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本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:14 编辑
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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。 M% E8 k, Q9 ^5 N
( l/ Q5 `+ d! j: g R0 T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！
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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？
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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？ . U6 ?) I! @: @& \# v# k
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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。 ( a! X! C; l% v/ h
4 w) Q. N* ~; W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。
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- q8 [6 y1 v0 Z" T0 k, j4 O1、什么是S参数
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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。
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/ X* [7 c7 p6 n2 V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。 2 B& m! C: Q/ Y \" C
( A" t! N0 F; t& e7 S6 G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！ ! e: @. y; N, H+ j* ~; T3 H
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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！
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3 c2 A- X8 V0 L0 l& h$ 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。 & t. i& X0 B% G2 G8 s
8 G. G* r7 ?' h% ?4 \5 z- C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。 0 m( W) O; _/ y$ [0 `& c" p2 f
N% y- n/ _; r/ p% M f& O, K1 |# V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。 5 A+ y: c+ W7 P! f) J
$ M$ @( C( ]2 t( q2 W5 h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。 ; t, N4 X6 G. H2 p
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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？ ) m8 ~1 E& Z6 \6 B, n8 U
, e/ p/ X) i& o' E# @! n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。 7 V* _: ]6 \- f2 C1 r
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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。
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# O& f$ b" H2 k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。 - D& {' B/ S. Q% C
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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！
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' }* ], D% b1 Y( g- q( M1 N2、S参数的计算及其物理意义 ! N$ l$ R2 w( U K" ]3 A7 g
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？ . |. ^- M2 _+ L6 m
. X) q+ s3 _1 U! r2 j, X9 r* ~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。 5 p9 v& k2 d- R$ a/ W
/ z# r! ]" X! k# p- Z/ Q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。
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+ v. C; N- {, s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。 / {! P. i0 W# @+ U. {7 J8 t: S
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此时有：
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* G+ {6 o4 D7 I7 @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）
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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。
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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？
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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 Z# n0 b6 L3 c- C
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- w7 |+ `; A5 H7 Y9 p' e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。 4 h8 A2 Y6 a1 d9 k O* e1 Z* @5 l
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发表于 2019-4-30 10:47
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