VVA与TDR：新千年的测量手段

图 1

基于 Windows 的 86100C 数字通信分析仪，其心脏是一个超宽带连续采样示波器，软件可以将 TDR 插件测得的结果表示为 S 参数（ Agilent 技术公司供稿）。

尽管无源器件的概念很乏味，但要把有关器件测试的内容写下来，仍然会是厚厚的一本书或一系列长文章。鉴于一篇文章的内容有限，不可能容纳这么多内容，所以比较好的办法是在无源器件的茫茫大海中挑选一个小子集，或者是电子工程师测试有选择类型器件的少数几类仪器。因此，本文将把注意力集中在 VNA（矢量网络分析仪）和相关仪器上，如 TDR（时域反射计）。VNA 一般都被归为难以熟悉的昂贵仪器一类，因为其价格都在 3 万美元以上，直到前不久，VNA的使用者还只是微波工程师们。微波工程师在 VNA 中要使用数学工具和分析工具、S-参数（散射参数）和 Smith 图（见附文“S 表示 Smith 图和 S 参数”），而对缺乏高频设计背景的电子工程师来说，这些东西常让他们犯难，望而生畏。关注 VNA 的一个重要原因是无线通信的爆炸性发展，很多无线通信都用到 2.4 GHz、5 GHz 甚至更高的频段。在这些频段上，块状电路模型已不能描述元器件与网络的行为，而必须采用分布式电路分析方法。VNA 参与的大多数任务都是针对线性电路的。但有些公司制造了 LSNA（大信号网络分析仪），它适用于包括非线性成分的网络与在大信号驱动时表现出非线性特性的有源电路。尽管 VNA 的用户界面向来以难以测知而著称，但掌握它也不是特别困难，至少就其基本概念来说。另外，随着 DSP 的广泛应用，大多数 VNA 可以把频域的测量结果在时域中表示出来。伴随着用户的需求，VNA 中还增加了时域特性、许多功能的自动化，以及迅速通过内置智能建立简化界面的能力。针对非微波工程师的友好界面正在快速成为基本特性，因为当 IC 和印制电路板的时钟速率提高时，越来越多的数字硬件设计者需要掌握这些频率下的元器件特性，只有 VNA 能够完成所需测量任务，而且保证所需精度。这些设计师大部分都感到在时域中比在频域中更能轻松自在地工作。但对于使用 S 参数的微波工程师，Agilent公司（它同时是 VNA 和 TDR 制造商）现在为自己的 86100C DCA（数字通信分析仪）软件提供从 TDR 数据中提取 S 参数的功能（图 1）。这样，用户可以根据自己的喜好采用时域测量或频域测量，然后将数据表示在其本地域或互补的域中。

图2

ZVT8 VNA可在300 kHz ~ 8 GHz范围内测量多端口和差分器件的特性。该系统提供8个端口，120 dB的动态范围，以及所有端口上最大13 dBm的输出功率。每个端口上的反射计甚至可以对几个多端口器件同时进行测量（ Rohde and Schwarz供稿）。

只是时间问题Agilent公司 的新软件强调了一个事实，即频域与时域只不过是看待同一现象的不同方法。通过在 DUT（待测设备）上施加一个扫频的正弦波激励，并用调谐到激励频率上的检波器作测量， VNA 就可以完成原来 TDR 的工作，即在 DUT 上施加一个重复电压步，并在输入端检测反射信号。但 TDR 是在时域完成这个检测，使用的是高速的连续等效时间采样示波技术。在 TDT（时域发射模式）下，TDR 仪器还可以检测其它端口的发射信号，就像 VNA 可以对多端口设备的几个端口测量传输特性一样。VNA 相对于 TDR 的优势在于它天生就有较大的测量动态范围，最大可达 80dB。并且，虽然 VNA 一般要比 TDR 贵得多，但并不会比 80 dB贵，也就是说，它们并不会贵上 1 万倍，甚至连 1 百倍都不到。另外，现代 VNA 的扫频速度可以很快。除非这些仪器在最高动态范围下测量，否则其测量速度与 TDR 不相上下。一台高性能 TDR 的设计要围绕一个高性能顺序采样示波器，该示波器带有一个 TDR 插件，包括一个重复阶跃（脉冲）发生器和一个采样电路。即使该示波器不完成 TDR 任务仍可能需要它。如果能为示波器增加合适的软件，使之完成能够满足要求的 S 参数测量，那么就可能无需 VNA，从而节省相当大的一笔费用。据称TDR 另一个优于 VNA 的地方是校准的简化（甚至无需校准）。但是，VNA 所用探头及应用 VNA 系统的制造商称，VNA 自动校准比 VNA 一般要求的手动校准更快，它们分别处于分钟与小时的量级。另外他们还称，在 40 GHz及40GHz以上的频率下，自动校准能提供更好的精度和可重复的结果（ 5% 误差对 20%或20%以上）（参考文献 1）。

在使用 TDR 和 VNA 时，必须从测量中去除将 DUT 连接至仪器的夹具与电缆的影响。这种去除工作需要对这些测量系统部件的影响进行测量以及精确的描述，然后从测量数据中精确地去掉其影响。最后的数据应当只表示 DUT 自身的特性。这种计算通常并不简单，但现代高性能的仪器能够自动完成这种去除，这样可以避免过多地卷入这些细节，不过您可能要选择一种校准策略（参考文献 1）。

固有的宽范围VNA 动态范围通常大于 TDR，主要原因有两点。首先，VNA 采用的是扫描调谐窄带检波器，它的内部噪声固有地低于 TDR 必须使用的宽带检波器的内部噪声。其次，当频率变化时，VNA 正弦激励信号的波幅保持相对恒定。与之相反，TDR 输出阶跃的不同频率成分的波幅是与谐波数成比例衰减的。因此，TDR 阶跃中的高频成分比 VNA 扫频激励信号的高频成分要少得多。VNA 也提供比 TDR 更好的高频精度，因为 TDR 在产生足够的快速电压阶跃并将其无损地送至 DUT 方面会遇到困难。最高频率的 VNA 可以直接测量到约 110 GHz，通过外接频率转换（下变频）硬件可以测到约 320 GHz。而带宽最宽的采样示波器（如高性能 TDR）约为 100 GHz。要建立一个 100 GHz TDR，光有一个宽带检波器是不够的。还需要一个 DUT 的激励电压，其上升时间为 10%至 90%，步长小于 4.5 ps左右。而现有上升时间最快的差分 TDR 脉冲可提供约 9 ps 上升时间的脉冲。此外，要将这些脉冲送至 DUT而不致恶化上升时间或产生其他信号反常，也需要特别的细心。由于 VNA 向 DUT 发送的是正弦波，而不是电压阶跃，因此将其连接到 DUT 的难度就低些。但在复杂频率情况下，VNA 夹接 DUT 也要像与TDR夹接那样非常小心。有一个常见的问题，即 VNA 与连接频率跟踪信号发生器的扫频 SA（频谱分析仪）有什么区别（见附文“VNA 与 SA 之比较”）？它们的主要区别在于，不带发生器的 SA 是描述信号特性，而 VNA 则是描述网络或元器件特性。但是，VNA 可以在测量相位同时还测量接收信号的幅度，而很少有 SA 能测量相位。在没有相位信息的情况下，仪器无法将各个频率成分正确地结合起来，重建一个非正弦波。因此，要实现从频域到时域的转换，相位与频率之间关系的信息是不可或缺的。数字系统设计师都知道，差分信令是提高数字系统时钟速率的核心技术。这一技术放宽了对地层低电感的要求，减少了接地反跳，而且与单端信令相比，允许更小的信号摆幅。因而，VNA 技术早在差分信令普及以前就已经为它做好了准备。两个单端 VNA 端口可以与一个差分 DUT 端口相接，而且几乎所有 VNA 都至少有两个单端端口。虽然现在也有一些技术可以将一个单端 VNA 端口连接到一个差分 DUT 端口，但只有两个单端端口的 VNA 通常不足以描述差分输入、输出网络的传输特性。要完成这个任务，需要有四个单端端口的 VNA，它们配置成两个差分端口。此外，需要更多 VNA 端口的复杂网络越来越普遍。与此相适应，有更多端口的 VNA 也日益增多。例如，Rohde and Schwarz 公司最近就推出了一款八端口的仪器（图 2）。但是，如果有合适的软件，电子工程师也可以用双端口 VNA 完成对差分网络的很多测量工作，一家供应商称它的双端口 VNA 出货量将继续高于更多端口的产品。当然，这样做的原因是端口较少的仪器价格较低。VNA 与 SA 之比较一台 SA（频谱分析仪）和一台 TG（跟踪发生器）构成了一个激励/响应系统。SA/TG 组合可以测量传输。但如果要测量反射，SA/TG 组合还需要一种用于将反射信号从入射信号中分离出来的设备。完成这一功能可以用一个定向桥或定向耦合器。与 SA/TG 组合相比，VNA（矢量网络分析仪）有三点明显的优势。方便：对一个双端口器件而言，SA/TG 在一个时间只能测量一件事（例如，正向的传输或反向的反射），而一台双端口 VNA 在相同设置下（正向传输与反射，反向传输与反射）可以测量所有四个 S 参数（散射参数）。在测试平衡设备时，一台四端口 VNA 可以比 SA/TG 对更方便。VNA 一次可以测量 16 个 S 参数，而 SA/TG 组合每个时刻只能测一个。相位：大多数 SA 只有一个接收机，只能测量一个信号的幅度。对元器件相位响应的测试需要测量测试信号与入射信号之间的相位差，这需要至少两台接收机。（VNA 一般有三到四台接收机，以测量正向和反向响应。）有些 SA（如 VSA，矢量信号分析仪）也可以测量相位，但他们分析的是相对于载波的调制相位。尽管某些 VSA 有两个可测比率相位的接收机，但信号发生器和 VSA 的调制带宽一般不足以覆盖测试无源器件带内、带外响应所需求的频率范围。准确性：VNA 采用复杂的数学方法，去除测试系统中无用的内容，如电缆损耗和与频率的不匹配。这种纠错级别需要幅度和相位信息。SA 在纠正系统发生误差时，只能作简单的归一化，其结果不是非常准确。例如，在高频测量中，归一化无法去除由于测试系统电缆与待测器件输入、输出不匹配而造成的错误纹波。

附文：S表示Smith图和S参数 Smith （圆点）图（图 A）是复杂阻抗或导纳向复合反射系数 Γ 极图的转换，一般用幅度 ρ 和相位 φ 来描述。在阻抗图上，习惯上要将特性阻抗 Z0（一般是 50 或 75Ω）规范到 1Ω，Z0 出现在图的中心，表示无损传输线的纯阻抗。尽管 Smith 图上绘的数量是与频率有关，但频率并不在坐标上明确显示，而是出现在图中沿曲线的点上。

图A

Smith 图是复合阻抗或导纳向复合反射系数极图的转换（ Microwave101.com供稿）。

短路电路出现在水平轴的左端，它将感性阻抗（R+jx）和容性阻抗（R-jx）分隔开来。感性阻抗出现在图的上半部分，容性阻抗则在下半部分。开路电路在水平轴的右端。纯电抗位于图的外圈环，此处 Γ=1。在阻抗 Smith 图中，任何不在中心或沿外圈上的点都是一个固定电阻和一个固定电抗（感抗或容抗）的串联结果。对一个导纳 Smith 图，任何点都是一个固定电阻和一个固定电抗（感抗或容抗）的并联结果（与传导与磁化的串联相同）。 微波工程师很熟悉 Smith 图，稍有经验的工程师就可以用该图快速而直观地解决无源、有源微波网络设计中的很多问题。VNA 可以在自己的屏幕上用 Smith 图的形式表示反射数据，如果连接了合适的打印机或绘图仪，还可以打印出 Smith 图。前 Bell 实验室工程师 Philip H Smith 创建的 Analog Instruments 公司今天仍然存在，Smith 图就是他在大约 70 年前发明的

。几年前，拥有“Smith 图”版权的这家公司称每年仍向企业客户交付近100万磅的空白 Smith 图表。 S 参数（散射参数）来源于反射与传输系数的直接测量。也可以对时域参数（如反射系数 rho-p）的反向FFT而得到，反射系数可以用 TDR 直接测量得到。参考文献 A 中有 S 参数与传导参数 (y)、电阻参数 (z) 和传导、电阻混合参数之间的互相转换表。