矢量网络分析仪(VNA)是射频设计的基本测量工具，通常用于表征滤波器、放大器、天线等的性能特性。令人惊讶的是，这种多功能工具也可以用于测量和优化驱动数字、模拟或射频电路的电源系统。

可能的电源测量包括输出阻抗、输出稳定性、电源抑制比(PSRR)和反向隔离。每一项测量对于验证和优化设计以获得最佳的稳定性和噪声性能都很重要。电源的理想输出阻抗，如开关稳压器或低降(LDO)稳压器，从非常低的频率到电路中存在的最高频率是“平坦的”。

对于数字电路，这个最高频率大约是0.35除以数字信号的典型上升时间。输出阻抗的显著峰或谷是噪声发展的机会，较大的峰可能表明潜在的不稳定。

PSRR可以通过从VNA的端口1向调节器注入信号并观察端口2测量的输出上的频率响应来评估。隔离，当然，只是同样的测量反过来。这两个参数都很重要。负载瞬态将导致稳压器输出电压故障，这将通过反向隔离并出现在源电压上。如果其他监管机构共享这个来源，那么这些故障将通过每个监管机构的PSRR进行处理。显然，理解这些关系对于实现低噪声设计非常重要。不幸的是，电源设计通常是新设计中的最后一个考虑因素，但能够快速和有信息的测量来优化设计通常可以避免灾难。

测量低阻抗

VNA测量反射系数。从端口1产生的入射信号反射回端口1的测量称为单端口测量，s参数称为S11。S11反射系数是一个具有幅值和相位的复数，是被测复阻抗Z的函数:

其中Z0为系统的参考阻抗，一般为50欧姆。

Z可由上式导出:

从示意图上看，测量是这样的图1：

使用VNA对并联阻抗DUT的单端口测量在大约20欧姆到200欧姆之间是相当精确的。其原因见文献1。

需要一种不同的方法来测量电源系统的低阻抗。用分流器中的未知阻抗进行双端口测量，即“分流-通”测量，如图所示图2．

在这种双端口配置中测量的复反射系数S21与DUT的复阻抗Z有关，根据式3:

当然，Z可以从测量的反射系数中得到:

该测量配置适用于0.001欧姆至20欧姆的阻抗测量。方便的是，两端口矢量网络分析仪(如图3所示)可以进行测量，并对方程4进行阻抗转换，从而直接显示阻抗。

应该注意的是，由于测量的阻抗是分流的，值低，测量电缆的屏蔽可能是误差的来源。为了缓解这种情况，应该在DUT和端口2之间附加共模阻塞。例如，一个模型J2102BPicotest用于此目的，并在1 Hz到6 GHz范围内运行良好。

测量

用低等效串联电阻(ESR) 22 uF陶瓷电容器在输出端测量低降阻(LDO)稳压器的输出阻抗，无论是否通电。

蓝色的痕迹图4未通电，显示22 uF电容器的6 dB/八度向下斜率，持续到350 kHz的共振，其中等效串联电感(ESL)接管，曲线转向向上。青色迹线描述外加功率的输出阻抗。一个“好的”响应应该是从最低频率到共振的平坦曲线，然后曲线应该攀升。请注意，此图表以db -欧姆或20*Log(Z)表示欧姆。青色轨迹的起点是-25 db -欧姆或0.056欧姆。对数刻度便于清晰地观察6dB/八度的上升和下降坡度。

接通电源后，35 kHz的峰值表示不稳定，并将导致在整个电路中该频率的系统噪声增加。这是由于低ESR陶瓷输出电容器的选择不当造成的。LDO的数据表明确指出，该电容器的ESR必须大于0.5欧姆。这里是一个测量22 uF电容器单独使用并联测量。

这张图，现在在线性缩放，显示出22 uF电容阻抗的底部达到了0.003欧姆的ESR(见图5)．显然，我们违反了这个LDO电路的设计规则。

用100 uF钽电容取代22 uF陶瓷输出电容，得到了更好和更平坦的结果，如图所示图6．与22 uF的电路相比，这将具有更好的噪声性能。

图7为线性垂直尺度下100uf电容的阻抗。0.140欧姆的ESR是曲线上的最小值。虽然还不到0.5欧姆，但仍然是一种进步。显然，在选择调节器输出滤波时必须小心。

一个理想的供电系统设计应该使用一些电容和ESL值依次较低的电容器，以使阻抗曲线在第二大电容器的ESL上开始上升时回落。管理这种阻抗是很重要的。用计划外的过剩容量来打击它将导致“山谷”，这也将导致更大的系统噪声。

测量

测量探针是进行这些阻抗测量的有用工具

图8显示单端口测量探头的尖端。也有双端口探头与一个单一的尖端进行分流测量。自制探针也可以用简单的材料制成。就是在图9由0.141“半刚性同轴电缆，一个母SMA连接器和一个弹簧销(pogo销)组成。弹簧销用铜带固定在同轴电缆上，然后焊接。像这样的探针在大约1ghz的频率下可能有用。像上面这样的商用探测器的带宽要高得多。

为了精确的阻抗测量，将参考平面移动到探头的末端是很重要的。这可以通过首先在电缆两端执行完全校准，然后使用端口扩展来移动参考平面来实现。

如何使用S5065 VNA去嵌入

S5065 VNA的自动端口扩展功能消除了探针的额外损耗。通过对电缆端进行校准，然后将探头取出，可以获得更好的校准。去嵌入功能是铜山科技S2VNA软件的标准配置)。

去嵌入需要每个探针的全双端口s参数。这些可以使用VNA的矢量混频器校准功能来获得。首先，使用良好的机械校准套件校准电缆的两端。然后创建一个新的校准套件条目，将开放电容和短电感和延迟设置为零并选择它。我把这个工具包命名为“Fake”。工具包条目如下所示图10．

该套件假定短和开放将直接应用到探针尖端，没有延迟，短中没有边缘电容或电感。严格来说，这并不正确，但不会对这些测量的准确性产生很大影响。

导航到矢量混合器校准屏幕，并应用一个开放，短，加载探头尖端，并单击适当的按钮。可以把探针举在高处打开。短可以通过触摸中心并磨到金属表面来完成。负载可以测量一个50欧姆的电阻。点击最后一个按钮保存Touchstone文件，该文件将用于去嵌入。VNA将自动启用去嵌入并将文件应用到所选端口。在端口2上对第二个探针重复此步骤。

此程序通常用于在矢量混合器校准中去嵌入参考混合器，但它也适用于此目的。您可能想知道双端口参数是如何从单端口测量中导出的。

输入反射系数观察到一个2端口网络是终止负载是:

如果假设探针具有互易性，则S12 = S21。一个合理的假设，并且:

现在有三个未知数。应用三个已知的开，短，装，同时做三个测量和一个可以解决S11, S21和S22。

在完成校准和脱埋后，可以在探头尖端进行精确测量。对于图4-7中所做的分流测量，使用一对探针，两个探针都接触到电路的同一节点。

结论

了解如何制作和解释电源阻抗对于优化、低噪声电源设计非常有用。只需一对简单的自制探头，就可以很容易地使用紧凑的VNA进行测量。当您可以直接测量时，不要猜测您的设计是否最佳!

参考文献

1) Brian Walker，“使用VNA进行准确的阻抗测量”，微波和射频2019年7月，第30-36页

2) A.A. Savin, V.G. Guba, O.N. Bykova，“使用矢量网络分析仪测量电子元件阻抗”，UDC 621.317.33