网络测量基础之反射测量

反射测量是网络测量的重要组成部分,以光波传输为例:当入射光遇到某种光学元件如透镜时,一部分光被反射离开透镜,但大部分光通过透镜继续传输,如果光学元件的表面是镜面,大部分光将被反射,只有很少的光或没有光继续传输。

1.入射光 2.反射光 3.传输光

图1 光的反射和传输

对于射频信号,当两个连接器件的阻抗不同时就会发生反射。反射测量就是测量反射信号和入射信号间的比值关系。网络分析仪用R接收机测量入射信号,用A接收机测量反射信号,因此反射测量经常表示为A与R的比值(A/R),我们可以用A和R接收机信号的幅度和相位信息完全量化表征被测件的反射特性。在S参数术语中,S11表示被测件端口1(输入端口)的反射,S22表示被测件端口2(输出端口)的反射。进行反射测量的目的是确保射频能量有效的传输,如果能量被反射,就意味着有很少的能量被传输到希望到达的地方;另外,如果反射的能量太大,可能会烧毁器件,如输出功率放大器。

一、反射测量的表达

在进行反射测量时,反射数据能用多种方式呈现。不同的表达方式都是根据同样的反射测量数据计算出来的,每一种表达方法能用一种或多种图形格式显示出来。

1.1回波损耗

表示反射数据最容易的方式是回波损耗,回波损耗是一个标量,单位为 dB。回波损耗是反射信号和入射信号之间的dB差值,当阻抗完全匹配时,回波损耗为无穷大;对于开路、短路或无损的电抗电路,回波损耗为0dB。例如,在网络分析仪上使用对数格式进行测量时,显示的反射测量数据为-18dB;表示回波损耗时,可以忽略负号,说器件有18dB的回波损耗。

1.2驻波比

两组波在同一根传输线上沿相反的方向传输时就会引起驻波,这种情况可以用电压驻波比,(VSWR 或简写为 SWR)表示。SWR 定义为在给定频率上最大射频包络电压与最小射频包络电压的比值,是一个标量,当阻抗完全匹配时,SWR 等于1;对于开路、短路或无损的电抗电路为无穷大。

1.3反射系数

另一种表示反射测量的方法是反射系数(Γ),Γ包括幅度和相位信息,Γ的幅度部分称为ρ,反射系数是反射电压与入射电压的比值,ρ的取值范围为0～1。当传输线用特性阻抗进行端接时,所有的能量都传递给负载,没有能量被反射,ρ=0。当传输线用开路器或短路器进行端接时,所有的能量都被反射,ρ=1,ρ没有单位。

1.4阻抗

阻抗是表示反射数据的另外一种方式。如图2所示的史密斯圆图是将被测件的反射测量数据映射成阻抗的工具,图上的每个点都代表由一个实电阻(R)和虚电抗(±jX)组成的复阻抗,通过光标可以读取被测件的电阻值、电抗值及电抗等效的电容值和电感值。

图2史密斯圆图格式

a. 史密斯圆图的中心水平轴线代表纯电阻,水平轴的中心点代表系统阻抗;水平轴的最左边电阻为零,代表短路;水平轴的最右边电阻无穷大,代表开路。

b. 史密斯圆图上与水平轴相交圆上的点有相等的电阻值。

c. 史密斯圆图上与水平轴相切弧线上的点有相等的电抗值。

d. 史密斯圆图上半部分的电抗为正,因此为感性区。

e. 史密斯圆图下半部分的电抗为负,因此为容性区。

二、VNA实测结果演示

如下图,普尚SP826P(900Hz ~ 26.5 GHz)矢量网络分析仪测量13~15GHz的带通滤波器主要参数。图中分别呈现了S参数幅度和相位,群延时,Smith圆图,以及驻波的测量结果。尤其是通过传输损耗S21和S12看出来,这个滤波器远端的抑制度可以做到80dBc左右,带宽也达到了近2GHz。

图3 普尚SP826P(900Hz ~ 26.5 GHz)矢量网络分析仪测量带通滤波器结果

普尚SP826P除了支持基础的S参数测量之外,还可以进行时域的阻抗测量和眼图仿真。图3中的Smith圆图也可以看阻抗,但主要是频域的阻抗;而实际应用中,我们会更为关注时域的阻抗。如图4,图5,分别展示了TDR时域阻抗和眼图仿真的结果,DUT是多个级联转接器。从图中可以看出,多级连接的转接器在接口处会出现阻抗的突变和不连续点。

图4 普尚SP826P时域阻抗测试结果

图5 普尚SP826P TDR功能的眼图仿真

SP800P系列是普尚多年的射频微波测试技术积累成果,其出色的射频特性和丰富的分析功能可以帮助工程师应对各种严峻的测试挑战。

配有TDR选件的SP8003B/P增强时域分析软件适用于SP820B、SP850B和SP800P系列矢量网络分析仪,是一款综合的高速时域互连分析解决方案,能够进行阻抗、S参数和眼图仿真等功能,适用于差分线缆测试和高速线缆测试。简单明了的单一视图可同时进行时域和频域测量分析,帮助客户查找阻抗不连续、反射和串扰的源头。

另外,还具备基于网络参数的仿真眼图生成及分析功能,可在仿真眼图上施加抖动、噪声等干扰,通过预加重和均衡等校正算法的加入,模拟真实环境下高速链路不同位置的仿真眼图,方便研发人员快速调整硬件或PCB设计。

普尚电子创立二十年来专注于无线通信和射频微波领域,自主研发、生产和销售测试测量仪表,重点致力于中高端矢量网络分析仪、信号分析仪和信号源的研发和生产,实现进口测试测量仪表的国产化替代,并致力于为客户提供高性价比的测试测量解决方案。如有更多技术交流及合作意向请联系我们,普尚欢迎您的加入!