引言

　　在頻域、時域、阻抗域三種電學(xué)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(jié)構(gòu)最復(fù)雜、測試操作最費時間、成套價格最高。目前能夠供應(yīng)ghz級阻抗域測試測量儀器的公司亦為數(shù)不多，特別是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vna)只有安捷倫、安立、羅德施瓦茨等幾家公司生產(chǎn)。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。

　　我們知道，任何電子元器件都可用二端或四端網(wǎng)絡(luò)來表征，所用參數(shù)有z(阻抗)、y(電導(dǎo))、h(混合)和s(散射)，由于z、y、h參數(shù)的測量都涉及開路、短路條件，這些條件在ghz頻段不易實現(xiàn)，因此vna測量的是阻抗匹配條件下的s參數(shù)。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(shù)變換將幅度—時間特性變成分立的幅度—頻率特性，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出s參數(shù)。整個測試過程和測量條件與直接測量s參數(shù)相同，只是激勵源從掃頻發(fā)生器改為階躍脈沖發(fā)生器，從時域反射(tdr)和時域傳輸(trt)參數(shù)導(dǎo)出s參數(shù)。

　　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(shù)。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系數(shù)，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系數(shù)。全部s參數(shù)都是在同軸線的輸入和輸出阻抗匹配的條件下獲得的。

　　1a 二端口網(wǎng)絡(luò)

　　1a 二端口網(wǎng)絡(luò)　　

　　在圖1b四端口的情況下，s散射矩陣要復(fù)雜得多，它由二端口擴展而成，由四組共16個sij參數(shù)來定義，見表達式(2)。

　　時域和頻域的變換和反變換

　　計算技術(shù)和數(shù)字處理促進了傅里葉變換的應(yīng)用，快速傅里葉變換(fft)和反向傅里葉變換(ifft)使數(shù)字取樣示波器的時域—頻域變換，能夠在1ms級內(nèi)完成1024個樣品的復(fù)雜計算。分立的時域—頻域關(guān)系如圖2所示，圖中左邊是一個階躍脈沖，由極短脈沖△t取樣，時間窗口等于n△t，圖中右方是ftt運算后的頻普分量，相應(yīng)的頻率增量等于△f=1/n△t，n是取樣點數(shù)。圖2也是數(shù)字取樣示波器的基礎(chǔ)，由極短的單位脈沖△t對快速的脈沖瞬變作順序取樣，然后在較低時域下重建快速脈沖波形。目前，數(shù)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(wǎng)絡(luò)分析儀的65ghz，成為帶寬最高的測量儀器。

　　圖2 時域-頻域變換原理

　　數(shù)字取樣示波器主要用于測量快速瞬變的基本脈沖參數(shù)，如上升、下降、過沖、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系數(shù)、傳輸系數(shù)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(dǎo)出s參數(shù)是可行的。當(dāng)時受到數(shù)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(zhǔn)元件不夠精確，只獲得實驗室的測量成果，等效帶寬在10ghz左右。現(xiàn)在測量條件有很大改進，基于tdr/tdt的s參數(shù)測量從實驗室成果變成實用成果。

　　基于tdr/tdt的s參數(shù)測量的取樣數(shù)據(jù)首先從數(shù)字示波器獲得，然后利用計算程序?qū)⑷訑?shù)據(jù)變換成頻域的s參數(shù)。例如兩端口的4個tdr/tdt值分別相當(dāng)于4個s參數(shù)，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臺具有tdr/tdt插件的數(shù)字取樣示波器，一臺快速階躍脈沖發(fā)生器，一套同軸線校準(zhǔn)工具和時域—頻域變換程序，如圖4所示。射頻儀器的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)或差分信號，需要選用差分輸出的tdr/tdt插件。校準(zhǔn)工具通常選用短路—開路—負(fù)載—直通(solt)校準(zhǔn)技術(shù)，根據(jù)同軸線型號提供套件，目的是建立一個校準(zhǔn)平面，消除測量系統(tǒng)引入的誤差，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)平面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(zhǔn)平面前面的測量系統(tǒng)的輸出阻抗就應(yīng)處于完全匹配狀態(tài)，如圖5所示。

　　圖3 時域反射/傳輸參數(shù)與s參數(shù)的類比

　　幾種基于tdr/tdt的s參數(shù)測量設(shè)備

　　目前有三家測試測量儀器公司供應(yīng)整套的基于tdr/tdt的s參數(shù)測量設(shè)備，