S參數的含義

作者：安捷倫科技專(zhuān)家 孫燈亮

微波系統主要研究信號和能量?jì)纱髥?wèn)題：信號問(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。

微波系統是分布參數電路，必須采用場(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過(guò)于復雜，因此需要一種簡(jiǎn)化的分析方法。

微波網(wǎng)絡(luò )法被廣泛運用于微波系統的分析，是一種等效電路法，在分析場(chǎng)分布的基礎上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導波傳輸系統等效為傳輸線(xiàn)，從而將實(shí)際的微波系統簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò )，把場(chǎng)的問(wèn)題轉化為路的問(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，對于一個(gè)網(wǎng)絡(luò )有Y、Z和S參數可用來(lái)測量和分析，Y稱(chēng)為導納參數，Z稱(chēng)為阻抗參數，S稱(chēng)為散射參數；前兩個(gè)參數主要用于集總電路，Z和Y參數對于集總參數電路分析非常有效，各參數可以很方便的測試；但是在微波系統中，由于確定非TEM波電壓、電流非常困難，而且在微波頻率測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)的阻抗和導納參數變得較抽象。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，即S參數矩陣，它更適合于分布參數電路。S參數就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎上的網(wǎng)絡(luò )參數，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(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò )。同N端口網(wǎng)絡(luò )的阻抗和導納矩陣那樣，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(lái)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。

下面以二端口網(wǎng)絡(luò )為例說(shuō)明各個(gè)S參數的含義，如上圖所示。二端口網(wǎng)絡(luò )有四個(gè)S參 數，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(jiǎn)化為等效反射電壓 和等效入射電壓的比值，各參數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；
S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數；
S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數；
S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數；
對于互易網(wǎng)絡(luò )，有：S12=S21；
對于對稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )，有：S11=S22 ；
對于無(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(xiàn)，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，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(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到目的端（Port2）了，這個(gè)值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸的 效率越高，一般建議S21>0.7，即－3dB。

S參數在工程測試和理論計算中都得到廣泛采用。
一般利用各種參數(H, Y, Z, S) 來(lái)對器件進(jìn)行描述：
1、器件的線(xiàn)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)測試來(lái)對器件進(jìn)行建模
4、通過(guò)計算對器件進(jìn)行匹配,阻抗變化等處理

在某些應用中采用器件參數可通過(guò)轉換由S參數得到.

利用S參的優(yōu)點(diǎn)如下：
1、概念與器件性能指標對應
2、方便復雜系統分析
3、完整反映被測器件性能
4、便于建立器件數學(xué)模型
5、級連系統的S參數計算
6、便于導出H, Y, 或Z 等參數
7、EDA 設計軟件的數據格式