S參數(shù)的含義

作者：安捷倫科技專家 孫燈亮

微波系統(tǒng)主要研究信號(hào)和能量?jī)纱髥?wèn)題：信號(hào)問(wèn)題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問(wèn)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(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過(guò)于復(fù)雜，因此需要一種簡(jiǎn)化的分析方法。

微波網(wǎng)絡(luò)法被廣泛運(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場(chǎng)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(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場(chǎng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為路的問(wèn)題來(lái)解決。微波網(wǎng)絡(luò)理論是在低頻網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，低頻電路分析是微波電路分析的一個(gè)特殊情況。

一般地，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來(lái)測(cè)量和分析，Y稱為導(dǎo)納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)；前兩個(gè)參數(shù)主要用于集總電路，Z和Y參數(shù)對(duì)于集總參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便的測(cè)試；但是在微波系統(tǒng)中，由于確定非TEM波電壓、電流非常困難，而且在微波頻率測(cè)量電壓和電流也存在實(shí)際困難。因此，在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(cè)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(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)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(duì)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(cè)量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來(lái)計(jì)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。

下面以二端口網(wǎng)絡(luò)為例說(shuō)明各個(gè)S參數(shù)的含義，如上圖所示。二端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)S參 數(shù)，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測(cè)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(jiǎn)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(shí)，端口1的反射系數(shù)；
S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)；
S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；
S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)；
對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12=S21；
對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，有：S11=S22 ；
對(duì)于無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，有：（S11）2+（S12）2=1 ；

我們經(jīng)常用到的單根傳輸線，或一個(gè)過(guò)孔，就可以等效成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，一端接輸入信號(hào)，另一端接輸出信號(hào)，如果以Port1作為信號(hào)的輸入端口，Port2 作為信號(hào)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(gè)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(gè)值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸?shù)?效率越高，一般建議S21>0.7，即－3dB。

S參數(shù)在工程測(cè)試和理論計(jì)算中都得到廣泛采用。
一般利用各種參數(shù)(H, Y, Z, S) 來(lái)對(duì)器件進(jìn)行描述：
1、器件的線性模型
2、反映器件在不同頻率和阻抗端接情況下工作性能
3、通過(guò)測(cè)試來(lái)對(duì)器件進(jìn)行建模
4、通過(guò)計(jì)算對(duì)器件進(jìn)行匹配,阻抗變化等處理

在某些應(yīng)用中采用器件參數(shù)可通過(guò)轉(zhuǎn)換由S參數(shù)得到.

利用S參的優(yōu)點(diǎn)如下：
1、概念與器件性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)
2、方便復(fù)雜系統(tǒng)分析
3、完整反映被測(cè)器件性能
4、便于建立器件數(shù)學(xué)模型
5、級(jí)連系統(tǒng)的S參數(shù)計(jì)算
6、便于導(dǎo)出H, Y, 或Z 等參數(shù)
7、EDA 設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)格式