微波網(wǎng)絡(luò)如何使用S參數(shù)來分析電路

對于高頻電路，需要采用網(wǎng)分來進(jìn)行分析，此時需要用到S參數(shù)，可以使用元器件廠家的S參數(shù)也可以自己搭建測試電路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測得S參數(shù)，要想深刻的理解S參數(shù)，需要具備足夠的高頻電子電路的基礎(chǔ)知識。

在進(jìn)行射頻、微波等高頻電路設(shè)計時，節(jié)點電路理論已不再適用，需要采用分步參數(shù)電路的分析方法，這是可以采用復(fù)雜的場分析法，但更多的時候則采用微波網(wǎng)絡(luò)來分析電路。

對于微波網(wǎng)絡(luò)而言，最重要的參數(shù)就是S參數(shù)，在個人計算機(jī)平臺邁入GHz階段之后，從計算機(jī)的中央處理器、顯示界面、存儲器總線到I/O接口，全部走入高頻傳送的國度，所以現(xiàn)在不但射頻通信電路設(shè)計時需要了解、掌握S參數(shù)，計算機(jī)系統(tǒng)甚至消費電子系統(tǒng)的設(shè)計師也需要對相關(guān)知識有所掌握。

什么是s參數(shù)？

微波系統(tǒng)主要研究信號和能量兩大問題：信號問題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問題主要是研究能量如何有效地傳輸。

分布參數(shù)電路必須采用場分析法，但場分析法過于復(fù)雜，因此需要一種簡化的分析方法。?微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎(chǔ)上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場的問題轉(zhuǎn)化為路的問題來解決。

微波網(wǎng)絡(luò)理論在低頻網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，低頻電路分析是微波電路分析的一個特殊情況。

微波系統(tǒng)主要研究信號和能量兩大問題：信號問題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問題主要是研究能量如何有效地傳輸。微波系統(tǒng)是分布參數(shù)電路，必須采用場分析法，但場分析法過于復(fù)雜，因此需要一種簡化的分析方法。

一般地，對于一個網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來測量和分析，Y稱導(dǎo)納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)；前兩個參數(shù)主要用于集總電路，Z和Y參數(shù)對于集中參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便的測試；但是在微波系統(tǒng)中，由于確定非TEM波電壓、電流的困難性，而且在微波頻率測量電壓和電流也存在實際困難。

因此，在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得較抽象。與直接測量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。

S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)。同N端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗和導(dǎo)納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對N端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善的描述。

阻抗和導(dǎo)納矩陣反映了端口的總電壓和電流的關(guān)系，而散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來計算。

只要知道網(wǎng)絡(luò)的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。

二端口網(wǎng)絡(luò)為例說明各個S參數(shù)的含義：

如圖所示。二端口網(wǎng)絡(luò)有四個S參數(shù)，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測得的能量。如S11定義為從 Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值。各參數(shù)的物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò)的特性如下：

S11：端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)；

S22：端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；

S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；

S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)。

對于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12＝S21。

對于對稱網(wǎng)絡(luò)，有：S11＝S22 對于無耗網(wǎng)絡(luò)，有：（S11）2＋（S12）2＝1 。

S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩耍≒ort2）了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸?shù)男试礁?，一般建議S21>0.7，即－3dB。

我們經(jīng)常用到的單根傳輸線，或一個過孔，就可以等效成一個二端口網(wǎng)絡(luò)，一端接輸入信號，另一端接輸出信號，如果以Port1作為信號的輸入端 口，Port2作為信號的輸出端口，那么S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個值越小越好，一般建議 S11<<0.1，即－20dB。

S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩耍≒ort2）了，這個值越大越好，理想值是1，即 0dB，S21越大傳輸?shù)男试礁撸话憬ㄗhS21>>0.7，即－3dB。

如果網(wǎng)絡(luò)是無耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足 S21>>0.7的要求，但通常的傳輸線是有耗的，尤其在GHz以上，損耗很顯著，即使在Port1上沒有反射，經(jīng)過長距離的傳輸線后，S21的值就 會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達(dá)目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。

在高速信號測試當(dāng)中，會經(jīng)常用到S參數(shù)，比如需要根據(jù)實際的測試案例，演示用網(wǎng)絡(luò)分析儀實測PCB板上單端走線和差分走線的S參數(shù)等。

編輯：黃飛

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