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用2端口矢网实现差分S参数测量
2024-09-23 9735 作者:舜特科 标签:Hyperlabs | 巴伦 | S参数测量

在本应用笔记中,使用单端 2 端口矢量网络分析仪 (VNA) 和一对 Hyperlabs超宽带巴伦进行的差分S参数测量与在 4 端口矢网上进行的测量进行了比较。被测设备是宽带差分放大器。本应用笔记是参考皮秒脉冲实验室(Picosecond Pulse Labs)的应用笔记AN-21完成的。在参考应用笔记AN-21中,Jim Andrews 博士使用 PSPL 5310A 宽带巴伦演示了 10GHz 的差分S参数测量。利用Hyperlabs业界领先的宽带巴伦,同样的技术可以实现用2端口网络分析仪实现精确的差分S参数测量。



2端口矢网测量系统




图 1 显示了 2 端口测量系统的框图。

矢网 Anritsu MS4644B,巴伦为 Hyperlabs型号 HL9407。这些巴伦具有从 500kHz 到 67GHz 的 -3dB 带宽、30GHz 的 ± 0.1dB 幅度匹配和 67GHz 的 ± 0.3dB 幅度匹配。


为了改善差分测试端口的阻抗匹配,在四个差分测试端口上都加一个Hyperlabs的10dB衰器,如图 1 所示。

图 1:采用两个 HL9407 巴伦的 2 端口矢网测量系统框图


如上所示,2 端口矢网测量系统由一个公差分测试端口 1 和一个母差分测试端口 2 构成。这种布置有利于零长度直通校准。被测设备 (DUT) 的端口相应地配置为母-公。差分放大器评估板的连接器间距与 HL9407 巴伦不匹配,因此需要使用接口电缆。用半钢圆弧形电缆,将评估板和测试用的巴伦之间进行连接。一组电缆并入测试端口 1,另一组电缆成为 DUT 的一部分。


2端口矢网校准




使用两个 Anritsu 3652 “K” 校准套件执行了 12 项 SOLT 校准(包括隔离)。每个 3652 套件包含 1 个母开路、1 个母短路、1 个公开路和 1 个公短路校准标准。使用两个套件,可以同时将 2 个母校准标准连接到差分端口 1,以进行每组短路、开路和负载反射校准。

图 2 右侧显示了两个母头和两个公头开路校准标准,它们分别连接到差分测试端口 1 和差分端口 2。 


通过循环短路、开路和负载反射校准标准,可以同时完成端口 1 和端口 2 的校准。 


这种方法消除了在校准期间更换等相位测试端口适配器的需要。


图 2:端口 1 的开路反射校准

只能将一个校准套件的分布参数加载到 MS4644B矢网中。两个校准套件之间的细微差异会导致较小的校准误差。最终校准的质量如下图 3 所示,有源 4 端口测量如图 4 所示,定义的 DUT 如图 5 所示。


图 3:差分校准的直通验证

图 4:有源4端口测量

图 5:定义的DUT


4端口矢网校准和测量系统




图 6 显示了 4 端口测量系统的框图。矢网 是 Anritsu MS4647B,配有 MN4697C 多端口测试装置。使用 Anritsu 36585V-2F Precision AutoCal 进行校准。

完成 AutoCal 后,使用 Anritsu 33VFVF50C 母对母适配器 (长度为23.62mm) 对图 6 所示的所有端口组合执行 Thru Update。23.62mm 适配器的时延作为校准系数输入,并通过 Thru Update 操作进行校正。但是,适配器的轻微衰减并未得到校正。因此,在 4 端口矢网测量系统上进行的插入增益测量结果略显乐观。

图 6:4 端口 VNA 测量系统框图

S参数测试结果





下图 7 比较了两种测试系统获得的测量结果。红色轨迹表示在 4 端口矢网测量系统上收集的数据,蓝色轨迹表示在使用 HL9407 巴伦的情况下在 2 端口矢网系统上收集的数据。

2 端口系统的回波损耗数据噪声较大,右侧图表中用 4.5% 的移动平均值进行了平滑处理。原始数据在下一页的图 8 中显示。端口 1 的回波损耗数据噪声大于端口 2,这可能与校准测量系统的端口 1 中集成的半刚性电缆有关。电缆可能因校准后的扭转和弯曲而变形。

图例:4端口矢网测试曲线 / 2端口矢网+巴伦+衰减器测试曲线 

图 7:测量的差分 S 参数


使用 4 端口测量系统测量的 S21 增益响应明显高于在 2 端口测量系统上测量的 S21。这可以归因于两个因素。首先,4 端口测量系统用于表征不包含任何同轴适配器或电缆的 DUT。相反,2 端口测量系统用于表征包含适配器和电缆的 DUT。其次,如前所述,在校准 4 端口测量系统期间使用的 Thru Update 没有考虑 Anritsu 33VFVF50C 母对母适配器的插入损耗。这两个因素解释了测量的 S21 响应的差异。

图 8:原始回波损耗数据比较


本应用笔记展示了使用Hyperlabs的 HL9407 宽带巴伦和Hyperlabs的 HL9427-10 10dB 衰减器从单端 2 端口矢网获得的精确差分S参数测量。此测量系统是购买矢网多端口测试套件的经济高效的替代方案。值得注意的是,本应用说明中报告的差分S参数只是从 4 端口测量系统获得的完整混合模式S参数的一个子集。除了差分S参数外,4 端口测量系统还能提供共模和模式转换S参数。