单端口微波网络S参数测量Word版

单端口网络S 参数测量系统

摘 要：在一个网络或系统中，描述其特性的参数有很多，[Z]、[Y]、[A]参量是以端口归一化电压和电流来定义的，这些参量在微波频段很难准确测量。而[S]参量由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定义，容易测量，且具有直观的物理意义，故在微波网络中的应用较多。首先我们分析n 端口网络S 参数，然后特殊化为单端口，考虑实际测量单端口网络[S]参量的方法，分析测量误差来源，并采用了一定的测试技术进行误差修正，得到了器件性能指标的精确测试结果。最终结合资料，分析近代微波测试技术的主要特点。

关键词：S 参数；扫频反射计；不确定度；定向耦合器；检波器

一.散射参数

首先以二端口网络为例，明确散射参数具体含义，如图，设n a 代表网络第n 端口的归一化入射波电压，n b 代表n 端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压关系为

n a =

n b =

（其中，0n Z 为第n

若为线性网络，a 与b 有线性关系，二端口网络可以写出

1111122

b S a S a =+ 即：[][][]b S a =其中：111221

22

[][

]S S S S S =

2211222b S a S a =+

（具体参数求解与定义可参见参考文献[1]宋铮、张建华、唐伟《电磁场微波技术与天线》中微波基础部分）

二.系统基本原理

网络分析仪是通过测定线性网络的反射参数和传输参数，获得该网络参

数频域、时域特性等几乎所有网络特性的测量仪器， S 参数是其中最基本的

特性参数。网络分析仪分为 2 类：

(1)标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；

(2)矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。

网络分析仪测量S参数的精度是衡量其性能的重要标准。网络的S参数只有在完全匹配的系统中测量时,测量结果才是精确的。而在网络分析仪中,既使用了无源器件,又使用了有源器件,同时其内部的微带线并不是完全和其它连接点匹配,因此,其性能并不是完全理想的,这就要求必须对网络分析仪在测量过程中的误差进行分析,通过数学分析的方法把误差从实际测量中去掉,从而提高测量的精度。

此外，驻波参量的测量需要不同的数据，经过运算后得出结论，而且不同频率的参量要经过逐点测量，这样不仅工作效率低，而且妨碍了测量工作的自动化。工业生产上大量的测量任务要求有一个简便的，最好是在整个频带内自动进行的快速测量方法，这就促进了“扫频技术”的发展；而宽频带高方向性的定向耦合器的研制成功，为直接测量反射系数提供了可能。

扫频反射计测量反射系数在本质上与调配反射计没有区别，但由于工作在扫频条件下，不能进行调配，故要求整个测量系统的原件都具有宽带特性。对于定向耦合器，为了得到尽量好的频率响应，要求其方向性尽可能的高。

下面，我们先了解一种系统S参数测量的实现方法，再接着对其进行误差分析，尝试通过改进减小系统的误差，提高测量精度。

三.系统S参数测量实现方法

（一）扫频反射系数短路负载调试

现阶段的驻波扫频测量调试大多采用网络分析仪, 但是对器件进行驻波扫

频调试时, 特别是调试时间较长的情况下, 可以用扫频反射计, 所用设备为一

台高方向性定向耦合器、一台精密衰减器和一个标准失配负载或全反射短路负载; 在信号源的输出定标很准确的情况下, 可以不用精密衰减器调节衰减量, 改为

直接调节信号源的输出电平, 设定出所需反射系数进行器件的反射系数调试,

此时所用设备少

, 在实验室内很容易实现，对此时装置的不确定度进行了实验分析, 结果表明, 采用短路负载来设定反射系数效果会更好。

反射系数是微波元器件以及整机的关键指标之一, 扫频测量常用网络分析仪; 但是, 网络分析仪是比较贵重的仪器L 为了节省使用贵重仪器的费用以及在没有网络分析仪的情况下也能进行器件调试, 通常会采用扫频信号源外加一台高方向性定向耦合器、一台精密衰减器和一个标准失配负载或全反射短路负载设定出所需的反射系数进行器件的驻波调试; 在信号源的输出很准确的实现情况下, 可以省去精密衰减器, 衰减量调整改为调节信号源的信号输出电平，此时测试所用设备最少,测试方框图如图

经过实验与不确定度计算，可知不确定度主要来源于定向耦合器方向性非理想、转换开关的反射以及定向耦合器所接匹配负载的反射, 我们可以采用精心挑选高性能定向耦合器和波导转换开关, 或者在调试时不用转换开关等措施来减少不确定度。另外, 根据分析结果, 最好采用短路全反射负载来设定所需的反射系数; 在有条件的情况下, 可以用网络分析仪对调试后的器件反射系数进行最后检验。

(具体过程可参见参考文献[2] 扫频反射系数调试的一种实现方法)

（二）调配反射计设计测量单口网络的S 参数

1.现利用调配反射计设计原理，实现对单口网络的S 参数测量

反射计测量系统的基本测量线路由微波信号源、反射计和待测负载三大部分组成。反射计由两只定向耦合器组成。设它为理想电路（源驻波比为1），且输出幅度不变；定向耦合器的断面无反射且方向性无穷大，并与晶体检测管3D 和

4D 为理想匹配连接。主线上的入射波经入射耦合器取样，从端口4T 送入检波器，

设4T 的出射波为4b ；反射波经反射耦合器取样，从3T 送入检波器，设3T 的出射波为3b 。两个相对的定向耦合器可以看为一个四端口网络设待测单端口网络反射系数模值为L Γ，即单端口网络的S 参数模值，由于理想情况下310S =且420S =，则：

33223222132

41441141221

()L b S a S a S S

S b S a S b S ===Γ (1-1) 两只检波器测出的信号幅度之比为：

3

4

L b K b =Γ （1-2） 2132

41S S K S =

为比例常数。

2.标准测量

利用反射计测量L

Γ之前，需要先进行校准求出K 的值。通常采用短路器

作为标准。

方法是：将短路器（1L Γ=）接到反射计的输出端，读得比值为3

4b b 校正，

由式1-2求出常数