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本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:14 编辑 9 {2 C/ U( ?" ?* H7 W' h$ M9 i6 a
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作为一个电子工程师,他每天的日常工作,毫无例外的需要与电压,电流,电阻,电容,电感…这些电路参数打交道。
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3 z" ?( y' h0 I7 I而作为一个射频工程师, 他每天除了需要面对电子工程师同样的电路参数,他还需要面对一个非常关键的射频参数-----S参数!
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! R- c+ Z: C8 A) _说起S参数,我估计很多射频新手会一脸懵,什么S11,S22,S21, 一会说是反射,一会说是插损,一会说是增益,同一个指标怎么会有那么多不同的理解? # ]' Q9 v( d" r( e. Q. o: k
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然后它的单位还有一大堆,有用dB表示的,有用角度表示的,最后居然还有用复数表示的,什么鬼?
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其实,S参数没那么复杂,只要理解了它的基本概念,熟悉了它的转换方法,你就会发现,S参数是你在射频研发道路上最可靠的伙伴。
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你将通过S参数,洞悉各种射频网络的秘密。 这一次,让我们一起揭开S参数的秘密。
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1、什么是S参数 ; E" C6 g: ^ P/ _/ _
在解释S参数之前,我们必须了解另一个基本概念---射频网络。 那么,什么是射频网络? 简单来说,所有可供信号输入输出的射频器件、传输线,甚至是一个射频器件组合体,都可以称之为射频网络。 , n* u9 g% m; m( ]% k2 P+ r
# p2 \- B& V/ O就好像用电阻,电容,电感描述集总参数器件的特性一样,射频网络也需要一个合适的参数来描述它的性能! 传统低频网络通常用电压电流来分析其时域上的性能。
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而对于射频网络来说,仅仅分析端口上的电压电流不足以全面反映其性能,也非常的不直观。 这种情况下,S参数横空出世!
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S参数是用于描述射频网络频域性能的直接表现。它直接描述了某个频率下射频信号,在射频网络内,端口到端口的传输过程中所发生的电性能的变化! , c7 E6 b7 b/ B
3 z3 X- S9 ?' ?# v- A+ d7 S简单来说,一个射频信号通过射频网络后,它有可能被衰减了,有可能被放大了,有可能相位变化了,甚至有可能消失了,这些情况都可以通过S参数来进行衡量和描述! 下面让我们用最简单的双端口网络来为大家讲解,S参数真正的意义。
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射频信号在通过一个双端口网络时,有以下几种情况: 第一,匹配良好,能量从1端口进入,全部从2端口输出。
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第二,匹配不好,能量从1端口进入,部分从2端口输出,部分反射回1端口。 6 [9 C6 g9 ?; o7 H. G0 ~8 c
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第三,完全失配,能量从1端口进入,没有能量从2端口输出,全部反射回1端口。 8 U# V5 w' T# k9 K! H
2 [; N6 `; N; g L% }9 E/ Z而不同频率的射频信号,在通过射频网络时,其传输表现又是不一样的。 因为同一个射频网络在面对不同频率信号时,其频率响应是不一样的。 举个例子,问电容和电感在直流和高频电流下的电性能有什么不同? 8 Z% Z8 ?( i) b( g4 k9 q
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上图虽然是个特例,但是对于我们理解射频网络的频率响应很有帮助。 射频网络的频率响应指的是,网络在某个特定频率下的电性能。 而为了描述射频网络端口之间在不同频率下,输入输出的复杂关系,S参数的定义和应用,应运而生了。 S参数,其中“S”意指“Scatter”,中文解释就是散射参量。S参数描述了一个射频网络的频域特性。 4 @: a3 ^$ w( N, E
1 y$ C1 E' Q% a1 q5 l4 C7 I7 @我们假定在某一特定频率F下,一个射频信号S从端口1进入射频网络。 信号在穿过射频网络后,到达了端口2,由于匹配的关系,端口2仅允许S信号的一小部分通过端口,而另一部分未获得允许的S信号只能打道回府,掉头返回1端口。 则在信号S进入网络后,我们可以得到两个射频信号,其中一个为1端口到2端口的传输信号,我们用S21描述;另一个为从1端口到1端口的反射信号,我们用S11来描述。
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为什么1端口到2端口的传输信号用S21描述,而不是用S12描述? 这和我们后面要了解的S矩阵有关,这里2代表是端口2,而1代表信号源自1端口。 Sij 就定义为描述从在i端口输出,在j端口输入的射频参数的比值。 这里需要加上一条,我们在定义Sij时,默认网络中,除了j端口以外的其他端口处于完全匹配状态(无反射),并且无能量进入。 在本文中,为了降低复杂度,我们只描述双端口网络。 " z& i7 F- s+ s: r
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有了对Sij的描述,我们可以很清晰的定义,S21为从1端口进入,2端口输出的射频参数;S11定义为从1端口进入,又反射回1端口的射频参数(2端口匹配);S12为从2端口进入,1端口输出的射频参数;S22定义为从2端口进入,又反射回2端口的射频参数(1端口匹配)。 由此,我们就组成了一个双端口网络的S参数矩阵! 2 V- K: C4 v! G) D
! \# K. M! T+ L3 h8 c1 M E2、S参数的计算及其物理意义
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在前面,我们已经了解了,什么是S参数,那么接下来,我们需要了解其计算方式及其真实的物理意义。 作为一个射频参数,我们必须用一个可以量化的数值来对S参数进行定义。 那么,这个数值是如何计算的呢? + G) l8 D9 K$ _" c0 M
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以双端口网络为例,S参数可以根据两端口的入射波电压和反射波电压来计算。 ' y1 {/ s, z `9 |; t: U5 h
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直接理解可能有点困难,所以下面我们用输入输出电压之间的关系来理解S参数的计算。 用和U1+和U2+分别表示端口1和端口2的输入电压,用和U1-和U2-分别表示端口1和端口2的输出电压。 ' l3 g4 Y8 v+ K) O6 u" R' B$ K: i
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当U2+=0时(端口2无能量进入),则U1-完全来自于1端口自身能量的反射,U2-完全则来自于1端口的能量传输。
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此时有:
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由此可见S参数与反射系数及传输系数之间的关系。(不明白反射系数和传输系数的同学,请继续关注我们的公众号) 9 c4 E% `" S4 D1 q: Y7 V: c) h
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同理,当1端口输入为0且端口完全匹配的情况下,我们可以得到: S22就是2端口的反射系数, S12是从2端口到1端口的传输系数。 对反射系数取log就是return loss,对传输系数取log则是通路插损insert loss或者增益 gain。 所以,对于S11,我们有: return loss =-20lg | Γ| = -20lg S11 而对于S21,我们有两种情况: 当T>0时, 我们通常有Gain = 20 lg T 而当T<0时, 我们习惯:insert loss =- 20 lg T 注意,通常我们在表达损耗的时候,会在数值前面加一个“ - ”号。 S参数的物理意义就在于可以很轻易的计算得到通路return loss,insert loss,gain。 8 M$ `; K0 [: n6 ~2 c, m2 F+ |4 U( s9 s
9 U( S6 ^7 a" ~" A j好了,关于S参数的基本概念及其物理意义到这就算是说完了。 不知道各位同学都看明白了没?
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6 ?. y! \ }% R5 ?/ }3 G+ Y6 ~下一期我们将为你讲述,S参数与VSWR,阻抗Z,导纳Y以及相位phase之间的关系,敬请期待吧~
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出品丨EDA365 原创作者丨汪洋大海 排版编辑丨阿迟 插画绘制丨弯弯 注:本文为EDA365电子论坛原创文章,未经允许,不得转载。
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