EDA365电子论坛网

标题: 这一次,为你揭开 S 参数的秘密(三) [打印本页]

作者: alexwang    时间: 2019-6-14 14:44
标题: 这一次,为你揭开 S 参数的秘密(三)
本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:12 编辑 5 ?; i. ]& J6 f. v* o( t

/ r( S- O$ U0 e! h: d* Z
这一次,为你揭开 S 参数的秘密(三)
EDA365原创 作者:汪洋大海
$ \/ }" r- ?, _4 y$ E# I8 Z# f- x4 z
1 H  v+ Z2 B! C# b: W
关于s参数的秘密,大家还记得前两篇说了什么吗?
1 @7 q8 |! R! s8 J+ L! [1 d
都还给老师了是不是?不记得的点下面进去好好看看!
% b( i1 z% t* l/ [  [# ^
8 N2 r" m7 y+ U& i" c$ Y
这一次,为你揭开 S 参数的秘密(一)
, v4 [- D. j; }1 B  h  O
& G/ D1 f# ~# s2 g$ [
这一次,为你揭开 S 参数的秘密(二)

+ f+ m+ B5 c8 v+ g2 P0 O
揭开s参数的秘密第三期:
7 Q7 m( l2 O. V+ v/ V
1、S参数的应用
3 K9 Z) w* [7 t, Z9 t2 D; w
前面说了那么多,最后终于来到S参数的应用了,我们学习它,就是为了让它为我们服务。
$ e! q& Y/ p- m; O
不知道大家忘了没,我们在第一期,什么是S参数的章节中讲到:
& ~& ~, y0 R5 ~+ r9 q9 n: s; ]+ ^: z; M. a
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!

4 _% u2 L1 }; E% r
# d& j5 o' N6 L- @1 p5 w: I
* E' A3 K- T2 ^
  H, j& K7 j% R; |: l  x/ o; W, Z9 Y6 P
是的,有了S参数,我们将可以很轻易的知道,射频信号在通过网络以后所发生的变化。
* X6 G& Z0 K1 S; o
这里用一个移动终端所用双工器的规格书为例,为大家讲解S参数的实际应用。

3 S& I& d% |7 n. Y- J2 H- I1 b4 J
如图所示,双工器是一个3端口器件。1端口为TX,2端口为RX,3端口接天线ANT。
0 L- L: y4 n, I; t% Z! g0 @6 h
6 w9 Z* r  [  j/ w2 E4 j
1 a; h( X! `) w+ H( a; H4 h( I
发射信号从1端口进入,从3端口输出,而接收信号从3端口进入,从2端口输出。

4 d+ H- p( a5 s, d. U) n! t' X' a
双工器可以同时起到滤波和信号隔离的作用。我们需要关注它的:
7 k( e: P1 r2 P' l4 Q& s3 w$ ~
! y& `4 x; g/ g$ J8 ^
S31: 1端口到3端口的传输,即13通路的插损
S23: 3端口到2端口的传输,即32通路插损
S21: 1端口到2端口的传输,即1端口到2端口的能量泄漏
S31,TX到ANT的插入损耗。可以看到,通带频点的损耗很小,而阻带频点的损耗则很大:

8 N( k( c: K4 ~. {& U* W% E' v0 C* D' j
* e6 O( v. N. o* o( c
S23,ANT到RX的损耗。同样可以看到,通带频点的损耗很小,而阻带频点的损耗则很大:
% L- Q% R8 E  Z- ]5 ^8 R, P! N! g7 e
! u" [: @+ r$ w4 v7 Y' `, _# \+ z1 U# h( ]4 g0 I
7 z! t6 l6 b4 U& ^" g% Q, R2 i' N
S21,TX到RX的能量泄漏,又叫1端口到2端口的隔离度。我们可以看到,在整个频带范围内,能量泄漏都非常小:

' d& P& L( v) \: W) L0 \2 e7 V- s" v; e" ~7 f# ?' M* L4 S  t4 O7 [4 \" U" t3 d
这个三个指标都是传输系数。我们可以看到,在不同的频点下,其S参数的值是不一样的。
; s% i3 ]8 X  f+ e2 a  a
通过S参数的频域扫描,我们可以非常清晰的看到,器件的频率响应。这对于我们比较器件优劣,预期通路增益都可以起到很大的帮助。
' |! w& O, c' O
8 D) V  \2 V3 ~2 s
我们再来看看TX端口的匹配情况,这里分别以VSWR和阻抗圆图为表征。
% A! V9 b: C' z) v  h( H( Z
; \$ B0 P! \0 r" a. u
我们看到,通带内的VSWR非常接近1,这说明阻抗匹配良好,反射很小。
1 R8 H/ _: ?3 B& A3 w. `+ i- |3 |5 }
: y% u9 d- M7 ]# K; M. M) ]' i7 _8 [4 A3 U, {2 r' Q$ m
从阻抗圆图,我们也可以看出,通带频点非常靠近圆图中心,即端口阻抗在通带内是接近50欧姆特性阻抗的。
/ X% _/ f8 |- N( b6 a, u8 z& j
% k" c* }: u. l2 f! M' q" P" X- g- t$ E- Z
以上的双工器是一个无源网络,下面让我们再看看有源电路。
: N, S! n) k+ }" h+ C
下面以一个低噪声放大器,LNA为例做一个简单介绍。

1 ~* e0 g6 B  V6 Z" o% l
' P$ T. p1 E- V2 E
我们可以看到,这里直接用S21来表征放大器的增益,而用S12来表征放大器的反向隔离度。
. `! I. @' w! k0 M5 B- i5 _: J& l
5 }: P: u3 d, R
这里分享一个小知识点:
7 q# F3 }/ M# Z! ]- G, j
: }8 g5 W+ d, a* ~0 {9 j6 N& ~- J! ]% j) N& C8 m: \3 D: Y/ I+ L5 g+ ^/ X
如前图所示,厂商用|S21|^2 来表示增益,而大多数厂商是直接用|S21|来表示增益的。

) Q3 r: L; e/ s- [* B
为什么两者会有不同呢?

) k4 G' A" |  v1 Z% l! C" ~
其实这也涉及的我们前两讲说过的内容,即S参数有多种表现形式,S21用幅度相位的形式表达则为传输系数T, 而用dB表达则为10*lg|S21|^2 = 20* lg|S21|。所以才会有|S21|^2和|S21| 两种不同的表达方式。
9 y& \5 y% d2 i, K3 b
) u, L3 G- ^0 e, H- ?/ ?, f) a
至于对反向隔离度用1/|S12|^2 来表示则是因为实际对|S12|^2取lg为-23dB,取倒数后才得到后面的23dB的数值。
8 |4 K3 j! p# C/ t
6 N: }+ R4 t* c- t2 N, f
通过对双工器以及LNA的S参数的解析,不知小伙伴们是否对S参数的应用有了一点初步的概念呢?
3 r8 T" x- S7 Y5 R6 u  L" Y
如果还是没明白,也没关系,后续的公众号内容将会有大量涉及S参数应用的内容,敬请期待。
/ N8 {  d" \$ R: n1 O2 Z$ g
! }  B/ @( R: e) O$ ?) j
2、SNP文件的应用
# E' b% S9 U( c$ b: p, A
当前的射频电路设计中,计算机辅助仿真设计被大量采用。对于已知S参数的射频网络,我们通常会直接调用其S参数进行仿真计算。
我们在上文中提到的S参数都是图形化界面,无法直接用于仿真计算,有没有一种文件格式可以直接被仿真软件所调用呢?
6 b1 k+ \; k: P0 W- u1 V
: _1 d* A( O. B- V$ R% Z4 _
为了解决这个问题,安捷伦(现在叫是德)提出了一种Touchstone文件格式,用于规范描述射频网络在给定频域内S参数,因为它是数字化的表现形式,所以可以被仿真软件直接调用。因为此文件的后缀名都是SNP(N代表端口数),所以大家都习惯称之为SNP文件。
, T8 I+ f5 W3 V1 R/ b+ X, j. C
6 B) r1 M9 [4 }' s! y9 u0 C/ T
如今,SNP文件已经成为各大仿真软件的通用文件格式了。
( S/ Y7 ]( u$ o* n' Z
, E0 @* l' W# i: _2 [" B  `
* f0 d7 p& Z+ U+ O

: M0 L' N8 Q; C* Z7 n
SNP 文件可以用来描述S参数,Y参数,Z参数,还有噪声系数指标。

! X& `) T8 n. ?
下面例举出几个SNP文件的实际格式。
/ J3 o1 e/ x3 A
4 ]. s1 G* C$ b
这是一个以幅度相位的形式表征的单端口网络:
7 s; n- }2 r( }" \4 e: L6 A, w3 r- c( d8 I7 I8 ~

5 p2 ]" u  W" L& m7 n( C
这是一个双端口Z参数文件,以复数的形式来表征:
! G! Z% `, w% O' a& E- u" r, A& i7 P1 l( T/ m9 e" P; X% E6 \6 H; J
: D, i; Z2 B, [: N# H0 |8 T
$ `" B8 I: S! e& S+ K  p% {8 {/ `8 @
这是一个噪声系数文件,包含有5个信息点。注意,噪声系数文件不能独立存在,必须跟在S,Z,Y,H参数的后面。
8 V( u+ `/ ?4 I, `
$ n2 n! f2 Q" F0 K
, C6 O* c( h6 v, l2 y
好了,关于SNP文件的介绍到这就结束了。
9 `# I9 }7 i, ?/ ?. B# [, g' O. F& j+ @5 c" v( S% b- s. k" \% b/ ^2 {
我们对于整个S参数的系列介绍,也到此告一段落啦。

) i) _* t  z. u( P
小伙伴们如果还有不清楚的内容,欢迎到论坛发帖询问!我们下期再见!
# V6 y9 \+ n% f% j# K
9 {0 F7 \  V; D  C3 f+ C! S
/ l5 l6 c  X- f! [8 o0 ^7 ^9 j: v$ s0 Q, m
8 ^, O! \* U) x/ G' n- I6 i9 t9 _
2 d+ W5 B8 E+ M7 u
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

, Y- B, C' n4 R& Y2 f4 D9 V( @
注:本文为EDA365电子论坛原创文章,未经允许,不得转载。

+ e& P. z( i7 Y7 w" |2 _
作者: wiwiwisju    时间: 2020-4-28 15:20
说的很清楚,打通了我的任督二脉。
作者: 2682439952    时间: 2020-5-12 08:13
很详细,好好学习天天向上
作者: 3threethree    时间: 2020-6-2 23:53
不错
作者: 碧落陨上    时间: 2020-6-28 18:20
有点看不懂




欢迎光临 EDA365电子论坛网 (https://bbs.eda365.com/) Powered by Discuz! X3.2