t对快速的脉冲瞬变作顺序取样♤然后在较低时域下重建快速脉冲波形⊙目前♤数字取样示波器的△t<10ps和等效带宽达到100GHz♤它的带宽超过矢量网络分析仪的65GHz♤成为带宽最高的测量仪器⊙

 

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图2 时域—频域变换原理


数字取样示波器主要用于测量快速瞬变的基本脉冲参数♤如上升、下降、过冲、抖动时间等♤还用了同轴线、电缆、微带线、同轴元件和连接器等的时域反射(TDR)和时域传输(TDT)的特性♤它的分辨率可达到1mm测量从短路到开路的反射系数、传输系数和阻抗⊙十年前♤测试测量专家已证实通过TDR/TDT测量♤借助FFT变换和反变换导出S参数是可行的⊙当时受到数字取样示波器的等效带宽不够高♤FFT变换的计算机运算时间不够快♤同轴校准元件不够精确♤只获得实验室的测量成果♤等效带宽在10GHz左右⊙现在测量条件有很大改进♤基于TDR/TDT的S参数测量从实验室成果变成实用成果⊙

 

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图3 时域反射/传输参数与S参数的类比



基于TDR/TDT的S参数测量的取样数据首先从数字示波器获得♤然后利用计算程序将取样数据变换成频域的S参数⊙例如两端口的4个TDR/TDT值分别相当于4个S参数♤即正向TDR→S11♤正向TDT→S21♤反向TDR→S22♤反向TDT→S12♤如图3所示⊙最简单的测量配置是一台具有TDR/TDT插件的数字取样示波器♤一台快速阶跃脉冲发生器♤一套同轴线校准工具和时域—频域变换程序♤如图4所示⊙射频仪器的标准配置都是同轴线和同轴接头输出♤即外壳接地的单端输出♤而不是差分的双端输出⊙为了测量平行微带结构或差分信号♤需要选用差分输出的TDR/TDT插件⊙校准工具通常选用短路—开路—负载—直通(SOLT)校准技术♤根据同轴线型号提供套件♤目的是建立一个校准平面♤消除测量系统引入的误差♤提高测量结果的准确性⊙校准平面实际上就是测量夹具与被测元器件之间的时间参考零点♤校准平面前面的测量系统的输出阻抗就应处于完全匹配状态♤如图5所示

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图4 时域反射测量系统的构成

 

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图5 时域反射测量系统的匹配

 

几种基于TDR/TDT的S参数测量设备

目前有三家测试测量仪器黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载供应整套的基于TDR/TDT的S参数测量设备♤它们是安捷伦黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载的86100C系列数字取样示波器和TDR模块♤泰克黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载的DSA8200数字串行分析仪和80E10等TDR插件♤力科黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载的WaveExpert取样示波器和ST—20 TDR模块♤以下简要介绍它们的特性⊙

安捷伦的DCA86100数字通信分析仪由86100C主机和两个54754A差分TDR模块组成♤内置隧道二极管的阶跃脉冲发生器♤上升时间<25ps⊙在86100C选件202(增强阻抗和S参数测量)软件支持下♤DCA86100具有18GHz带宽♤能够测量32项S参数♤同时显示6个S参数♤具有广泛的校准和测量功能♤动态范围超过45dB ⊙将基于TDR/TDT的S参数测量结果与安捷伦的PNA系列四端口20GHz精确矢量网络分析仪的测量数据相比较♤在10GHz的频率范围内两种结果高度匹配⊙图6是输入端口差分损耗SDD11的对比曲线♤红色曲线由VNA方法测得♤蓝色曲线由TDR/TDT方法测量♤证实基于TDR/TDT的S参数测量技术具有很高可信度⊙

DCA86100主机还可配用86118A单端双通道模块♤带宽可达到70GHz♤而且使用远端探头♤缩短TDR/TDT参考平面与被测元件之间的距离⊙但是86118A的阶跃脉冲发生器的上升时间约为25ps♤为了充分发挥70GHz带宽的S参数测量能力♤需要使用上升时间<10ps的阶跃脉冲发生器♤安捷伦黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载提供的第三方PSPL(皮秒实验室)黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载的4020脉冲增强模块♤能够产生<9ps的阶跃脉冲信号♤配备86118A/4020模块的基于TDR/TDT的S参数测量设备♤代表当前达到的最高水平⊙

泰克的DSA8200数字串行分析仪♤它主要用于测量各种高速串行链路网络特性♤包括时域反射、S参数、信号可信度和噪声⊙目前DSA8200具有业界的最低噪声和时间抖动最小♤同时提供多种插件♤从带宽10GHz至70GHz的选件♤而且阶跃脉冲发生器的上升时间是12ps⊙例如配合80E10取样插件的DSA8200♤它的带宽达到70GHz♤动态范围70dB♤最多可安装8个80E10插件♤实现8通道输入♤为多端口的S参数测量提供方便⊙泰克还提供差分TDR/TDT的取样插件⊙

DSA8200采用基于TDR/TDT的S参数测量的软件是IConnect♤它的取样点达到1M点♤校准过程简化♤提高测量精度♤缩短测量时间⊙DSA8200使用差分TDR/TDT测量方式获得如下的S参数带宽

在上述数字中入射波上升时间就是阶跃脉冲发生器的上升时间⊙对于80E10来说♤上升时间12ps可获得S参数测量的50GHz带宽⊙此时可测量短距离同轴线的1mm不连续点♤以及100m长的电缆组合的S参数⊙在这种测量环境下♤基于TDR/TDT的S参数测量比VNA技术更方便和精确♤并且提供更多的信息⊙

 

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图6 两种测量方法获得的S参数的符合程度


力科的WaveExpert数字取样示波器配合ST-20TDR模块♤能够实现单端、差分的基于TDR/TDT的S参数测量⊙取样示波器的带宽可达100GHz♤它采用PSPL黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载提供的取样头♤目前是业界水平最高的取样部件⊙ST-20模块的带宽是20GHz♤阶跃脉冲时间是20ps♤取样点采集长度是10万点♤显然♤ST-20模块的S参数测量带宽还有提高的潜力♤力科黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载将有更好的基于TDR/TDT的S参数测量设备推出⊙

还有上面提到的PSPL黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载是皮秒脉冲测量仪器供应商♤产品包括通用和专用脉冲发生器和阶跃脉冲发生器♤取样示波器模块和取样门等♤用户需要扩展以上三家S参数测量设备的特性或自行构建S参数测量设备♤可考虑采用该黄瓜视频 苹果安装,黄瓜app无限下载网址,黄瓜视频共享二维码,番茄社区ios下载的产品作为优选的部件⊙

基于TDR/TDT的S参数测量的误区

为了正确使用基于TRD/TRT的S参数测量方法♤需要避免一些错误概念♤主要表现为

第一♤完全代替VNA⊙VNA能够测量有源和无源的元器件♤是阻抗域测量仪器中功能最全面♤、最准确的设备⊙目前基于TRD/TRT的S参数测量只能够解决同轴线、电缆等的无源S参数测量♤而且以VNA作为测量对比的标准⊙

第二♤选择高取样率的数字存储示波器⊙数字存储示波器的带宽取决于取样率的提高♤但基于TRD/TRT的S参数测量的带宽与取样率无关♤而取决于阶跃脉冲的上升时间⊙因而♤基于TRD/TRT的测量无需选用时域测量仪器中功能最全面♤取样率最高的数字存储示波器♤只要使用数字取样示波器即可⊙

第三♤VNA的背景噪声最低⊙VNA使用带通滤波器和数字滤波器♤具有很低的背景噪声⊙同样数字取样示波器使用多次平均运算♤亦能显著提高信噪比⊙VNA的低频从100KHz或1MHz开始♤而TRD/TRT的低频一直延伸至DC♤后者具有更好的低频特性⊙

第四♤基于TDR/TDT的测量的动态范围较低⊙早期TDR/TDT测量的动态范围只有40dB♤近年来取得进展♤在带宽20GHz以上时动态范围扩大到70dB♤加上使用数据多次平均降噪技术♤动态范围进一步得到改善♤为同轴线、微带、电缆的S参数测量提供足够的动态范围⊙

结语

基于TDR/TDT的S参数测量是一种成功的测量技术♤过去通过时域—频域的变换和反变换使两域沟通起来♤现在通过时域—频域变换—S参数运算使时、频、阻抗三域沟通起来♤域际互通测量技术的前景更加广阔⊙

测试测量仪器中VNA是最高级和最昂贵的设备♤一般实验室没有测量射频/微波的S参数的的手段♤而数字取样示波器较容易拥有⊙已经证实♤在数字取样示波器基础上构建的TDR/TDT♤测量S参数设备♤成本不到VNA 的一半⊙如果考虑到VNA的单台价格20~30万美元♤则节省10~15万美元是一笔可观的经费⊙此外♤VNA需要熟练的工程技术人员操作♤测量时间要半小时以上♤基于TDR/TDT的S参数测量的操作比较简单♤测量时间只要几分钟♤的确是省钱、省力、省时的测量方法⊙

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