EDA365欢迎您登录！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:14 编辑
% L2 }1 F/ J+ v
, @9 Y" T, Y" t' J8 d5 Z$ K1 h7 ?% b! h1 |
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。
* W( g: }! L- E$ u
1 `+ j3 T+ `1 ~/ V' y. ]2 l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！ 2 ?0 S- n5 m- B! {3 Y5 i
: _1 y" D) g3 ^7 B- S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？ ) o! y' _# }; p. i, @
/ N4 |7 ^3 z8 z4 H5 P; }8 H
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？ 0 m" ?% O4 \$ m& n- S1 [
6 r1 d6 }9 l- T; q! H+ \- ?2 E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。
& J* A; S3 S" \
# u( k _% y! L9 U J, n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。
- l4 `: d3 y- s1 R) Q8 ?1 R8 t& O
0 C7 n) g; H& G( h5 s0 a/ ~1、什么是S参数 1 M& A$ }$ Q0 m) |
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。 9 C1 J3 X: e0 J7 S0 l; [
2 I3 {/ O; W* n0 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。 ; X" e2 M4 j9 j6 @3 g
& W: e) B8 g1 L4 j# j
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！
4 \3 s- h& k5 \0 J8 _/ h7 k/ f0 o7 I. Q# N% ^) ~0 ]
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！ 5 i+ k: i; u K2 F9 r! \" C
6 {1 j8 y& b" c% R2 U( h' x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。 1 R) Y" w' l" q4 {4 C) ?3 H& L2 \
) j* h* H, w+ U; k, o, V7 ^. A5 \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。
; J4 D' U) J# u; i4 V1 C) X2 R% M* H
$ j' M5 A4 L1 l$ p4 {4 z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。 ) L- J. I( n% a8 N0 s1 d2 Q
- p+ A7 V. O! g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。
. v# W) v$ k9 b# g! o" ~6 @
$ Q. W* @: K7 Z& T; s- T( u7 ]% e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？ . q2 d8 S$ Z/ _; ?
4 y% l; K3 _0 p; ` D$ p
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。 0 ~8 U1 c" |2 g4 s i7 E+ e' y
4 ?' z9 b% |+ l2 F. Y) ^5 }# Z; a8 l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。 ' Z0 J4 S( q9 T4 I
7 a; I6 o) ~7 w6 X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。
. `7 d9 O V6 W# ^
7 \0 _' W; i* ]5 Q- G. A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！ 6 I: @) s3 g" v! l
- z/ G. a4 _ N9 O% ?" Y
2、S参数的计算及其物理意义 8 g0 E5 X- X+ t
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？ 4 t$ x+ X/ V; y5 [- W) S
5 i, S/ I& B* g4 Z
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。 8 D! T# J' \1 ^
7 }; ]3 v1 h! R# a% D0 l
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。
4 ~% K+ a4 k [/ B+ ?4 S3 r
% M/ w( T( R$ ?1 W5 D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。
7 K- T$ i: k9 |8 e0 ^- n* J% A3 {2 I9 e( x3 L/ q0 _) V
此时有：
1 v. f$ W& {( V/ ?0 z
* k6 y/ }. W( e9 ?/ h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） ! y0 w4 M, v* k7 L
8 G' _* ~: ]1 E( o% g% ~
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。
; b7 F2 c( N+ w% s7 M8 u8 t3 m
; H4 y# Z: X- L( g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？
+ o: f% h( ^" l& `0 ]# x# J0 a* O& s+ P S" F8 H7 \* e
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~
8 c3 j0 c4 K' i) G/ s3 e7 q+ f& ^8 S3 {8 h- X" ?' M
# C" K0 i* ?0 r# w( s
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。
. D1 D$ X/ P8 t) v* I: B F | 
/1 
发表于 2019-4-30 10:47
收藏
淘帖
支持！
反对！
