应用笔记

使用频率响应分析仪进行 S 参数测量

RF 系统分析侧重于反射信号最小化，以提供更高的效率和信号强度

2022 年 7 月 5 日

在设计和验证 RF 组件和系统时，传输和反射信号信息至关重要。在本应用说明中，Moku:Lab 的频率响应分析仪与射频定向耦合器结合使用，以对双端口网络进行完整的 S 参数表征。

介绍

想象一下，对着一条长长的、无尽的走廊大喊大叫。声音在深渊中传播，没有间断，最终消失在虚无中。接下来，想象做同样的事情，但走廊被墙截断了。这一次，当你大声喊叫时，你的声音会被墙壁反射并回荡在你身上。这种反射现象类似于处理 RF 世界中的高频信号（数百 MHz 或 GHz）。射频系统传输线上的任何阻抗不匹配都会导致信号反射。这种反射在 RF 设计中不是最佳选择，因为它会降低传输质量和效率。在高频下进行设计时，一个有用的参数是 S 参数，即“散射参数”。用于描述港口网络系统的反射/传输特性。换句话说，它有助于描述 RF 能量如何通过多端口网络传播。在使用 Moku:Lab 的频率响应分析器分析高频系统和滤波器时，我们将深入探索此参数并展示其实现。我们将使用史密斯圆图可视化传输线问题和阻抗匹配。

理论

S 参数是复数，意味着它们同时具有虚部和实部，因此可以同时表示幅度和相位。由于我们主要关心功率增益或功率损耗，因此我们将关注作为频率函数的幅度。

被测设备 (DUT) 的 S 参数表征将该 DUT 视为具有一个或多个端口的黑盒子，其中信号可以进入和退出任何端口。这个盒子可以包含大量的系统变量：电阻器、滤波器、集成电路或传输线，它们的细节是隐藏的。 S 参数的美妙之处在于，我们可以通过分析 S 参数所描述的传输和反射信号来全面了解 DUT。下图表示 2 端口 DUT 网络以及 S 参数捕获的所有信号路径。

图 1：2 端口网络中的 S 参数表示

请注意，此 2 端口网络的四个 S 参数具有与正在考虑的端口相关的下标。第一个数字是输出端口（新兴），第二个数字是输入端口（应用），如下图所示。

举些例子₂₂ 表示系统在特定频率下从端口 2 反射的功率（幅度和相位）。 Moku:Lab 的 FRA 能够将具有扫频正弦波的 DUT 驱动到系统的输入端口，并在系统的输出端口提取幅度和相位响应。 Moku:Lab 本身能够测量 S₁₂ 或S.₂₁ 一个 2 端口系统，但不是 S₁₁ 和S_22.

这些复数来自称为散射矩阵的数学表示。在这种格式中，行和列表示存在的端口数。该矩阵提供了一个强大且可扩展的线性工具，可用于隔离和研究 n 端口网络中的某些端口特性。

定向耦合器

定向耦合器是一种模拟设备，旨在耦合特定方向（但不是另一个方向）传输的一定量的功率。我们将用于测量 S 参数的定向耦合器是 Mini-Circuits ZFDC-10-21。它有一个输入 (In)、一个输出 (Out) 和一个耦合 (CPL) 端口。对于从输入到输出的信号，一小部分功率耦合到 CPL 端口。对于反向传播的信号，几乎没有功率耦合。这意味着如果我们将 DUT 放置在 RF 耦合器的输入端口并从输出端口驱动设备，我们可以通过监控 CPL 端口来探测反射功率。在定向耦合器的帮助下，Moku:Lab 的 FRA 能够测量 2 端口系统的所有四个 S 参数。

图 2：不同情况下定向耦合器内部的功率流

Moku:实验室设置

我们的 2 端口网络将是 Mini-Circuits (BBP-35A+) 的带通滤波器，频率范围为 30-40MHz。

图 3 显示了 Moku:Lab 关于 2 端口滤波器 (BPF) 和射频耦合器 (Mini Circuits ZFDC-10-21) 的四种布置。请注意，一个 50Ω 终端电阻与滤波器串联，以在测量 S 时保持阻抗匹配₁₁ 和S₂₂ 参数。

数字 3: Moku:S 参数测量的实验室配置

测量验证

在本节中，我们将通过比较大带宽上的 FRA 测量值与规格（例如，来自数据表）来验证 RF 组件。

数字 4: Moku:Lab 带通滤波器的 FRA 图

图 4 顶部的幅度图显示了滤波器额定的大约 30-40MHz 带通，而底部图显示了相位。两项测量均采用 50Ω 输入阻抗设置，扫频范围为 1 至 120 MHz。我们现在可以根据已知数据验证这些结果，以确保 Moku:Lab 能够准确测量所有四个 S 参数。

数字 5: 测量值和数据表 S₁₂ 图

为了验证我们的测量，我们将比较测量传输信号的实验数据（S₁₂) 从 Moku:Lab 的 FRA 到 Mini-Circuits 提供的规格表。

比较 S 的理论图和实验图₁₂ 很明显，存在合理的一致性，验证 Moku:Lab 使用 FRA 生成准确的 S 参数。

现在我们对使用 Moku:Lab 的 FRA 设置微型电路耦合器所产生的结果充满信心，我们可以使用上述过程来记录我们的双端口系统的所有四个 S 参数。

图 6：S 参数幅值图

图 6 描述了反射信号 (S₁₁ 和S₂₂）和传输信号（S₂₁ 和S₁₂) 在从 1 MHz 到 120 MHz 的频率范围内，如 Moku:Lab 测量绘制的那样。

更深入的分析

图 7：S₁₁ 和S₂₂

隔离正向和反向信号反射，我们注意到通带边界 (30-40 MHz) 附近有明显下降。在处理敏感系统时，-6.66 dB、-7.86 dB 等衰减会导致功率传输减弱，因为大部分信号都被反射了。避免这些限制并保持在 28.6 MHz 和 41.6 MHz 的范围内将消除不需要的正向和反向反射，从而最大限度地提高信号在整个系统中的传输。