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本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:17 编辑
6 C/ [5 q- Z2 F
( P/ j$ ^) E7 P) P }; o" q+ ?* i2 K8 S8 \; J9 ?: z
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* |0 [' T7 @4 D
9 f, H+ x8 z! }7 |8 T q8 K& L3 I/ V' {2 N# w+ X6 D1 e/ t) y b
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！
" A5 ^2 k8 v C1 G1 }7 q, V; g
# a& q. g: j) F: H3 J; X& f# W) v
5 ~7 T. b$ W1 A! g) C( O4 @ b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 g7 F h( a+ S+ D5 V5 y
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( a0 V5 h& ]3 \6 x
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( ]* N! D( D+ a8 }! z- A
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 X
+ V. P% w; L/ d9 u- u3 y" J. z" l& a& J
3 H! ?5 @5 @7 q" J1 X4 w& u4 F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。 1 h3 J0 S. L% v2 ?+ L' |& S% `
下图是一个从1GHz到10GHz回波损耗数据图，其值在-25dB以下的： 2 }3 M7 T( y8 C0 K1 H
" Y. ~ T3 V3 i9 i5 o. B2 X3 G
5 \2 \1 X7 n( r$ d1 R- q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% }
o- {+ r: j ?. _ 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 h7 Z7 M' v' K1 X
我们离最佳数值的差距还有多远？ # D) I4 ? q0 ?: R J& K( F- ~9 m( U4 d+ s) D1 T4 k! E3 b4 Y
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3 D- ^' V. T* q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： $ z8 L) b+ H8 i7 n, h ]
( `/ D+ R# v( P6 J
6 y+ {' l# w% Y5 [8 ^当S11无限接近0时，VSWR将无限接近1！
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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。
! k; }+ b+ A' @3 P6 L' H
9 p% o1 u1 [6 ~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/ n8 U# I- N' ^4 z* `! b5 p( g
* y3 R; [8 m" l. O) ~7 e5 c" E
2、Z参数矩阵和Y参数矩阵 {! g2 D8 E% Y$ I% }3 s/ v
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。
, z' r6 a' A. r; ^3 \0 h% J4 X# Q# d
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! u6 @+ z2 S3 m: r+ z W; o( d* r p
- r$ Q; L! u0 |) p" U, d; J7 B7 Q2 t' d
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： / D# D) ?( Q, r6 v; X8 ~ q
: C- F4 F/ H: L% D; j4 k+ _从上式可知，两者之间为互逆关系（就是互为倒数）。 4 b: ` _) S9 D6 U% N
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。
1 i* R7 J" w" k$ A, L' q& s$ P: g2 I( M' P# k6 G( O3 s& g9 \
8 B3 H5 R9 x+ @" n; F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。
; r4 |4 F2 s8 d
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
2 n, n2 ?6 C1 M1 i& a0 _( Z/ Z. o1 x2 t. a5 k& u$ D/ z- D& h V
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。 * u& g; O3 |& s
/ N% B! {& F: ~$ Y" y2 o2 {
" V* n5 W' G7 {& |还是以双端口网络为例：
s8 q; w, u# @+ |% [; [5 O( k1 ~- m2 ^
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。 / \& Y% X" C" Z5 j
则有： x: h X# X2 D* y) H; B) T
& {: x+ a. |+ P4 A$ b所以S11和Z11, S22和Z22有一一对应关系。 + u3 K6 U8 A& B, `3 G$ O' F: q* P# A* u% u
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：
3 O8 T# N4 b0 K2 c! w3、S参数和相位Phase 5 ]& k( t: ]% ?+ O+ d g0 S1 n: q* N3 U( Q" a0 D! F) {; O
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。
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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。
" \2 y8 D% |+ M2 n! q: d5 b) s1 `; Q
+ d! |) R3 R# `) S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 q4 w8 G' C7 e/ G) ^
f B: b( M% S( n公式中的φ即为射频信号在通过射频网络后的相位变化。
s) O5 f L5 O7 G6 H E5 p
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 ]
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7 k! u; i* T* t& g5 ~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
* l9 t7 I: k- y- h! v( y 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
" G f+ [5 ]: \0 {: d* A! k$ u. v! m
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。 : O- r# w3 [0 w) V0 f( q" O! q
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; J' w# F# c* y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。 5 }9 d& m3 ~; v, h
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2 k& A( g, t, w" G: S- [9 I) c: Y# I) _' Q6 Q% V
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插画绘制丨弯弯
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注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载。
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发表于 2019-6-14 14:39
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