GHz级阻抗域：时域反射与传输法测量S参数的挑战与应用

电子测量中的基于时域反射和传输的S参数测量方法是一种在高频电子元器件性能评估中广泛应用的技术。相较于频域和时域测量，阻抗域的测试，尤其是矢量网络分析仪（VNA）的测量，其技术复杂度高，操作繁琐，且设备成本昂贵。VNA作为高端仪器，主要由少数几家知名厂商如安捷伦、安立和罗德施瓦茨提供，最高带宽可达65GHz，通过变频器扩展至120GHz，价格超过20万美元。 S参数是电子元器件的重要特性参数，包括Z（阻抗）、Y（电导）、H（混合）和S（散射）。由于在GHz频段难以实现开路和短路条件，通常在阻抗匹配状态下测量S参数，这使得VNA成为首选的测量工具。S参数矩阵由四个参数Sij构成，如二端口网络中的S11（输入端口电压反射系数）、S12（反向电压增益）、S21（正向电压增益）和S22（输出端口电压反射系数），它们反映设备对信号的传播和反射特性。 十年前，为了简化测量过程，一些专家尝试利用时域反射（TDR）和时域传输（TRT）测量技术，通过快速傅立叶变换（FFT）将时间域数据转化为频率域信息，进而推导出S参数。这种方法虽然改变了激励源（从扫频发生器变为阶跃脉冲发生器），但测量条件本质上保持一致，目标都是得到准确的S参数。 图1a所示的二端口网络提供了S参数的具体物理概念，通过测量输入和输出端口的电压和电流变化，可以计算出各个S参数的数值。这种测量方法对于理解电子元件的性能至关重要，尤其是在微波和毫米波通信领域，以及高速电路设计中，S参数的精确测量是确保系统性能的关键环节。 总结来说，基于时域反射和传输的S参数测量方法是一种高级的电子测量技术，它弥补了阻抗域测量在某些条件下的局限，提高了测量精度和效率，广泛应用于现代电子设备的研发和测试中。尽管成本高昂，但对于确保产品质量和优化系统设计具有不可替代的价值。