基于时域反射和传输的S参数测量方法

反射测量系统的构成

DCA86100主机还可配用86118A单端双通道模块，带宽可达到70GHz，而且使用远端探头，缩短TDR/TDT参考平面与被测元件之间的距离。但是86118A的阶跃脉冲发生器的上升时间约为25ps，为了充分发挥70GHz带宽的S参数测量能力，需要使用上升时间<10ps的阶跃脉冲发生器，安捷伦公司提供的第三方PSPL(皮秒实验室)公司的4020脉冲增强模块，能够产生<9ps的阶跃脉冲信号，配备86118A/4020模块的基于TDR/TDT的S参数测量设备，代表当前达到的最高水平。

泰克的DSA8200数字串行分析仪，它主要用于测量各种高速串行链路网络特性，包括时域反射、S参数、信号可信度和噪声。目前DSA8200具有业界的最低噪声和时间抖动最小，同时提供多种插件，从带宽10GHz至70GHz的选件，而且阶跃脉冲发生器的上升时间是12ps。例如配合80E10取样插件的DSA8200，它的带宽达到70GHz，动态范围70dB，最多可安装8个80E10插件，实现8通道输入，为多端口的S参数测量提供方便。泰克还提供差分TDR/TDT的取样插件。

图5 时域反射测量系统的匹配

DSA8200采用基于TDR/TDT的S参数测量的软件是IConnect，它的取样点达到1M点，校准过程简化，提高测量精度，缩短测量时间。DSA8200使用差分TDR/TDT测量方式获得如下的S参数带宽：

在上述数字中入射波上升时间就是阶跃脉冲发生器的上升时间。对于80E10来说，上升时间12ps可获得S参数测量的50GHz带宽。此时可测量短距离同轴线的1mm不连续点，以及100m长的电缆组合的S参数。在这种测量环境下，基于TDR/TDT的S参数测量比VNA技术更方便和精确，并且提供更多的信息。

力科的WaveExpert数字取样示波器配合ST-20TDR模块，能够实现单端、差分的基于TDR/TDT的S参数测量。取样示波器的带宽可达100GHz，它采用PSPL公司提供的取样头，目前是业界水平最高的取样部件。ST-20模块的带宽是20GHz，阶跃脉冲时间是20ps，取样点采集长度是10万点，显然，ST-20模块的S参数测量带宽还有提高的潜力，力科公司将有更好的基于TDR/TDT的S参数测量设备推出。

图6 两种测量方法获得的S参数的符合程度

还有上面提到的PSPL公司是皮秒脉冲测量仪器供应商，产品包括通用和专用脉冲发生器和阶跃脉冲发生器，取样示波器模块和取样门等，用户需要扩展以上三家S参数测量设备的特性或自行构建S参数测量设备，可考虑采用该公司的产品作为优选的部件。

基于TDR/TDT的S参数测量的误区

为了正确使用基于TRD/TRT的S参数测量方法，需要避免一些错误概念，主要表现为：

第一，完全代替VNA。VNA能够测量有源和无源的元器件，是阻抗域测量仪器中功能最全面，、最准确的设备。目前基于TRD/TRT的S参数测量只能够解决同轴线、电缆等的无源S参数测量，而且以VNA作为测量对比的标准。

第二，选择高取样率的数字存储示波器。数字存储示波器的带宽取决于取样率的提高，但基于TRD/TRT的S参数测量的带宽与取样率无关，而取决于阶跃脉冲的上升时间。因而，基于TRD/TRT的测量无需选用时域测量仪器中功能最全面，取样率最高的数字存储示波器，只要使用数字取样示波器即可。

第三，VNA的背景噪声最低。VNA使用带通滤波器和数字滤波器，具有很低的背景噪声。同样数字取样示波器使用多次平均运算，亦能显著提高信噪比。VNA的低频从100KHz或1MHz开始，而TRD/TRT的低频一直延伸至DC，后者具有更好的低频特性。

第四，基于TDR/TDT的测量的动态范围较低。早期TDR/TDT测量的动态范围只有40dB，近年来取得进展，在带宽20GHz以上时动态范围扩大到70dB，加上使用数据多次平均降噪技术，动态范围进一步得到改善，为同轴线、微带、电缆的S参数测量提供足够的动态范围。

结语

基于TDR/TDT的S参数测量是一种成功的测量技术，过去通过时域—频域的变换和反变换使两域沟通起来，现在通过时域—频域变换—S参数运算使时、频、阻抗三域沟通起来，域际互通测量技术的前景更加广阔。

测试测量仪器中VNA是最高级和最昂贵的设备，一般实验室没有测量射频/微波的S参数的的手段，而数字取样示波器较容易拥有。已经证实，在数字取样示波器基础上构建的TDR/TDT，测量S参数设备，成本不到VNA 的一半。如果考虑到VNA的单台价格20~30万美元，则节省10~15万美元是一笔可观的经费。此外，VNA需要熟练的工程技术人员操作，测量时间要半小时以上，基于TDR/TDT的S参数测量的操作比较简单，测量时间只要几分钟，的确是省钱、省力、省时的测量方法。

参考文献:

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