一种测量散射参数的装置及方法

刘培涛，赖展军，林学进，王强，卜斌龙

（京信通信技术（广州）有限公司，广东广州，510730）

0 引言

散射参数是研究微波系统中的一个重要参数，也称为S参数，它用的是器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端的传输信号来描述电路网络，能直接表示 电路的分布参数电路特性，也适合于描述微波电路的端口特性。因此散射参数的测量也显得尤为重要。

常用测量散射参数的方法就是使用网络分析仪测量来连接测设备的两个端口,并利用矢量网络分析仪测试散射系数。[1-4]矢量网络分析仪是散射参数的主要测量仪表，因仪表测试端口通常是同轴类型的，因此在测量被测件散射参数时，需要在被测件上安装射频接头，通过射频电缆将射频接头与矢量网络分析仪连接。这就显现出一个问题，一方面测试过程麻烦，需在测量位置插入用于测量的接头破坏被测件的完整性，另一方面是会影响测试结果，产生不利因素。[5-7]因此，寻求一种简单且实验结果准确的测试方法变得很有必要。

基于此，本文提出了一种用于测量散射参数的耦合组件、数据测定装置及方法，这不仅能使测试变得简单和准确，且便于实验操作。

1 散射参数的测量

1.1 现有的散射参数测量

图1 给出了一种现有的散射参数测量方案，具体如下：

图1 现有测量散射参数一实施例的电路连接图

被测件11 包括一段微带线111，现为了测试微带线111的散射参数，就需使用包括微带线211、212 和射频接头213、214 的过渡件将被测件11 通过电缆与矢量网络分析仪器31 连接。若需获得微带线111 参考面a 处的散射参数，还需采用“去嵌入”、“TRL 校准”等技术，以消除射频接头等过渡件带来的影响。

如果被测件11 是某个完整的微带功分网络的一部分，按上述常规的测量方法，就需要破坏微带功分网络的完整性，在测量位置插入用于测量的接头，但接头也会引起测试误差，进而影响测试结果。

1.2 测量散射参数的方法

本文提供了散射参数的测量方案且还提供了测量散射参数的耦合组件。

用于测量散射参数的耦合组件主要包括第一探头、第二探头，还有与第一探头连接的第一端口以及与第二探头连接的第二端口，其中，第一探头和第二探头分别用于耦合被测件的射频信号。第一探头和第二探头还有一定的设置要求，第一探头和第二探头分别垂直于被测件的轴线之间的距离不等于二分之一的被测件内部电磁波工作波长的整数倍，且大于零小于被测件的总长度；同时，第一探头和第二探头与被测件的耦合强度相同，另外，对于第一探头和第二探头可设置于被测件径向的两侧或同侧。以上的连接使得第一探头、第二探头及被测件的公共输入端口、输出端口形成四端口微波网络。

如图2 的散射参数测量方法的流程示意图，首先步骤201，测定传输系数、延迟系数。其中，延迟系数的获得方式包括电磁场仿真软件仿真及校准的矢量网络分析仪的测量。传输系数的获得方式为校准的矢量网络分析仪的测量，采用校准的矢量网络分析仪测量得到的传输系数包括幅度和相位；然后步骤202，根据步骤201 的传输系数和延迟系数从而计算得出被测件的散射参数。

图2 散射参数测量方法一实施例的流程示意图

1.3 测量散射参数方法的计算

根据图3 的测量时电路连接图主要是包含传输线311 的被测件31、第一射频接头32、第二射频接头33、第一探头34、第二探头35、矢量网络分析仪36、负载37 以及端口38，传输线311 为均匀传输线。传输线311 中的两个测试点（参考面b、参考面c）附近设置第一探头34、第二探头35，第一探头34和第二探头35 之间的距离为d。传输线311 输入端、输出端分别设有第一射频接头32、第二射频接头33。矢量网络分析仪36 的输出端口通过电缆与第一射频接头32 连接，该端口38 可分别与第一探头34 或第二探头35 连接以测试参考面b、参考面c 处的传输系数及参考面b 和参考面c 间的延迟系数，即被测件公共输入端口到第一探头、第二探头的传输系数及第一探头，第二探头间的延迟系数。再根据本发明推导出的计算公式，得到参考面b、参考面c 处的散射参数。其中，第二射频接头33 连接负载37。

图3 测定装置测量散射参数时一实施例的电路连接图

得到测试点的散射参数的流程应该为在均匀传输线311中设置两个测试点，利用经过校准的矢量网络分析仪36 测量被测件公共输入端口到两个测试点的传输系数及测试点间的延迟系数，再利用相应的计算公式，获得测试点位置的散射参数。

结合图4，Port1 为公共输入端口，矢量网络分析仪36可以测量得到Port1 到Port3、Port4 的传输系数S31、S41，以及Port2 到Port1 的延迟系数G12、Port1 到Port2 的延迟系数G21，V1、V2 为第一探头34、第二探头35 对应传输线311 位置的矢量电压，V1+、V1-是V1 对应的入射波电压与发射波电压，V2+、V2-是V2 对应的入射波电压与发射波电压。

图4 所示实施例的原理图

其中，探头的测量原理是在均匀微带线附近成对设置测量探头，第一探头和第二探头用蚀刻的方式印制到PCB 上。通过测试公共输入端口Port1 到第一探头、第二探头的传输系数以及第一探头、第二探头之间的延迟系数，这样可以计算得到均匀微带线上第一探头和第二探头对应位置的散射参数。

耦合组件测量线其中一个实施例包括被测件和测量装置，被测件包括基片、微带线，测量装置包括第一探头、第二探头，微带线的输入端、输出端分别连接Port1、Port2，第一探头、第二探头分别连接Port3、Port4，具有特征阻抗Z0 的均匀微带线、第一探头以及第二探头通过PCB 板的蚀刻工艺在基片上制作，探头之间的距离不等于一半的微带线工作波长的整数倍，第一探头及第二探头通过与微带线间的缝隙形成的等效电容与微带线进行耦合，形成具有Port1～Port4的四端口微波网络。

另外还有耦合组件测量微带线另一实施例，它与第一实施例的区别主要在于，存在第二基板，其中第一探头和第二探头通过PCB 蚀刻工艺制作在第二基片上，第二基片在第一探头和第二探头之外的区域尽可能去除以减小对微带线的影响。

2 结语

通过在被测件附近放置测量探头，避免将用于连接测试电缆的射频接头安装在被测件中，可在不改变被测件工作状态的情况下进行散射参数的测量。具体如下优点：第一，耦合组件制作成本低，适合应用于采用微带的各种微波电路散射参数的测量。第二，测量方法简单，不需要采用特殊的校准措施，只需获取耦合探头与微带线形成的4 端口微波网络的传输系数即可。第三，可测频带宽，只要探头垂直于微带线的轴线之间的距离不等于二分之一微带线工作波长的整数倍即可进行测量。第四，耦合探头使用PCB 蚀刻工艺，尺寸精度高，一致性好。