导言
在频域、时域、阻抗域三种电学根本特性测验丈量仪器中，以阻抗域测验丈量仪器所用电路结构最杂乱、测验操作最费时刻、成套价格最高。现在可以供给GHz级阻抗域测验丈量仪器的公司亦为数不多，特别是矢量网络剖析仪(VNA)只需安捷伦、安立、罗德施瓦茨等几家公司出产。VNA的最高带宽到达65GHz，前端运用变频器可将带宽扩展至120GHz，成套价格在二十万美元以上。
咱们知道，任何电子元器件都可用二端或四端网络来表征，所用参数有Z(阻抗)、Y(电导)、H(混合)和S(散射)，因为Z、Y、H参数的丈量都触及开路、短路条件，这些条件在GHz频段不易完结，因此VNA丈量的是阻抗匹配条件下的S参数。在十年前一些测验丈量专家企图从时域—频域特性丈量下手，经过快速傅立叶函数改换将起伏—时刻特性变成分立的起伏—频率特性，在此根底上推导出S参数。整个测验进程和丈量条件与直接丈量S参数相同，仅仅鼓励源从扫频发生器改为阶跃脉冲发生器，从时域反射(TDR)和时域传输(TRT)参数导出S参数。
最简略的一个物理同轴线连接点的二端口S散射矩阵见表达式(1)，它是由输入端口和输出端口的入射波和反射波来界说的四个Sij参数。每个端口的电压V和电流I别离由入射波V+、I+和反射波V-、I-组成，即V=V++V-和I=I++I-。从表达式(1)和图1a可知，S11是输入端口电压反射系数，S12是反向电压增益，S21是正向电压增益，S22是输出端口电压反射系数。悉数S参数都是在同轴线的输入和输出阻抗匹配的条件下获得的。
1a 二端口网络
1a 二端口网络
在图1b四端口的情况下，S散射矩阵要杂乱得多，它由二端口扩展而成，由四组共16个Sij参数来界说，见表达式(2)。
时域和频域的改换和反改换
核算技能和数字处理促进了傅里叶改换的运用，快速傅里叶改换(FFT)和反向傅里叶改换(IFFT)使数字取样示波器的时域—频域改换，可以在1ms级内完结1024个样品的杂乱核算。分立的时域—频域联系如图2所示，图中左面是一个阶跃脉冲，由极短脉冲△t取样，时刻窗口等于N△t，图中右方是FTT运算后的频普重量，相应的频率增量等于△f=1/N△t，N是取样点数。图2也是数字取样示波器的根底，由极短的单位脉冲△t对快速的脉冲瞬变作次序取样，然后在较低时域下重建快速脉冲波形。现在，数字取样示波器的△t<10ps和等效带宽到达100GHz，它的带宽超越矢量网络剖析仪的65GHz，成为带宽最高的丈量仪器。
图2 时域-频域改换原理
数字取样示波器首要用于丈量快速瞬变的根本脉冲参数，如上升、下降、过冲、颤动时刻等，还用了同轴线、电缆、微带线、同轴元件和连接器等的时域反射(TDR)和时域传输(TDT)的特性，它的分辨率可到达1mm丈量从短路到开路的反射系数、传输系数和阻抗。十年前，测验丈量专家已证明经过TDR/TDT丈量，凭借FFT改换和反改换导出S参数是可行的。其时遭到数字取样示波器的等效带宽不行高，FFT改换的核算机运算时刻不行快，同轴校准元件不行精确，只获得实验室的丈量效果，等效带宽在10GHz左右。现在丈量条件有很大改进，依据TDR/TDT的S参数丈量从实验室效果变成有用效果。
依据TDR/TDT的S参数丈量的取样数据首先从数字示波器获得，然后运用核算程序将取样数据改换成频域的S参数。例如两端口的4个TDR/TDT值别离相当于4个S参数，即正向TDR→S11，正向TDT→S21，反向TDR→S22，反向TDT→S12，如图3所示。最简略的丈量装备是一台具有TDR/TDT插件的数字取样示波器，一台快速阶跃脉冲发生器，一套同轴线校准东西和时域—频域改换程序，如图4所示。射频仪器的规范装备都是同轴线和同轴接头输出，即外壳接地的单端输出，而不是差分的双端输出。为了丈量平行微带结构或差分信号，需求选用差分输出的TDR/TDT插件。校准东西一般选用短路—开路—负载—直通(SOLT)校准技能，依据同轴线类型供给套件，意图是树立一个校准平面，消除丈量体系引进的差错，进步丈量成果的精确性。校准平面实际上便是丈量夹具与被测元器件之间的时刻参阅零点，校准平面前面的丈量体系的输出阻抗就应处于彻底匹配状况，如图5所示。
图3 时域反射/传输参数与S参数的类比
几种依据TDR/TDT的S参数丈量设备
现在有三家测验丈量仪器公司供给整套的依据TDR/TDT的S参数丈量设备，它们是安捷伦公司的86100C系列数字取样示波器和TDR模块，泰克公司的DSA8200数字串行剖析仪和80E10等TDR插件，力科公司的WaveExpert取样示波器和ST—20 TDR模块，以下扼要介绍它们的特性。
安捷伦的DCA86100数字通信剖析仪由86100C主机和两个54754A差分TDR模块组成，内置隧道二极管的阶跃脉冲发生器，上升时刻<25ps。在86100C选件202(增强阻抗和S参数丈量)软件支持下，DCA86100具有18GHz带宽，可以丈量32项S参数，一起显现6个S参数，具有广泛的校准和丈量功用，动态规模超越45dB 。将依据TDR/TDT的S参数丈量成果与安捷伦的PNA系列四端口20GHz精确矢量网络剖析仪的丈量数据相比较，在10GHz的频率规模内两种成果高度匹配。图6是输入端口差分损耗SDD11的比照曲线，赤色曲线由VNA办法测得，蓝色曲线由TDR/TDT办法丈量，证明依据TDR/TDT的S参数丈量技能具有很高可信度。
图4 时域反射丈量体系的构成
DCA86100主机还可配用86118A单端双通道模块，带宽可到达70GHz，并且运用远端探头，缩短TDR/TDT参阅平面与被测元件之间的间隔。可是86118A的阶跃脉冲发生器的上升时刻约为25ps，为了充分发挥70GHz带宽的S参数丈量才能，需求运用上升时刻<10ps的阶跃脉冲发生器，安捷伦公司供给的第三方PSPL(皮秒实验室)公司的4020脉冲增强模块，可以发生<9ps的阶跃脉冲信号，装备86118A/4020模块的依据TDR/TDT的S参数丈量设备，代表当时到达的最高水平。
泰克的DSA8200数字串行剖析仪，它首要用于丈量各种高速串行链路网络特性，包含时域反射、S参数、信号可信度和噪声。现在DSA8200具有业界的最低噪声和时刻颤动最小，一起供给多种插件，从带宽10GHz至70GHz的选件，并且阶跃脉冲发生器的上升时刻是12ps。例如合作80E10取样插件的DSA8200，它的带宽到达70GHz，动态规模70dB，最多可装置8个80E10插件，完结8通道输入，为多端口的S参数丈量供给便利。泰克还供给差分TDR/TDT的取样插件。
图5 时域反射丈量体系的匹配
DSA8200选用依据TDR/TDT的S参数丈量的软件是%&&&&&%onnect，它的取样点到达1M点，校准进程简化，进步丈量精度，缩短丈量时刻。DSA8200运用差分TDR/TDT丈量方法获得如下的S参数带宽：
在上述数字中入射波上升时刻便是阶跃脉冲发生器的上升时刻。关于80E10来说，上升时刻12ps可获得S参数丈量的50GHz带宽。此刻可丈量短间隔同轴线的1mm不接连点，以及100m长的电缆组合的S参数。在这种丈量环境下，依据TDR/TDT的S参数丈量比VNA技能更便利和精确，并且供给更多的信息。
力科的WaveExpert数字取样示波器合作ST-20TDR模块，可以完结单端、差分的依据TDR/TDT的S参数丈量。取样示波器的带宽可达100GHz，它选用PSPL公司供给的取样头，现在是业界水平最高的取样部件。ST-20模块的带宽是20GHz，阶跃脉冲时刻是20ps，取样点收集长度是10万点，明显，ST-20模块的S参数丈量带宽还有进步的潜力，力科公司将有更好的依据TDR/TDT的S参数丈量设备推出。
图6 两种丈量办法获得的S参数的契合程度
还有上面说到的PSPL公司是皮秒脉冲丈量仪器供给商，产品包含通用和专用脉冲发生器和阶跃脉冲发生器，取样示波器模块和取样门等，用户需求扩展以上三家S参数丈量设备的特性或自行构建S参数丈量设备，可考虑选用该公司的产品作为优选的部件。
依据TDR/TDT的S参数丈量的误区
为了正确运用依据TRD/TRT的S参数丈量办法，需求防止一些过错概念，首要表现为：
榜首，彻底替代VNA。VNA可以丈量有源和无源的%&&&&&%，是阻抗域丈量仪器中功用最全面，、最精确的设备。现在依据TRD/TRT的S参数丈量只可以处理同轴线、电缆等的无源S参数丈量，并且以VNA作为丈量比照的规范。
第二，挑选高取样率的数字存储示波器。数字存储示波器的带宽取决于取样率的进步，但依据TRD/TRT的S参数丈量的带宽与取样率无关，而取决于阶跃脉冲的上升时刻。因此，依据TRD/TRT的丈量无需选用时域丈量仪器中功用最全面，取样率最高的数字存储示波器，只需运用数字取样示波器即可。
第三，VNA的背景噪声最低。VNA运用带通滤波器和数字滤波器，具有很低的背景噪声。相同数字取样示波器运用屡次均匀运算，亦能明显进步信噪比。VNA的低频从100KHz或1MHz开端，而TRD/TRT的低频一向延伸至DC，后者具有更好的低频特性。
第四，依据TDR/TDT的丈量的动态规模较低。前期TDR/TDT丈量的动态规模只需40dB，近年来获得发展，在带宽20GHz以上时动态规模扩展到70dB，加上运用数据屡次均匀降噪技能，动态规模进一步得到改进，为同轴线、微带、电缆的S参数丈量供给满足的动态规模。
结语
依据TDR/TDT的S参数丈量是一种成功的丈量技能，曩昔经过时域—频域的改换和反改换使两域交流起来，现在经过时域—频域改换—S参数运算使时、频、阻抗三域交流起来，域际互通丈量技能的远景愈加宽广。
测验丈量仪器中VNA是第一流和最贵重的设备，一般实验室没有丈量射频/微波的S参数的的手法，而数字取样示波器较简单具有。现已证明，在数字取样示波器根底上构建的TDR/TDT，丈量S参数设备，本钱不到VNA 的一半。假如考虑到VNA的单台价格20~30万美元，则节约10~15万美元是一笔可观的经费。此外，VNA需求娴熟的工程技能人员操作，丈量时刻要半小时以上，依据TDR/TDT的S参数丈量的操作比较简略，丈量时刻只需几分钟，的确是省钱、省力、省时的丈量办法。
参阅文献:
[1].S11datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/S11_1617658.html.
[2].S12datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/S12_1619040.html.
[3].86100Cdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/86100C_2271774.html.
[4].25psdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/25ps_33435.html.
[5].100mdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/100m_2509927.html.
[6].20psdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/20ps_30947.html
