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基於TDR的S參數測量

發表時間:2018/8/24 14:49:30  來源:互聯網,RF技術社區  瀏覽次數:5862  
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引言

在頻域、時域、阻抗域三種電學基本特性測試測量儀器中♤以阻抗域測試測量儀器所用電路結構最複雜、測試操作最費時間、成套價格最高目前能夠供應GHz級阻抗域測試測量儀器的蜜豆直播亦為數不多♤特別是矢量網絡分析儀(VNA)隻有是德科技、羅德與施瓦茨、安立等幾家蜜豆直播生產VNA的最高帶寬達到65GHz♤前端使用變頻器可將帶寬擴大至120GHz♤成套售價在二十萬美元以上

蜜豆直播知道♤任何電子元器件都可用二端或四端網絡來表征♤所用參數有Z(阻抗)、Y(電導)、H(混合)和S(散射)♤由於Z、Y、H參數的測量都涉及開路、短路條件♤這些條件在GHz頻段不易實現♤因此VNA測量的是阻抗匹配條件下的S參數在十年前一些測試測量專家試圖從時域—頻域特性測量入手♤通過快速傅立葉函數變換將幅度—時間特性變成分立的幅度—頻率特性♤在此基礎上推導出S參數整個測試過程和測量條件與直接測量S參數相同♤隻是激勵源從掃頻發生器改為階躍脈衝發生器♤從時域反射(TDR)和時域傳輸(TRT)參數導出S參數

最簡單的一個物理同軸線連接點的二端口S散射矩陣見表達式(1)♤它是由輸入端口和輸出端口的入射波和反射波來定義的四個Sij參數每個端口的電壓V和電流I分別由入射波V+、I+和反射波V-、I-組成♤即V=V++V-和I=I++I-從表達式(1)和圖1a可知♤S11是輸入端口電壓反射係數♤S12是反向電壓增益♤S21是正向電壓增益♤S22是輸出端口電壓反射係數全部S參數都是在同軸線的輸入和輸出阻抗匹配的條件下獲得的

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1a 二端口網絡

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1b 四端口網絡

圖1 S 參數陣列

在圖1b四端口的情況下♤S散射矩陣要複雜得多♤它由二端口擴展而成♤由四組共16個Sij參數來定義♤見表達式(2)

時域和頻域的變換和反變換

 

計算技術和數字處理促進了傅裏葉變換的應用♤快速傅裏葉變換(FFT)和反向傅裏葉變換(IFFT)使數字取樣示波器的時域—頻域變換♤能夠在1ms級內完成1024個樣品的複雜計算分立的時域—頻域關係如圖2所示♤圖中左邊是一個階躍脈衝♤由極短脈衝△t取樣♤時間窗口等於N△t♤圖中右方是FTT運算後的頻普分量♤相應的頻率增量等於△f=1/N△t♤N是取樣點數圖2也是數字取樣示波器的基礎♤由極短的單位脈衝△t對快速的脈衝瞬變作順序取樣♤然後在較低時域下重建快速脈衝波形目前♤數字取樣示波器的△t<10ps和等效帶寬達到100GHz♤它的帶寬超過矢量網絡分析儀的65GHz♤成為帶寬最高的測量儀器

 

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圖2 時域—頻域變換原理


數字取樣示波器主要用於測量快速瞬變的基本脈衝參數♤如上升、下降、過衝、抖動時間等♤還用了同軸線、電纜、微帶線、同軸元件和連接器等的時域反射(TDR)和時域傳輸(TDT)的特性♤它的分辨率可達到1mm測量從短路到開路的反射係數、傳輸係數和阻抗十年前♤測試測量專家已證實通過TDR/TDT測量♤借助FFT變換和反變換導出S參數是可行的當時受到數字取樣示波器的等效帶寬不夠高♤FFT變換的計算機運算時間不夠快♤同軸校準元件不夠精確♤隻獲得實驗室的測量成果♤等效帶寬在10GHz左右現在測量條件有很大改進♤基於TDR/TDT的S參數測量從實驗室成果變成實用成果

 

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圖3 時域反射/傳輸參數與S參數的類比



基於TDR/TDT的S參數測量的取樣數據首先從數字示波器獲得♤然後利用計算程序將取樣數據變換成頻域的S參數例如兩端口的4個TDR/TDT值分別相當於4個S參數♤即正向TDR→S11♤正向TDT→S21♤反向TDR→S22♤反向TDT→S12♤如圖3所示最簡單的測量配置是一台具有TDR/TDT插件的數字取樣示波器♤一台快速階躍脈衝發生器♤一套同軸線校準工具和時域—頻域變換程序♤如圖4所示射頻儀器的標準配置都是同軸線和同軸接頭輸出♤即外殼接地的單端輸出♤而不是差分的雙端輸出為了測量平行微帶結構或差分信號♤需要選用差分輸出的TDR/TDT插件校準工具通常選用短路—開路—負載—直通(SOLT)校準技術♤根據同軸線型號提供套件♤目的是建立一個校準平麵♤消除測量係統引入的誤差♤提高測量結果的準確性校準平麵實際上就是測量夾具與被測元器件之間的時間參考零點♤校準平麵前麵的測量係統的輸出阻抗就應處於完全匹配狀態♤如圖5所示

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圖4 時域反射測量係統的構成

 

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圖5 時域反射測量係統的匹配

 

幾種基於TDR/TDT的S參數測量設備

目前有三家測試測量儀器蜜豆直播供應整套的基於TDR/TDT的S參數測量設備♤它們是安捷倫蜜豆直播的86100C係列數字取樣示波器和TDR模塊♤泰克蜜豆直播的DSA8200數字串行分析儀和80E10等TDR插件♤力科蜜豆直播的WaveExpert取樣示波器和ST—20 TDR模塊♤以下簡要介紹它們的特性

安捷倫的DCA86100數字通信分析儀由86100C主機和兩個54754A差分TDR模塊組成♤內置隧道二極管的階躍脈衝發生器♤上升時間<25ps在86100C選件202(增強阻抗和S參數測量)軟件支持下♤DCA86100具有18GHz帶寬♤能夠測量32項S參數♤同時顯示6個S參數♤具有廣泛的校準和測量功能♤動態範圍超過45dB 將基於TDR/TDT的S參數測量結果與安捷倫的PNA係列四端口20GHz精確矢量網絡分析儀的測量數據相比較♤在10GHz的頻率範圍內兩種結果高度匹配圖6是輸入端口差分損耗SDD11的對比曲線♤紅色曲線由VNA方法測得♤藍色曲線由TDR/TDT方法測量♤證實基於TDR/TDT的S參數測量技術具有很高可信度

DCA86100主機還可配用86118A單端雙通道模塊♤帶寬可達到70GHz♤而且使用遠端探頭♤縮短TDR/TDT參考平麵與被測元件之間的距離但是86118A的階躍脈衝發生器的上升時間約為25ps♤為了充分發揮70GHz帶寬的S參數測量能力♤需要使用上升時間<10ps的階躍脈衝發生器♤安捷倫蜜豆直播提供的第三方PSPL(皮秒實驗室)蜜豆直播的4020脈衝增強模塊♤能夠產生<9ps的階躍脈衝信號♤配備86118A/4020模塊的基於TDR/TDT的S參數測量設備♤代表當前達到的最高水平

泰克的DSA8200數字串行分析儀♤它主要用於測量各種高速串行鏈路網絡特性♤包括時域反射、S參數、信號可信度和噪聲目前DSA8200具有業界的最低噪聲和時間抖動最小♤同時提供多種插件♤從帶寬10GHz至70GHz的選件♤而且階躍脈衝發生器的上升時間是12ps例如配合80E10取樣插件的DSA8200♤它的帶寬達到70GHz♤動態範圍70dB♤最多可安裝8個80E10插件♤實現8通道輸入♤為多端口的S參數測量提供方便泰克還提供差分TDR/TDT的取樣插件

DSA8200采用基於TDR/TDT的S參數測量的軟件是IConnect♤它的取樣點達到1M點♤校準過程簡化♤提高測量精度♤縮短測量時間DSA8200使用差分TDR/TDT測量方式獲得如下的S參數帶寬

在上述數字中入射波上升時間就是階躍脈衝發生器的上升時間對於80E10來說♤上升時間12ps可獲得S參數測量的50GHz帶寬此時可測量短距離同軸線的1mm不連續點♤以及100m長的電纜組合的S參數在這種測量環境下♤基於TDR/TDT的S參數測量比VNA技術更方便和精確♤並且提供更多的信息

 

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圖6 兩種測量方法獲得的S參數的符合程度


力科的WaveExpert數字取樣示波器配合ST-20TDR模塊♤能夠實現單端、差分的基於TDR/TDT的S參數測量取樣示波器的帶寬可達100GHz♤它采用PSPL蜜豆直播提供的取樣頭♤目前是業界水平最高的取樣部件ST-20模塊的帶寬是20GHz♤階躍脈衝時間是20ps♤取樣點采集長度是10萬點♤顯然♤ST-20模塊的S參數測量帶寬還有提高的潛力♤力科蜜豆直播將有更好的基於TDR/TDT的S參數測量設備推出

還有上麵提到的PSPL蜜豆直播是皮秒脈衝測量儀器供應商♤產品包括通用和專用脈衝發生器和階躍脈衝發生器♤取樣示波器模塊和取樣門等♤用戶需要擴展以上三家S參數測量設備的特性或自行構建S參數測量設備♤可考慮采用該蜜豆直播的產品作為優選的部件

基於TDR/TDT的S參數測量的誤區

為了正確使用基於TRD/TRT的S參數測量方法♤需要避免一些錯誤概念♤主要表現為

第一♤完全代替VNAVNA能夠測量有源和無源的元器件♤是阻抗域測量儀器中功能最全麵♤、最準確的設備目前基於TRD/TRT的S參數測量隻能夠解決同軸線、電纜等的無源S參數測量♤而且以VNA作為測量對比的標準

第二♤選擇高取樣率的數字存儲示波器數字存儲示波器的帶寬取決於取樣率的提高♤但基於TRD/TRT的S參數測量的帶寬與取樣率無關♤而取決於階躍脈衝的上升時間因而♤基於TRD/TRT的測量無需選用時域測量儀器中功能最全麵♤取樣率最高的數字存儲示波器♤隻要使用數字取樣示波器即可

第三♤VNA的背景噪聲最低VNA使用帶通濾波器和數字濾波器♤具有很低的背景噪聲同樣數字取樣示波器使用多次平均運算♤亦能顯著提高信噪比VNA的低頻從100KHz或1MHz開始♤而TRD/TRT的低頻一直延伸至DC♤後者具有更好的低頻特性

第四♤基於TDR/TDT的測量的動態範圍較低早期TDR/TDT測量的動態範圍隻有40dB♤近年來取得進展♤在帶寬20GHz以上時動態範圍擴大到70dB♤加上使用數據多次平均降噪技術♤動態範圍進一步得到改善♤為同軸線、微帶、電纜的S參數測量提供足夠的動態範圍

結語

基於TDR/TDT的S參數測量是一種成功的測量技術♤過去通過時域—頻域的變換和反變換使兩域溝通起來♤現在通過時域—頻域變換—S參數運算使時、頻、阻抗三域溝通起來♤域際互通測量技術的前景更加廣闊

測試測量儀器中VNA是最高級和最昂貴的設備♤一般實驗室沒有測量射頻/微波的S參數的的手段♤而數字取樣示波器較容易擁有已經證實♤在數字取樣示波器基礎上構建的TDR/TDT♤測量S參數設備♤成本不到VNA 的一半如果考慮到VNA的單台價格20~30萬美元♤則節省10~15萬美元是一筆可觀的經費此外♤VNA需要熟練的工程技術人員操作♤測量時間要半小時以上♤基於TDR/TDT的S參數測量的操作比較簡單♤測量時間隻要幾分鍾♤的確是省錢、省力、省時的測量方法

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