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本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:17 编辑 # c t" q, C; [: g* e3 p" ~
. I$ N! l/ q$ L* j% r. }" R4 B2 w
+ ?3 F. V$ `+ _0 ~
在上一期的内容中，我们和大家一期复习了一遍S参数的定义，及其现实的物理意义，不知道大家都理解了没？ 5 \" ~4 h% J% r. A1 }; O I$ o: q8 c, q8 }" Z$ G+ t0 s% G
0 @0 J0 f0 B1 I8 Q7 O! b1 ]# W$ J% V: }+ |( U6 v3 R* g
这一期将承接上期的内容，和大家一起掰扯掰扯，S参数与它的兄弟参数之间的转换！ % L% _' h4 i+ l& C" q* M
! g4 d2 T$ X5 O& k2 T3 f( S
3 J; X& f# W) v8 ~6 x4 e4 c# ~' i1 l3 k1 w. r
很多小伙伴在日常工作中，常常会用到射频网络分析仪，来测试S参数。 + O4 R4 T* K ~6 T" q8 g
) b& d5 F! H) t 通过S11这个反射参数可以分析和判断，端口阻抗是否已经达到或者接近匹配。 5 _( J$ g% U+ H5 h! S, S
" m. I7 F: w; n$ J% a( ~ 那么如何判断端口已经达到匹配要求呢？ 3 C6 X- @: T# k: b9 e; v% A( ] s4 X" i: v) a9 U1 J8 Q
很简单的方法，当给端口一个入射波时，如果在端口完全没有检测的反射波，则可以认为这个端口已经匹配。 & V0 c, {) a, O9 X4 |- m, ?5 @3 V$ a8 S. D# x! `
3 y" J. z" l& a& J, G+ t8 j2 m* K, k% h. @5 _
上图是一个无耗双端口网络的信号传输示意图。我们可以看到，从1端口输入的能量，全部在2端口输出，完全没有反射能量，则我们认为1端口已匹配。 在上一期中，我们介绍过return loss回波损耗的概念。在工作中使用回波损耗分析判断端口的反射情况是非常方便的，回波损耗越小，说明反射能量越小，端口的阻抗匹配度就越高。 ( s0 X5 ]0 t. d# ] e4 b
下图是一个从1GHz到10GHz回波损耗数据图，其值在-25dB以下的： 5 N0 i/ v1 _1 u2 C8 }" B+ v
" Y. ~ T3 V3 i9 i5 o. B2 X3 G) X$ x& p: M+ d2 ~0 Y
我们可以看到，回波损耗的数值以log 对数的形式来表达，数值向下无限小，对初学者来说，判断数值是否足够好并不容易，虽然通常我们认为-25dB以下的回损已经算是一个不错的数据。 + i0 ]6 o7 T1 `2 r% }
) Y' V* B' G8 y! B 有没有一种更直观的数据让我们知道最佳数值在哪里？ 7 X- P: m0 G: n8 p C- m9 m2 h9 c1 h
0 i; ]! V( c, R 我们离最佳数值的差距还有多远？ # D) I4 ? q0 ?: R J& K( F+ R& f3 ?8 o; ~+ `
% |6 t5 f5 x+ E$ n# W! Y3 x' L, v% ]3 A5 L; M" I3 i" {
有的，VSWR 就可以做到这一点。VSWR中文全称 电压驻波比。让我们代入S参数做一个简单的计算：
. J; K" c; q: u( `/ D+ R# v( P6 J* s. G: T* V6 N
当S11无限接近0时，VSWR将无限接近1！
/ ]( x0 h, P& p! J6 B! L
将上面两张图的S11转为VSWR数据后，我们发现，两个数据都非常接近极限值1。
5 L# t \1 R; @! S3 T% @
) p% p4 {1 q1 [7 A9 U. K2 \5 i下面列出常用的VSWR 与 回波损耗 以及传输效率的数据转换表格，供大家参考。牢记红色部分关键值，会对你的射频工作很有帮助。 ! O7 b# v% y( P4 f) X$ y# {' ?0 d8 c9 S; j
* Y, x; H5 F" K; P' A6 H, R2、Z参数矩阵和Y参数矩阵 2 D( y% r: p6 P4 ^ U+ ^
对于非微波射频专业的小伙伴，这两个参数应该是非常陌生的。 ; r _+ o. x" }7 Z# q8 {: L0 g
我们这里仅做简单的概念描述，复杂的公式计算就不多做介绍了。 . o$ }" C' E4 m2 `0 L/ s1 Y. a- v# @# Z4 b
- r$ Q; L! u0 |) p* N% t6 \4 ~( U5 E, M7 H1 ]6 ?
Z参量我们称之为阻抗，Y参量我们称之为导纳，两者之间有简单的对应关系：
1 q5 H! v7 d/ T
) p& c# O/ K4 V从上式可知，两者之间为互逆关系（就是互为倒数）。 # n9 ]3 d4 h! k9 T' O' O
两者和S参数一样，也有用于描述一个完整网络的参数矩阵。
& j( U; P" o1 l' m9 _- {9 \2 I( M' P# k6 G( O3 s& g9 \! w) `% K! w- l. v# ]0 T/ @
这两个参数矩阵都是可以和S参数进行矩阵转换的，也就是说，得到其中一个参数矩阵的值，就可以求出其他参数矩阵。
% E, O( W+ M9 ^9 \# l: p& P9 F
其中，我们将脚标数字相同的参数如Z11,Y11称为端口输入阻抗或输入导纳，其他脚标数字不同的都称之为端口转移阻抗。 2 z& h5 s9 t; h; U9 ^% \3 x( D( L
( Z/ Z. o1 x2 t. a5 k
% v8 @, B& v- ^. _7 Z' ]- l! x% q+ S完整的计算公式过于复杂，日常工作中也用不到。我们这里只把Z11单独挑出来，给大家做一个简单的描述。 ' \( X9 t' G `3 E' V: J; ?
/ N% B! {& F: ~$ Y" y2 o2 { V* F3 s: u* A# U u+ g
还是以双端口网络为例：
O$ l7 [4 M7 }$ Z3 a% V
7 W/ c1 a+ v# r% ^6 ]2 C+ K端口1的输入阻抗为Z11，端口2的输入阻抗为Z22，而整个网络所在的归一化特性阻抗为Z0。 ) l, A! Q8 o: S" w, N1 s
则有： , Z9 ~1 M( t( L; i4 L: g9 R2 } b9 _9 X. y
- G5 z9 r6 e$ a% O# [( \所以S11和Z11, S22和Z22有一一对应关系。 + u3 K6 U8 A& B, `3 G$ O
+ o5 g* [/ C9 i1 k9 b 也就是说我们可以通过测试S11而直接计算出端口的输入阻抗，并在Smith圆图中标记出来：
0 O* ~+ c) z$ A( q& _6 u3、S参数和相位Phase 5 ]& k( t: ]% ?+ O+ d g0 S- ~: V+ G3 \/ F5 Z0 }
学过微波射频基础知识的同学们都知道，一个射频信号通常需要3个特征指标才能将它描述出来，他们分别是幅度，频率，相位。 " X0 F" m+ `/ U8 D1 ]; [
这个三个指标对应了一个射频信号的强度，工作频率，以及初始位置。 - o2 k$ N% d2 t
! q: d5 b) s1 `; Q2 n5 p% Y$ ~7 H( D
之前在上一期的内容中，有S21和传输系数的关系。 ' O, o" M. v: u8 q
( a. j8 j: ]% q* J ]0 y1 u/ u9 x# Z( j5 W' F
公式中的φ即为射频信号在通过射频网络后的相位变化。
. w5 y: W' c, n) h! a; q
下图是一个低通滤波器的相位延迟图。我们可以看到：不同频点的信号，在通过滤波器后，其相位延迟是不一样。 * g7 I! s7 n0 P8 ]
7 _3 T ^3 H2 ]! H) U, k) Y D5 Q
" p, x7 p8 u4 [2 h8 k: c绿色框标出的部分显示，滤波器在8~9GHz的频带内有一个很明显的相位变化不连续现象存在，这是因为，滤波器在这个频带内，S21变化剧烈，从而造成了相位不连续。 4 |, o7 W! D7 Y" k6 o' Z- ?: X& R" z! G- ]. f
下图是此低通滤波器的S21曲线图。通常来说，滤波器通带边缘都容易引起这种相位不连续的现象，特别是边缘陡峭的滤波器。 ! o& ]* `- t) O( K1 @ g
9 N E8 G ~6 ~+ v2 \/ `3 J8 b7 s2 ^* O) `9 A+ ~* w$ ]
当一个宽带射频信号通过一个射频网络后，由于线性度影响，其每个频点相位变化率是不一样的，将相位变化率做一个集合，我们称之为群延迟，其基本概念及其物理意义，我们将在以后的内容中进行解答。
0 j8 K& V g) E1 k1 [
+ E- L4 k) j1 U# i c6 V# }9 h0 _" v
* }8 z- }) h. f# x( o* f6 r& q+ T好了，这期内容到此结束，下期，我们将重点讲讲S参数的应用。
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' q% p, g6 U" u7 w0 q9 ^; K( Y2 O# d* [7 \) V# Q" u6 R! F5 ^* v! W2 U4 a+ R
Y: e: @! N; u9 I0 _& G7 O9 y2 ?- {; |8 R6 u$ p9 }2 d
插画绘制丨弯弯 " x) W- t7 |/ M8 i) V6 ~3 d8 Z! s3 V! x
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发表于 2019-6-14 14:39
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