問(wèn)題：

什么是S參數？它有哪些主要類(lèi)型？

答案：

S參數描述了RF網(wǎng)絡(luò )的基本特征，其主要類(lèi)型有小信號、大信號、脈沖、冷模式和混合模式S參數。

引言

本文延續之前的一系列短文，旨在為非RF工程師講解RF的奧秘。其中一些RF文章如下：“RF揭秘——了解波反射”，探討了波反射；“如何輕松選擇正確的頻率產(chǎn)生器件”，探討了RF信號鏈中發(fā)揮作用的頻率產(chǎn)生器件的主要類(lèi)型。

這一次，ADI將介紹在描述任何RF組件時(shí)需要用到的一個(gè)最基本術(shù)語(yǔ)——散射參數（或S參數）。但是，與該主題的其他很多文章不同，本文不僅會(huì )聚焦S參數的基本定義，還會(huì )簡(jiǎn)要概述其在RF工程中常用的主要類(lèi)型。

基本定義

S參數量化了RF能量是如何通過(guò)系統傳播的，因而包含有關(guān)其基本特征的信息。使用S參數可以將最復雜的RF器件表示為簡(jiǎn)單的N端口網(wǎng)絡(luò )。圖1顯示了一個(gè)雙端口未平衡網(wǎng)絡(luò )的例子，該網(wǎng)絡(luò )可用于表示許多標準RF元件，例如RF放大器、濾波器或衰減器等。

圖1.雙端口未平衡RF網(wǎng)絡(luò )

示意圖圖1顯示的波量a是入射在器件端口1和端口2上的電壓波的復數幅度。如果使用相應的波量a₁或a₂依次刺激一個(gè)端口，同時(shí)另一個(gè)端口端接到匹配的負載中，我們就可以根據波量b來(lái)定義器件的正向和反向響應。這些數量代表了從網(wǎng)絡(luò )端口反射和通過(guò)網(wǎng)絡(luò )端口透射的電壓波?；谒脧蛿淀憫统跏即碳ち康谋嚷?，我們可以定義雙端口器件的S參數，如式1所示：

然后，可以將S參數組成一個(gè)散射矩陣(S-Matrix)來(lái)反映其所有端口的復數波量之間的關(guān)系，由此表示該網(wǎng)絡(luò )的內在響應。對于雙端口未平衡網(wǎng)絡(luò )，刺激-響應關(guān)系的形式如式2所示：

對于任意N端口RF器件，可以類(lèi)似方式定義S矩陣。

S參數的類(lèi)型

如果沒(méi)有明確說(shuō)明，則“S參數”一詞通常是指小信號S參數。它表示RF網(wǎng)絡(luò )對小信號刺激的響應，量化了線(xiàn)性工作模式下不同頻率的反射和透射特性。使用小信號S參數，可以確定基本RF特性，包括電壓駐波比(VSWR)、回報損耗、插入損耗或給定頻率的增益。

然而，如果不斷增加通過(guò)RF器件的信號的功率水平，通常會(huì )導致更明顯的非線(xiàn)性效應。這些效應可以利用另一種類(lèi)型的散射參數——即大信號S參數——來(lái)量化。它們不僅會(huì )隨著(zhù)頻率不同而變化，而且也會(huì )隨著(zhù)刺激信號的功率水平不同而變化。此類(lèi)散射參數可用于確定器件的非線(xiàn)性特性，例如壓縮參數。

小信號和大信號S參數通常均利用連續波(CW)刺激信號并應用窄帶響應檢測來(lái)測量。但是，許多RF器件被設計為使用脈沖信號工作，這些信號具有寬頻域響應。這使得利用標準窄帶檢測方法精確表征RF器件具有挑戰性。因此，對于脈沖模式下的器件表征，通常使用所謂的脈沖S參數。這些散射參數是通過(guò)特殊的脈沖響應測量技術(shù)獲得的。

還有一類(lèi)平時(shí)很少談?wù)摰袝r(shí)可能變得很重要的S參數，那就是冷模式S參數。“冷模式”一詞是指有源器件在非活動(dòng)模式（即其所有有源元件都不工作，例如晶體管結反向或零偏置且無(wú)傳輸電流流動(dòng)）下獲取的散射參數。此類(lèi)S參數可用于改善帶關(guān)斷狀態(tài)元件的信號鏈分段的匹配，這些元件會(huì )在信號路徑中引起高反射。

到目前為止，為單端器件的典型示例定義了S參數，其中刺激和響應信號均以地為基準。但是，對于具有差分端口的平衡器件，此定義還不夠。平衡網(wǎng)絡(luò )需要更廣泛的表征方法，它必須能夠充分描述其差分模式和共模響應。這可以利用混合模式S參數來(lái)實(shí)現。圖2顯示了混合模式散射參數的一個(gè)例子，這些參數組成一個(gè)擴展S矩陣，代表一個(gè)典型的雙端口平衡器件。

圖2.雙端口平衡RF網(wǎng)絡(luò )及其混合模式散射矩陣

此矩陣中的混合模式S參數的下標使用如下命名約定：b模式、a模式、b端口和a端口，前兩個(gè)描述響應端口的模式（b模式）和刺激端口的模式（a模式），后兩個(gè)指定這些端口的索引號，b端口對應響應端口，a端口對應刺激端口。在示例中，端口模式由下標定義，d表示差分模式，c表示共模模式。但是，在同時(shí)具有平衡端口和未平衡端口的更一般情況下，混合模式S矩陣還會(huì )有其他元素，下標s描述針對單端端口獲得的量。利用混合模式散射參數，不僅可以確定RF器件的基本參數，例如回報損耗或增益，還可以確定用于表征差分電路性能的關(guān)鍵品質(zhì)因數，例如共模抑制比(CMRR)、幅度不平衡和相位不平衡程度。

結論

本文介紹了散射參數的基本定義，并簡(jiǎn)要討論了其主要類(lèi)型。S參數可用于描述RF器件在不同頻率下和對于信號的不同功率水平的基本特性。RF應用的開(kāi)發(fā)高度依賴(lài)于描述RF設計的整體結構和組成部分的S參數數據。RF工程師測量或依賴(lài)已經(jīng)存在的S參數數據，該數據通常存儲在稱(chēng)為Touchstone或SNP文件的標準文本文件中。當今市場(chǎng)上的大部分常用RF器件都有這種免費提供的文件。

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關(guān)于作者

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司，擔任現場(chǎng)應用工程師，目前為ADI公司戰略與重點(diǎn)客戶(hù)提供現場(chǎng)應用支持，主要負責RF應用。