R&S®ZNL矢量网络分析仪差分信号S参数测量方法

一、概述

R&S®ZNL系列是罗德与施瓦茨推出的一款经济高效的双端口矢量网络分析仪，支持全S参数测量（S11、S21、S12、S22），频率覆盖从5 kHz至数GHz。虽然ZNL为双端口仪器，并未原生配备四端口差分激励能力，但通过合理的测试配置与数学处理，仍可实现对差分信号路径的有效表征。

二、测量原理

差分S参数测量的核心在于将仪器的单端测量结果转换为差分模式下的响应，这通过混合模式S参数（Mixed-Mode S-Parameters） 实现。混合模式参数包括差分-差分（SDD）、差分-共模（SDC）、共模-差分（SCD）、共模-共模（SCC）等。在存在平衡端口的情况下，标准S参数以S<m_out><m_in><out><in>的形式定义，其中m_out和m_in可分别为d（差分模式）、c（共模模式）或s（单端模式）。

ZNL通过不平衡-平衡转换（Unbalance-Balance Conversion） 功能来实现差分测量。该功能在仪器内部模拟一个或多个巴伦（Balun），将DUT的平衡端口转换为分析仪可测的单端信号，再计算出混合模式参数。这一方法避免了使用真实巴伦带来的非理想特性影响（如误差容限、有限频率范围等），且校准可直接在DUT端口进行。

三、测量操作流程

第一步：校准

使用高质量射频电缆连接仪器与测试夹具，进行严谨的校准。ZNL支持多种校准方式，包括使用R&S®ZN-Z1xx手动校准套件或R&S®ZN-ZE1xx自动校准单元。校准是确保测量基准准确性的关键步骤。

第二步：配置平衡端口

校准完成后，需要通过“Balanced Ports”对话框将分析仪切换至平衡操作模式。具体步骤为：在“More S-Parameters”对话框的“Port Configuration”面板中，点击“Balanced and Measured Ports”，然后在“Predefined Configs”选项卡中选择适合DUT的端口配置。

定义平衡逻辑端口需要两个物理端口——将两个物理VNA端口组合成一个平衡（逻辑）端口。随后可为该平衡端口的差分模式和共模模式分别分配独立的参考阻抗值。

第三步：设置参考阻抗

在“Single Ended Mode / Common Mode / Differential Mode”选项中定义任意参考阻抗。对于平衡端口，差分模式的默认参考阻抗值为100Ω（即2×50Ω），共模模式默认值为50Ω。用户可根据DUT的实际特性修改这些值。

第四步：选择混合模式S参数

配置完成后，通过[Meas] > "S-Params" > "S-Param Wizard..."调用S参数向导，按照指引完成测量设置。在存在平衡端口时，仪器即可测量混合模式参数。可选择显示SDD11（差分回波损耗）、SDD21（差分插入损耗）等关键指标。

第五步：执行测量与数据分析

设置频率范围和扫描点数后启动测量。ZNL具备极低的迹线噪声（典型值0.001 dB @ 10 kHz IFBW），可确保在微小信号变化下保持高分辨率。其快速测量能力与稳定漂移特性（<0.02 dB/小时）保障了长时间测试的可重复性。

四、典型应用场景

R&S®ZNL广泛用于差分滤波器、差分放大器、高速连接器及PCB差分走线的性能评估。其直观的触摸界面与向导式操作极大降低了测试门槛。此外，ZNL支持故障点距离（DTF）选件（R&S®ZNL-K3），可用于识别差分对中的阻抗不连续点或物理损伤位置。

综上所述，尽管R&S®ZNL为双端口仪器，但通过不平衡-平衡转换功能与混合模式S参数分析，完全能够胜任差分信号S参数的测量需求。