一種測量散射參數(shù)的裝置及方法

劉培濤，賴展軍，林學(xué)進(jìn)，王強(qiáng)，卜斌龍

（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東廣州，510730）

0 引言

散射參數(shù)是研究微波系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，也稱為S參數(shù)，它用的是器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端的傳輸信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)，能直接表示 電路的分布參數(shù)電路特性，也適合于描述微波電路的端口特性。因此散射參數(shù)的測量也顯得尤為重要。

常用測量散射參數(shù)的方法就是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量來連接測設(shè)備的兩個端口,并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試散射系數(shù)。[1-4]矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是散射參數(shù)的主要測量儀表，因儀表測試端口通常是同軸類型的，因此在測量被測件散射參數(shù)時，需要在被測件上安裝射頻接頭，通過射頻電纜將射頻接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接。這就顯現(xiàn)出一個問題，一方面測試過程麻煩，需在測量位置插入用于測量的接頭破壞被測件的完整性，另一方面是會影響測試結(jié)果，產(chǎn)生不利因素。[5-7]因此，尋求一種簡單且實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的測試方法變得很有必要。

基于此，本文提出了一種用于測量散射參數(shù)的耦合組件、數(shù)據(jù)測定裝置及方法，這不僅能使測試變得簡單和準(zhǔn)確，且便于實(shí)驗(yàn)操作。

1 散射參數(shù)的測量

1.1 現(xiàn)有的散射參數(shù)測量

圖1 給出了一種現(xiàn)有的散射參數(shù)測量方案，具體如下：

圖1 現(xiàn)有測量散射參數(shù)一實(shí)施例的電路連接圖

被測件11 包括一段微帶線111，現(xiàn)為了測試微帶線111的散射參數(shù)，就需使用包括微帶線211、212 和射頻接頭213、214 的過渡件將被測件11 通過電纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器31 連接。若需獲得微帶線111 參考面a 處的散射參數(shù)，還需采用“去嵌入”、“TRL 校準(zhǔn)”等技術(shù)，以消除射頻接頭等過渡件帶來的影響。

如果被測件11 是某個完整的微帶功分網(wǎng)絡(luò)的一部分，按上述常規(guī)的測量方法，就需要破壞微帶功分網(wǎng)絡(luò)的完整性，在測量位置插入用于測量的接頭，但接頭也會引起測試誤差，進(jìn)而影響測試結(jié)果。

1.2 測量散射參數(shù)的方法

本文提供了散射參數(shù)的測量方案且還提供了測量散射參數(shù)的耦合組件。

用于測量散射參數(shù)的耦合組件主要包括第一探頭、第二探頭，還有與第一探頭連接的第一端口以及與第二探頭連接的第二端口，其中，第一探頭和第二探頭分別用于耦合被測件的射頻信號。第一探頭和第二探頭還有一定的設(shè)置要求，第一探頭和第二探頭分別垂直于被測件的軸線之間的距離不等于二分之一的被測件內(nèi)部電磁波工作波長的整數(shù)倍，且大于零小于被測件的總長度；同時，第一探頭和第二探頭與被測件的耦合強(qiáng)度相同，另外，對于第一探頭和第二探頭可設(shè)置于被測件徑向的兩側(cè)或同側(cè)。以上的連接使得第一探頭、第二探頭及被測件的公共輸入端口、輸出端口形成四端口微波網(wǎng)絡(luò)。

如圖2 的散射參數(shù)測量方法的流程示意圖，首先步驟201，測定傳輸系數(shù)、延遲系數(shù)。其中，延遲系數(shù)的獲得方式包括電磁場仿真軟件仿真及校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量。傳輸系數(shù)的獲得方式為校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量，采用校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的傳輸系數(shù)包括幅度和相位；然后步驟202，根據(jù)步驟201 的傳輸系數(shù)和延遲系數(shù)從而計(jì)算得出被測件的散射參數(shù)。

圖2 散射參數(shù)測量方法一實(shí)施例的流程示意圖

1.3 測量散射參數(shù)方法的計(jì)算

根據(jù)圖3 的測量時電路連接圖主要是包含傳輸線311 的被測件31、第一射頻接頭32、第二射頻接頭33、第一探頭34、第二探頭35、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀36、負(fù)載37 以及端口38，傳輸線311 為均勻傳輸線。傳輸線311 中的兩個測試點(diǎn)（參考面b、參考面c）附近設(shè)置第一探頭34、第二探頭35，第一探頭34和第二探頭35 之間的距離為d。傳輸線311 輸入端、輸出端分別設(shè)有第一射頻接頭32、第二射頻接頭33。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀36 的輸出端口通過電纜與第一射頻接頭32 連接，該端口38 可分別與第一探頭34 或第二探頭35 連接以測試參考面b、參考面c 處的傳輸系數(shù)及參考面b 和參考面c 間的延遲系數(shù)，即被測件公共輸入端口到第一探頭、第二探頭的傳輸系數(shù)及第一探頭，第二探頭間的延遲系數(shù)。再根據(jù)本發(fā)明推導(dǎo)出的計(jì)算公式，得到參考面b、參考面c 處的散射參數(shù)。其中，第二射頻接頭33 連接負(fù)載37。

圖3 測定裝置測量散射參數(shù)時一實(shí)施例的電路連接圖

得到測試點(diǎn)的散射參數(shù)的流程應(yīng)該為在均勻傳輸線311中設(shè)置兩個測試點(diǎn)，利用經(jīng)過校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀36 測量被測件公共輸入端口到兩個測試點(diǎn)的傳輸系數(shù)及測試點(diǎn)間的延遲系數(shù)，再利用相應(yīng)的計(jì)算公式，獲得測試點(diǎn)位置的散射參數(shù)。

結(jié)合圖4，Port1 為公共輸入端口，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀36可以測量得到Port1 到Port3、Port4 的傳輸系數(shù)S31、S41，以及Port2 到Port1 的延遲系數(shù)G12、Port1 到Port2 的延遲系數(shù)G21，V1、V2 為第一探頭34、第二探頭35 對應(yīng)傳輸線311 位置的矢量電壓，V1+、V1-是V1 對應(yīng)的入射波電壓與發(fā)射波電壓，V2+、V2-是V2 對應(yīng)的入射波電壓與發(fā)射波電壓。

圖4 所示實(shí)施例的原理圖

其中，探頭的測量原理是在均勻微帶線附近成對設(shè)置測量探頭，第一探頭和第二探頭用蝕刻的方式印制到PCB 上。通過測試公共輸入端口Port1 到第一探頭、第二探頭的傳輸系數(shù)以及第一探頭、第二探頭之間的延遲系數(shù)，這樣可以計(jì)算得到均勻微帶線上第一探頭和第二探頭對應(yīng)位置的散射參數(shù)。

耦合組件測量線其中一個實(shí)施例包括被測件和測量裝置，被測件包括基片、微帶線，測量裝置包括第一探頭、第二探頭，微帶線的輸入端、輸出端分別連接Port1、Port2，第一探頭、第二探頭分別連接Port3、Port4，具有特征阻抗Z0 的均勻微帶線、第一探頭以及第二探頭通過PCB 板的蝕刻工藝在基片上制作，探頭之間的距離不等于一半的微帶線工作波長的整數(shù)倍，第一探頭及第二探頭通過與微帶線間的縫隙形成的等效電容與微帶線進(jìn)行耦合，形成具有Port1～Port4的四端口微波網(wǎng)絡(luò)。

另外還有耦合組件測量微帶線另一實(shí)施例，它與第一實(shí)施例的區(qū)別主要在于，存在第二基板，其中第一探頭和第二探頭通過PCB 蝕刻工藝制作在第二基片上，第二基片在第一探頭和第二探頭之外的區(qū)域盡可能去除以減小對微帶線的影響。

2 結(jié)語

通過在被測件附近放置測量探頭，避免將用于連接測試電纜的射頻接頭安裝在被測件中，可在不改變被測件工作狀態(tài)的情況下進(jìn)行散射參數(shù)的測量。具體如下優(yōu)點(diǎn)：第一，耦合組件制作成本低，適合應(yīng)用于采用微帶的各種微波電路散射參數(shù)的測量。第二，測量方法簡單，不需要采用特殊的校準(zhǔn)措施，只需獲取耦合探頭與微帶線形成的4 端口微波網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)即可。第三，可測頻帶寬，只要探頭垂直于微帶線的軸線之間的距離不等于二分之一微帶線工作波長的整數(shù)倍即可進(jìn)行測量。第四，耦合探頭使用PCB 蝕刻工藝，尺寸精度高，一致性好。