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这一次,为你揭开 S 参数的秘密(一)

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  • TA的每日心情
    开心
    2023-5-19 15:05
  • 签到天数: 339 天

    [LV.8]以坛为家I

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    1#
    发表于 2019-4-30 10:47 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x
    本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:14 编辑 9 {2 C/ U( ?" ?* H7 W' h$ M9 i6 a

    " ~/ ]/ N5 d% |5 D0 j
    这一次,为你揭开 S 参数的秘密(一)
    EDA365原创 作者:汪洋大海

    * E) b% s. E# z' @* M( D
    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。

    " `: |; _' K4 m4 y6 C- e
    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!

    ; ^; W4 p+ {0 a$ g$ d- l: e; j, ?, x
    ! 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
    , ]  C7 S" a9 c: X. y
    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?

    # m& J9 @3 L. b* m6 M" F; M, o8 U" o+ o/ I5 v5 T; a
    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。

    * |" @6 B/ {6 c" z& G: d1 \# V' v1 j7 |; g
    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。

    & \8 {% e7 F' Z* G- L1 B" O; t+ K0 X2 I. I, X# I
    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。

    $ ?+ \$ p: Z' O4 o0 _( a9 }- Z7 z( o4 x' z) f/ \8 _
    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!

    % ^3 p: I7 t' m! ^9 f9 |9 X' ~+ a0 C5 |+ ^6 j* ?! V9 l$ t
    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。

    : b* m3 n5 ^7 V  k- R& X2 A) b8 B/ n0 x: v
    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。

    / o" j) R7 q: t9 v# p' H' K6 [7 }6 }( B8 y' b4 D9 G' T0 n
    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
    5 c3 ?) p2 @! Q% o
    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
    % o2 B! L; o% e
    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。

    3 Y9 [. E' i+ t* _5 b& s7 }, Q" V8 n* }$ n- z
    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
    , I6 [/ @' u, v9 H7 |3 _9 j
    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  E
    2、S参数的计算及其物理意义

    $ |* T! z' P0 H% `. @* h9 k; P
    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
    $ C8 [8 S. c; q6 \% ^8 @% k5 _
    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
    % N* Q" i' l6 F/ C9 ?# k1 y
    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
    / u" ?0 G  e- b3 X% q, O6 }& }
    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。

    . i( |1 C: S. Z' c. @/ E* ^) y- f6 N3 F) T0 `5 ]
    此时有:

    9 G+ z4 H1 b' u8 f- Y; p* h  Y' h& K: @! e+ N
    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
    5 h/ k. Y; ]4 s- G$ I: d+ u
    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?

    3 D, F6 @9 m  g6 E5 M2 r  i: c
    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~

    5 Y) F# A3 q) W: }, e8 B
    6 \* P& T5 J% j  J  w2 Y! `0 W7 b) ?1 [, S7 Y9 l3 @! [
    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。

    9 J0 [1 [# T% m0 P8 l5 M

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    该用户从未签到

    推荐
    发表于 2020-5-11 20:43 | 只看该作者
    一个图错了,s22写成了s21

    “来自电巢APP”

    该用户从未签到

    2#
    发表于 2019-5-6 18:21 | 只看该作者
    很形象。多谢分享。
  • TA的每日心情
    奋斗
    2022-4-18 15:05
  • 签到天数: 25 天

    [LV.4]偶尔看看III

    5#
    发表于 2019-10-28 14:57 | 只看该作者
    这么形象还看不懂,那要楼主怎么说呢!太优秀了。

    该用户从未签到

    6#
    发表于 2020-5-11 10:34 | 只看该作者

    该用户从未签到

    7#
    发表于 2020-5-11 14:37 | 只看该作者
    写得很棒,就是看不懂

    “来自电巢APP”

    该用户从未签到

    8#
    发表于 2020-5-11 15:45 | 只看该作者
    优秀优秀

    “来自电巢APP”

  • TA的每日心情

    2020-1-3 15:00
  • 签到天数: 21 天

    [LV.4]偶尔看看III

    10#
    发表于 2020-5-12 08:11 | 只看该作者
    学习学习

    “来自电巢APP”

    该用户从未签到

    11#
    发表于 2020-5-17 08:48 | 只看该作者
    非常形象

    “来自电巢APP”

  • TA的每日心情
    开心
    2020-12-28 15:49
  • 签到天数: 106 天

    [LV.6]常住居民II

    12#
    发表于 2020-6-1 15:18 | 只看该作者
    学习学习了

    “来自电巢APP”

    该用户从未签到

    13#
    发表于 2020-6-2 00:37 | 只看该作者
    讲的很好,必须点赞

    “来自电巢APP”

    该用户从未签到

    14#
    发表于 2020-6-28 18:47 | 只看该作者
    说的太好了

    该用户从未签到

    15#
    发表于 2020-9-3 20:22 | 只看该作者
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