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
! R; ^+ b4 c7 Q& S9 J8 u* O: V" H! Z R2 O0 K
1 [+ U x4 Q( R' `
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。
6 K% c) M8 Y) e+ m+ h' i" M
8 ]( E; a& p, N8 d1 j; }, 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！
3 W* G, L6 z% A
2 H' t! i f: n" R5 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？ 9 f- X7 M# g. k- t& x N' V' l
6 Y% X0 w* w7 F6 ~1 u% W" t0 u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？ # G k+ C4 L$ {6 W6 V# r
3 o$ i1 N# }0 D0 q( O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。
: F8 h( |+ a- N/ ?
* t) P+ q( F+ h8 K# {: V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。 , h2 I1 H2 a# u5 m4 `2 _: a
}; a3 r& r( i. f2 \% O, Z1、什么是S参数 " _# R3 r# t# I$ J; ]
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。
* c8 P) \( Z) R) C
( L& U6 h& ]# b+ i' \& }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。 / f- d0 n, x( ]6 K# l: W) t& a
& E* }# U8 |2 v+ g4 y6 U) B( B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！
, `% K$ Y3 Q7 E0 g) b! z- J& d0 Z) `
2 ?1 y) n) ]+ Z' i! RS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！
, S! Y4 E1 u1 o: `+ j9 {$ P* y, X6 @' B4 C
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。 , x; i$ }& @; U
! T" x: J& R( n; ~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。 , [! g. {$ y+ d1 ]
$ f* z* b' ^: O' [ b7 n3 U* E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。
. j' o" {3 l4 k: |7 l" G o) I$ x+ u/ b/ x
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。
& S5 W/ a f1 S O8 b) B3 W; J- j+ |, D Q5 X7 s
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？
6 e# M8 s7 j! f$ d5 y- ^
8 p' F* F$ Z7 B$ @0 b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。
- V% O3 Y. Y8 `" B
9 i1 B4 D* ?$ @2 Q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。
, s* l$ u% _! x$ A/ u1 A1 e
: O! q$ p( K6 J& c9 T# ~% B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。 3 o( ~, L! W( @# n1 v' r9 ^
% B6 C. ]& q# m1 I7 u' 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！
& f' h8 p) I) g; b7 I( X/ [
6 a8 B7 L+ E) b0 e2、S参数的计算及其物理意义
, v! @" r2 u1 f* A: s W) \
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？ % P2 r$ u, N& w U& x) B, `+ S2 R
$ U2 M% k7 |, O) e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。
, H; \; V1 \* X# T# c( P/ y: i% K k* ^! }; q/ t: y5 k% ~
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。
# d8 I) n! e! _' t; o1 s5 p0 a) n' B
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。 9 ~; Z. e {* @; J3 K) Q! k
' O! P6 _8 [) o
此时有： 4 x# S+ E0 b ]2 v
( a% e: X- V. ^. g
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） 8 w+ I. c6 o* k
) v" F/ k' }6 Q- k
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。 7 J, O" v# I4 f. M2 N6 @
0 x I, @! s4 @7 S! w' }4 y" R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# |' r$ {+ H+ t0 \. Q& v) [( j! V! Y' I3 f$ @
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~
- D+ X$ z1 g- h7 t/ j/ Z
; c0 O& v: O: S! }6 o
# g- m+ b. S i9 S h' V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。
; _, a+ c) j- M1 [, x1 @& y | 
/1 
发表于 2019-4-30 10:47
收藏
淘帖
支持！
反对！
