時域反射和傳輸的S參數測量

2020-12-05 電子產品世界

　　計算技術和數字處理促進了傅立葉變換的應用，快速傅立葉變換(FFT)和反向傅立葉變換(IFFT)使數字取樣示波器的時域—頻域變換，能夠在1ms級內完成1024個樣品的複雜計算。分立的時域—頻域關係如圖2所示，圖中左邊是一個階躍脈衝，由極短脈衝△t取樣，時間窗口等於N△t，圖中右方是FTT運算後的頻普分量，相應的頻率增量等於△f=1/N△t，N是取樣點數。圖2也是數字取樣示波器的基礎，由極短的單位脈衝△t對快速的脈衝瞬變作順序取樣，然後在較低時域下重建快速脈衝波形。目前，數字取樣示波器的△t10ps和等效帶寬達到100GHz，它的帶寬超過矢量網絡分析儀的65GHz，成為帶寬最高的測量儀器。

　　基於TDR/TDT的S參數測量的取樣數據首先從數字示波器獲得，然後利用計算程序將取樣數據變換成頻域的S參數。例如兩埠的4個TDR/TDT值分別相當於4個S參數，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插件的數字取樣示波器，一臺快速階躍脈衝發生器，一套同軸線校準工具和時域—頻域變換程序，如圖4所示。射頻儀器的標準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構或差分信號，需要選用差分輸出的TDR/TDT插件。校準工具通常選用短路—開路—負載—直通(SOLT)校準技術，根據同軸線型號提供套件，目的是建立一個校準平面，消除測量系統引入的誤差，提高測量結果的準確性。校準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，校準平面前面的測量系統的輸出阻抗就應處於完全匹配狀態，如圖5所示。

　　圖5 時域反射測量系統的匹配

　　幾種基於TDR/TDT的S參數測量設備

　　目前有三家測試測量儀器公司供應整套的基於TDR/TDT的S參數測量設備，它們是安捷倫公司的86100C系列數字取樣示波器和TDR模塊，泰克公司的DSA8200數字串行分析儀和80E10等TDR插件，力科公司的WaveExpert取樣示波器和ST—20 TDR模塊，以下簡要介紹它們的特性。

　　安捷倫的DCA86100數字通信分析儀由86100C主機和兩個54754A差分TDR模塊組成，內置隧道二極體的階躍脈衝發生器，上升時間25ps。在86100C選件202(增強阻抗和S參數測量)軟體支持下，DCA86100具有18GHz帶寬，能夠測量32項S參數，同時顯示6個S參數，具有廣泛的校準和測量功能，動態範圍超過45dB 。將基於TDR/TDT的S參數測量結果與安捷倫的PNA系列四埠20GHz精確矢量網絡分析儀的測量數據相比較，在10GHz的頻率範圍內兩種結果高度匹配。圖6是輸入埠差分損耗SDD11的對比曲線，紅色曲線由VNA方法測得，藍色曲線由TDR/TDT方法測量，證實基於TDR/TDT的S參數測量技術具有很高可信度。

　　DCA86100主機還可配用86118A單端雙通道模塊，帶寬可達到70GHz，而且使用遠端探頭，縮短TDR/TDT參考平面與被測元件之間的距離。但是86118A的階躍脈衝發生器的上升時間約為25ps，為了充分發揮70GHz帶寬的S參數測量能力，需要使用上升時間10ps的階躍脈衝發生器，安捷倫公司提供的第三方PSPL(皮秒實驗室)公司的4020脈衝增強模塊，能夠產生9ps的階躍脈衝信號，配備86118A/4020模塊的基於TDR/TDT的S參數測量設備，代表當前達到的最高水平。

　　泰克的DSA8200數字串行分析儀，它主要用於測量各種高速串行鏈路網絡特性，包括時域反射、S參數、信號可信度和噪聲。目前DSA8200具有業界的最低噪聲和時間抖動最小，同時提供多種插件，從帶寬10GHz至70GHz的選件，而且階躍脈衝發生器的上升時間是12ps。例如配合80E10取樣插件的DSA8200，它的帶寬達到70GHz，動態範圍70dB，最多可安裝8個80E10插件，實現8通道輸入，為多埠的S參數測量提供方便。泰克還提供差分TDR/TDT的取樣插件。

　　DSA8200採用基於TDR/TDT的S參數測量的軟體是IConnect，它的取樣點達到1M點，校準過程簡化，提高測量精度，縮短測量時間。DSA8200使用差分TDR/TDT測量方式獲得如下的S參數帶寬：

　　在上述數字中入射波上升時間就是階躍脈衝發生器的上升時間。對於80E10來說，上升時間12ps可獲得S參數測量的50GHz帶寬。此時可測量短距離同軸線的1mm不連續點，以及100m長的電纜組合的S參數。在這種測量環境下，基於TDR/TDT的S參數測量比VNA技術更方便和精確，並且提供更多的信息。

　　圖6 兩種測量方法獲得的S參數的符合程度

　　力科的WaveExpert數字取樣示波器配合ST-20TDR模塊，能夠實現單端、差分的基於TDR/TDT的S參數測量。取樣示波器的帶寬可達100GHz，它採用PSPL公司提供的取樣頭，目前是業界水平最高的取樣部件。ST-20模塊的帶寬是20GHz，階躍脈衝時間是20ps，取樣點採集長度是10萬點，顯然，ST-20模塊的S參數測量帶寬還有提高的潛力，力科公司將有更好的基於TDR/TDT的S參數測量設備推出。

還有上面提到的PSPL公司是皮秒脈衝測量儀器供應商，產品包括通用和專用脈衝發生器和階躍脈衝發生器，取樣示波器模塊和取樣門等，用戶需要擴展以上三家S參數測量設備的特性或自行構建S參數測量設備，可考慮採用該公司的產品作為優選的部件。

　　基於TDR/TDT的S參數測量的誤區

　　為了正確使用基於TRD/TRT的S參數測量方法，需要避免一些錯誤概念，主要表現為：

　　第一，完全代替VNA。VNA能夠測量有源和無源的元器件，是阻抗域測量儀器中功能最全面，、最準確的設備。目前基於TRD/TRT的S參數測量只能夠解決同軸線、電纜等的無源S參數測量，而且以VNA作為測量對比的標準。

　　第二，選擇高取樣率的數字存儲示波器。數字存儲示波器的帶寬取決於取樣率的提高，但基於TRD/TRT的S參數測量的帶寬與取樣率無關，而取決於階躍脈衝的上升時間。因而，基於TRD/TRT的測量無需選用時域測量儀器中功能最全面，取樣率最高的數字存儲示波器，只要使用數字取樣示波器即可。

　　第三，VNA的背景噪聲最低。VNA使用帶通濾波器和數字濾波器，具有很低的背景噪聲。同樣數字取樣示波器使用多次平均運算，亦能顯著提高信噪比。VNA的低頻從100KHz或1MHz開始，而TRD/TRT的低頻一直延伸至DC，後者具有更好的低頻特性。

　　第四，基於TDR/TDT的測量的動態範圍較低。早期TDR/TDT測量的動態範圍只有40dB，近年來取得進展，在帶寬20GHz以上時動態範圍擴大到70dB，加上使用數據多次平均降噪技術，動態範圍進一步得到改善，為同軸線、微帶、電纜的S參數測量提供足夠的動態範圍。

　　結語

　　基於TDR/TDT的S參數測量是一種成功的測量技術，過去通過時域—頻域的變換和反變換使兩域溝通起來，現在通過時域—頻域變換—S參數運算使時、頻、阻抗三域溝通起來，域際互通測量技術的前景更加廣闊。

　　測試測量儀器中VNA是最高級和最昂貴的設備，一般實驗室沒有測量射頻/微波的S參數的的手段，而數字取樣示波器較容易擁有。已經證實，在數字取樣示波器基礎上構建的TDR/TDT，測量S參數設備，成本不到VNA 的一半。如果考慮到VNA的單臺價格20~30萬美元，則節省10~15萬美元是一筆可觀的經費。此外，VNA需要熟練的工程技術人員操作，測量時間要半小時以上，基於TDR/TDT的S參數測量的操作比較簡單，測量時間只要幾分鐘，的確是省錢、省力、省時的測量方法。

相關焦點

  • 基於時域反射和傳輸的S參數測量方法
    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變換將幅度—時間特性變成分立的幅度—頻率特性，在此基礎上推導出S參數。整個測試過程和測量條件與直接測量S參數相同，只是激勵源從掃頻發生器改為階躍脈衝發生器，從時域反射(TDR)和時域傳輸(TRT)參數導出S參數。
  • 基於時域反射和傳輸的S參數測量(07-100)
    引言本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/92049.htm　　在頻域、時域、阻抗域三種電學基本特性測試測量
  • 防止假信號的級聯S參數插補程序
    S參數模型通常用於這些系統中。本文討論了S參數級聯涉及的問題，介紹了一種防止假信號以及典型零填充插補可能引起的插入額外脈衝的算法。二、S參數測量在 使用VNA或矢量網絡分析儀測量一個S參數集時，會在一個埠上放一個正弦波入射信號。為獲得反射係數，將測量反射的正弦波幅度和相位。
  • 【測試】時域反射儀和網絡分析儀
    TDR用於測試阻抗，VNA可以測試S參數，其實用途完全不止這些，其他用途不懂，所以不提。TDR 原理：給DUT注入一個階躍信號（幾百KHz的頻率，重複發幅度幾百mV的階躍信號），當傳輸路徑中發生阻抗變化,部分能量會被反射,剩餘的能量會繼續傳輸。注入到媒介的能量、反射回的能量與阻抗的變化有理論上的數學關係。只要知道發射波的幅度及測量反射波的幅度，就可以計算阻抗的變化。
  • 準確測量脈衝信號的S參數(一)
    傳統上，矢量網絡分析儀被用來測量元件的連續波形(CW)S參數性能。在這些操作環境下，分析儀常常作為窄帶測量儀器工作。它向元件傳輸已知的CW頻率並測量CW頻率響應。
  • 總算有人講明白了什麼是TDR時域反射計
    德國GMC-I 庫爾特網絡 TDR時域反射計測試技術原理詳解TDR時域反射技術原理TDR (Time Domain Reflectometry)時域反射技術的原理是，信號在某一傳輸路徑傳輸，當傳輸路徑中發生阻抗變化時，一部分信號會被反射，另一部分信號會繼續沿傳輸路徑傳輸
  • 述評SPARQ系列網絡分析儀之四:關於S參數(下)
    ）,單端的四埠S參數矩陣並不能提供關於差模和共模匹配和傳輸的有洞察力的信息。因此，1995年提出的混合模式S參數成為評價差分傳輸系統的重要工具。圖十二是VNA的原理框圖，主要包括以下部分: （1）激勵信號源：提供感興趣的頻率範圍內的入射信號；（2）信號分離裝置：含功分器和定向耦合器，分離出入射，反射和傳輸信號；（3）接收機：對被測件的入射，反射和傳輸信號進行測試；（4）處理顯示單元：對測試結果進行處理和顯示。
  • 利用S參數來描述串擾
    定量測量從幹擾源傳輸線到受幹擾對象傳輸線的串擾大小是確認和消除可能的誤碼源的重要調試手段。S 參數的概念是源於對互連器件或系統的微波屬性的描述，提供了描述從音頻範圍到毫米波頻率範圍的應用中存在的串擾的最直觀方法。畢竟S參數矩陣中的每個參量 事實上都是正弦信號從互連繫統中某一埠輸出和另一埠輸入之間的比較。
  • 脈衝S參數測量中的跟蹤技術
    例如，在測試諸如功率電晶體之類的非熱耦合被測器件的 S參數時，連續波激勵所積累的熱量可能會損壞被測器件，而使用脈衝激勵進行測量則可以安全地對這類器件的特性進行表徵。通過正確選擇脈衝激勵的佔空比，可以保證測量的平均功率保持在較低的水平，避免產生過熱現象。另一個需要進行脈衝 S參數測量的例子是對通常工作在脈衝或猝發信號狀態下——例如雷達系統和許多數字調製通信系統中的器件進行測量。
  • -之二:傳輸線對數位訊號的影響
    矢量網絡分析儀VNA（vector network analyzer）可以在高達幾十GHz的頻率範圍內通過正弦波掃頻的方式精確測量傳輸通道對不同頻率的反射和傳輸特性，動態範圍達100dB以上，所以現代在進行高速傳輸通道分析時主要會用矢量網絡分析儀去進行測量。
  • 矢量網絡分析儀的時域功能在天線測量中的應用
    現在有一種簡單又徹底的方案, 我們只需在矢量網絡分析儀中加入時域分析功能就可以得到精確的結果，下面我們就進行分析和介紹。　　一． 頻域時域的傅立葉變換和FFT我們知道，任一個信號既可以用頻域特徵參數描述，也可以用時域特徵參數描述，並且兩種描述可以通過傅氏變換和傅氏逆變換聯繫起來。
  • 時域測量的高斯響應低通濾波器
    當輸入信號的tr(1)=1ns，實際測量的輸出信號tr(out)=1.41ns，則根據式(3)求得tr(2)=1ns，即被測放大器的上升時間為1ns，有效帶寬為350MHz。　　高斯響應的階躍脈衝激勵信號　　測量儀器供應商都力求產品具有高斯響應的頻率特性，特別是波形顯示儀器和頻譜分析儀等實驗室和生產線常用的時域/頻域儀器，最低限度應該具有近似高斯響應特性。
  • 光時域反射儀OTDR原理及使用攻略
    因為光在玻璃中要比在真空中的速度慢，所以為了精確地測量距離，被測的光纖必須要指明折射率（IOR）。IOR是由光纖生產商來標明。 光時域反射儀OTDR使用全攻略用OTDR進行光纖測量可分為三步：參數設置、數據獲取和曲線分析。
  • 時域分析和頻域分析
    時域分析時，給定激勵的頻率，由驅動器和負載模型定義信號的變化沿和輸入輸出阻抗特性，仿真出信號通過PCB上信號傳輸線經過反射後的波形。然而，實際情況往往和仿真不一樣：首先，實際信號的頻率並不一定，變化沿也和模型描述有差異，造成信號頻譜差異，這樣他們通過傳輸線後的頻譜特性必然會不同；其次，時域仿真時的信號是經過負載阻抗和驅動器內阻之間多次反射後的波形，實際的驅動器和負載的阻抗和模型定義的也不同，也會造成波形變化。綜上所述，時域仿真存在太多偶然因素，有局限性。
  • 大神教你,利用S參數來描述PCB串擾
    定量測量從幹擾源傳輸線到受幹擾對象傳輸線的串擾大小是確認和消除可能的誤碼源的重要調試手段。 S 參數的概念是源於對互連器件或系統的微波屬性的描述，提供了描述從音頻範圍到毫米波頻率範圍的應用中存在的串擾的最直觀方法。畢竟S參數矩陣中的每個參量事實上都是正弦信號從互連繫統中某一埠輸出和另一埠輸入之間的比較。
  • 回波損耗、反射係數、駐波比、S參數之間的關係
    我們在實際射頻測試及天線測試過程中，回波損耗，反射係數，電壓駐波比, S參數等都會經常性的碰到。
  • SPARQ系列述評之二 ――信號完整性問題與S參數的關係
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/388825.htm關鍵詞： 信號完整性 仿真 S參數 建立時間 保持時間一、信號完整性的基本概念SI(Signal Integrity)是指傳輸系統在信號的傳輸過程中保持信號的時域和頻域特性的能力
  • SPARQ系列述評之二 ――信號完整性問題與S參數的關
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/195251.htm關鍵詞： 信號完整性 仿真 S參數 建立時間 保持時間一、信號完整性的基本概念SI(Signal Integrity)是指傳輸系統在信號的傳輸過程中保持信號的時域和頻域特性的能力。
  • 光時域反射儀(OTDR)工作原理及測試方法
    一、OTDR的工作原理：光纖光纜測試是光纜施工、維護、搶修重要技術手段，採用OTDR(光時域反射儀）進行光纖連接的現場監視和連接損耗測量評價，是目前最有效的方式。這種方法直觀、可信並能列印出光纖後向散射信號曲線。
  • 光時域反射儀otdr的工作原理及測試方法
    OTDR的工作原理： 光纖光纜測試是光纜施工、維護、搶修重要技術手段，採用OTDR（光時域反射儀）進行光纖連接的現場監視和連接損耗測量評價，是目前最有效的方式。這種方法直觀、可信並能列印出光纖後向散射信號曲線。另外，在監測的同時可以比較精確地測出由局內至各接頭點的實際傳輸距離，對維護中，精確查找故障、有效處理故障是十分必要的。