大信号S参数测量

实用射频测试和测量－大信号S参数测量1/10©1998-2009BXT™Technologies第12章大信号S参数测量12.1.概述说到射频器件的S参数测量，读者可能马上会联想到矢量或标量网络分析仪，但可能很少会把网络分析仪和大信号联系起来。虽说大信号条件下的S参数测量并不是新鲜话题，之所以单独列出一个章节来讨论，是因为笔者在工作中经常遇到这类问题。就像本书的书名一样，从实用角度出发，乃是本书的基调。12.2.回顾S参数S参数即散射（Scattering）参数，其概念是在二十世纪六十年代提出并被业界所接受。如果我们任意取一个N端口的射频网络，而并不知道其中是一个什么样的电路结构，也就是一个“黑盒子”，将一个射频信号输入到一个端口时，会发生什么呢？不难想象，这个输入到多端口网络的射频信号会出现三种情况：其中一部分信号会从输入端被反射回来，一部分信号会出现在其它端口（这部分信号也有可能被放大），还有一部分信号在传输过程中通过热辐射或电磁辐射的方式耗散掉了。当信号通过网络后，其幅度和相位均发生了变化，用S参数可以精确描述上述多端口网络中射频能量的传播和反射特性。S参数被定义为在给定频率和系统阻抗的条件下，任何非理想多端口网络的传输和反射特性。S参数描述了输入到一个N端口的信号到其中每个端口的响应。S参数下标中的第一位数字代表响应端，第二位数字代表激励端。如S21表示端口2相对于端口1输入信号的响应；S11代表端口1相对于端口1的输入信号的响应。我们以图12.1所示的通用二端口网络为例来说明S参数的定义。其中输入到网络的信号标注为a，离开网络的信号标注为b。二端口网络S端口1端口21a2a1b2b图12.1通用的双端口S参数网络在图12.1中，如果信号发生器接到端口1，端口2接匹配负载，则二端口网络的入射波为a1，从网络返回端口1的反射波为b1；通过网络到端口2的信号为b2，从负载返回网络的反射波为a2（对于匹配负载，这个反射波数值为零）。用这些电压波定义的端口1的S参数为：011112aabS(12.1)实用射频测试和测量－大信号S参数测量2/10©1998-2009BXT™Technologies012212aabS(12.2)其中S11表示当端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数；S21表示当端口2接匹配负载时，从端口1到端口2的传输系数，即增益或损耗。把图12.1中的信号发生器移到端口2，而端口1接匹配负载，则二端口网络的入射波为a2，从网络返回端口2的反射波为b2；通过网络到端口1的信号为b1，从负载返回网络的反射波为b2。用这些电压波定义的端口2的S参数为：022221aabS(12.3)021121aabS(12.4)其中S22表示当端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数；S12表示当端口1接匹配负载时，从端口2到端口1的传输系数，即反向隔离或损耗。二端口网络的S矩阵表示如下：2121aaSbb(12.5)其中22211211SSSSS(12.6)如果要测量S11，我们会向端口1注入信号并测量端口1反射信号，在这种情况下，端口2是没有信号输入的，所以在式12.1中，a2=0。如果要测量S21，则向端口1注入信号，并测量出现在端口2的信号。同样，测量S22时，会向端口2注入信号并测量端口2的反射信号，此时端口1没有信号输入，所以在式12.3中，a1=0。如果要测量S12，则向端口2注入信号，并测量出现在端口1的信号。对于单端口网络，S矩阵表示为：11SS(12.7)三端口网络的S矩阵为：333231232221131211SSSSSSSSSS(12.8)实用射频测试和测量－大信号S参数测量3/10©1998-2009BXT™Technologies在大多数情况下，更多关心的是信号幅度的变化，在本章后续部分的讨论中，也仅关心信号幅度的变化。12.3.为什么要测量射频器件的大信号S参数?如果没有特别说明，我们通常所说的S参数一般指小信号S参数。大部分情况下，测试者只关心小信号条件下射频和微波网络的S参数。对于有源器件（如放大器），小信号是指其尚未到达压缩点；而对于无源器件，通常认为其在额定功率条件下都是线性的。相对于小信号，大信号条件下的S参数发生了变化。以下是无源器件和有源器件的二个案例。12.3.1.无源器件的“功率系数”－S21的变化通常情况下，认为无源器件是完全线性的，在额定功率的条件下，其S参数是不变的。但是就像无源器件会产生互调失真一样，工程上的发现有时会与人们的习惯思维有所出入。在上节的开始部分提到S参数的现象时说到一个信号输入到多端口网络时，其中一部分能量会变成热量耗散掉。事实的确如此，当一些无源器件如衰减器、隔离器和滤波器等，在大功率的作用下，其S21会发生一些变化，请读者回顾本书第3.3节中，我们讨论了一个衰减器的“功率系数”指标。如图12.2所示，当一个50W、30dB的衰减器，当其输入功率从10mW逐渐增加到50W时，其S21的变化量为0.3dB。这个变化量已经不可忽视了，如果功率更大，其变化量也将会更大。如一个1kW、40dB的衰减器，其功率系数为0.0001dB/dB/W，在1kW满负荷工作时，其衰减量的变化居然高达4dB!图12.2衰减器的衰减量随功率的变化上述案例至少说明一个问题，要用衰减器加终端式功率计的方法来测量大功率，其结果是不够精确的！那么那些应用在大功率发射机输出端的无源器件如隔离器、避雷器和滤波器等，有没有“功率系数”问题呢？这些器件在大功率的作用下，其S参数会发生哪些变化？这些变化会对系统产生什么影响呢？15.4615.4815.515.5215.5415.5615.5815.615.6215.64Attenuation(dB)Power(W)衰减器功率系数实验_BXT15A-504-34_15dB实用射频测试和测量－大信号S参数测量4/10©1998-2009BXT™Technologies12.3.2.功率放大器的“HotS22”指标与无源器件相比，功率放大器的S参数变化更加显著，尤其是在不同功率下S22（HotS22）的变化（图12.3）。当放大器在激励条件下时，这些变化将会直接影响到放大器的效率、输出功率和稳定性，而这些指标又关联到经济指标，包括制造商的生产成本和运营商的长期运行成本。22S小小小小小小图12.3小信号和大信号状态下放大器S22的变化上述二个例子说明，无论是无源器件还是有源器件，其大信号状态下的S参数测量都是十分有用的，而且在某些应用场合是必不可少的。笔者在实际工作中，曾经遇到不少大信号S参数的测量案例，其中包括功率放大器的输出S22测量，无源器件在大信号条件下的失效机理评估和分析等。以下将先从小信号S参数测量开始讨论大信号S参数的测量方法。12.4.大信号S参数的测量方法12.4.1.大信号S参数测量－网络分析仪能做点什么？只要涉及到射频，就离不开网络分析仪，网络分析仪已经是小信号S参数测量的必备工具。图12.4是一个标量网络分析仪的基本工作原理，它利用功率检波器来测量被测器件的反射参数和传输参数的幅度。假设被测器件（DUT）是无源器件，那么通过测量入射信号a1和反射信号b1，可以计算DUT的S11参数；而通过测量传输信号b2和入射信号a1，则可以计算出S21参数。如果要测量DUT的S22和S12参数，则需要把DUT反转方向，重复上述测试。用双端口矢量网络分析仪可以在不变换DUT方向的前提下一次完成S22和S12的测量。实用射频测试和测量－大信号S参数测量5/10©1998-2009BXT™Technologies被测器件(DUT)匹配负载检波器检波器检波器11S21S反射传输入射耦合器2耦合器11a1b2b信号源图12.4用于测量反射和增益幅度的标量网络分析仪如果将图12.4中的被测器件（DUT）换成放大器，用网络分析仪同样可以测量S11（输入VSWR）和S21（增益）参数，但在测量S12和S22时却遇到了问题。按照S参数测量的定义，必须把被测放大器反转方向（图12.5），同时图中右侧的匹配负载要改换成放大器的激励源，而左侧的信号源则依然作为测试源。然后通过测量a2和b2来计算S22，通过测量b2和a1来计算S12。但实际上这只是一种设想而已，网络分析仪并不具备这种功能，因为这种接法立刻会烧毁网络分析仪内部的信号源。检波器检波器检波器22S12S反射传输入射耦合器2耦合器12a1b2b信号源被测放大器(AUT)激励信号源图12.5用网络分析仪测量放大器S22的设想－不可实现从上述分析可以得出结论，用普通的网络分析仪可以测量放大器的大信号S11和S21，但不能测量放大器的大信号S22和S12参数（需要说明的是，网络分析仪在校准时的源输出电平必须和放大器的标称输入电平一致，不能在校准后的测试过程中改变源的输出）。要测量放大器的大信号S22和S12参数，必须采取其它的方法。下面将讨论几种测量放大器S22的可能的方法，这个问题解决后，要测量任何其它无源和有源器件的大信号S参数也就不难了。实用射频测试和测量－大信号S参数测量6/10©1998-2009BXT™Technologies12.4.2.定向耦合器法可以测量S22吗？在图12.4的基础上，你或许马上会想到：将输出耦合器改为双定向耦合器会怎么样（图12.6）？这的确是一个很容易想到的方法，但是从S参数的原理看，似乎哪里还有点问题？匹配负载检波器检波器检波器11S21S反射传输入射输出耦合器输入耦合器检波器反射被测放大器(AUT)1a1b2a2b?22S信号源'2a'1a'1b'2b图12.6定向耦合器法测量放大器的大信号S参数让我们再来梳理一遍测试过程，从输入耦合器测得的入射信号a’1和反射信号b’1就是S参数定义中的a1和b1，所以S11测量没有问题；输出耦合器测得的b’2就是放大器的输出信号，所以S21测量也没有问题。最后是输出耦合器测得的反射信号a’2，好的，问题就出在这里。这个a’2实际上是负载的反射信号，而不是S参数中定义的，即我们所需要的放大器的a2。S参数的定义告诉我们，在这个场合，放大器a2的变化并不影响仪器所显示a’2的变化，而a’2的变化仅取决于b2的变化。如果负载是稳定的，那么a’2和b2的比值是恒定的。为了证明这一点，笔者做了一个实验，见图12.7。图12.7负载VSWR随功率变化实验11.021.041.061.081.11.121.141.161.181.2负载输入VSWR放大器输出(W)负载VSWR随功率的变化VSWR实用射频测试和测量－大信号S参数测量7/10©1998-2009BXT™Technologies从图12.3我们知道，放大器的S22是随着输出功率而变化的。在图12.6中，我们从1W到6W逐渐增加放大器的输出功率，试图通过实验得到与图12.3一致的结论。但结果却是这样测试所得到的VSWR几乎保持不（图12.7），因为实际上我们测到的只是负载的S11（输入VSWR）。显然，图12.6所示的定向耦合器法不能测量放大器的S22。12.4.3.通过式功率计可以测量放大器的S22吗？通过式功率计内部电路实际上也是由定向耦合器和检波器组成的，用二台通过式功率计可以搭建一个简化版的标量网络分析仪（图12.8），与上一节所述的同样道理，通过式功率计2所测得的反射功率实际上也是负载的S11，而不是放大器的S22。所以虽然通过式功率计简单易用，常被用于基站现场中天馈系统与发射机输出之间的匹配测量，但也不能测量放大器的S22。显示器匹配负载反射传输入射反射被测放大器1a1b2a2b通过式功率计1通过式功率计2信号源图12.8通过式功率计法测量大信号S参数12.4.4.放大器大信号S22的正确测量方法上述讨论说明了放大器的大信号S22参数测量似乎并不容易。让我们把思路回到S参数的定义上，就不难找到正确的测量方法（图12.9）。激励信号源被测放大器(AUT)测试