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電子元器件S參數

摘要: 對于高頻電路,需要采用網絡法來進行分析,此時需要用到S參數 可以使用元器件廠家的S參數也可以自己搭建測試電路使用網絡分析儀來測得S參數 ,要想深刻的理解S參數,需要具備足夠的高頻電子電路的基礎知識 。在進行射頻、微波等高頻電路設計時,節點電路理論已不再適用,需要采用分布參數電路的分析方法,這時可以采用復雜的場分析法,但更多地時候則采用微波網絡法來分析電路,對于微波網絡而言,最重要的參數就是S參數。在個人計算機平臺邁入 GHz階段之后,從計算機的中央處理器、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,所以現在不但射頻通信電路設計時需要了解、掌握S參數,計算機系統甚至消費電子系統的設計師也需要對相關知識有所掌握。

一、S參數的作用S參數的由來和含義:

在低頻電路中,元器件的尺寸相對于信號的波長而言可以忽略(通常小于波長的十分之一),這種情況下的電路被稱為節點(Lump)電路,這時可以采用常規的電壓、電流定律來進行電路計算。S參數就是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數,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描述電路網絡。 

針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數進行仿真的能力,這其中包括安捷倫公司的ADSAdvanced Design System),ADS被許多射頻設計平臺所集成。 

在進行需要較高頻率的設計時,設計師必須利用參數曲線以及預先計算的散射參數(即S-參數)模型,才能用傳輸線和器件模型來設計所有物理元件。 

電阻:能量損失(發熱) 

電容:靜電能量 

電感:電磁能量 

但在高頻微波電路中,由于波長較短,組件的尺寸就無法再視為一個節點,某一瞬間組件上所分布的電壓、電流也就不一致了。因此基本的電路理論不再適用,而必須采用電磁場理論中的反射及傳輸模式來分析電路。元器件內部電磁波的進行波與反射波的干涉失去了一致性,電壓電流比的穩定狀態固有特性再也不適用,取而代之的是分布參數的特性阻抗觀念,此時的電路被稱為分布(Distributed 電路。分布參數回路元器件所考慮的要素是與電磁波的傳送與反射為基礎的要素,即:

二、反射系數 衰減系數 傳送的延遲時間

        分布參數電路必須采用場分析法,但場分析法過于復雜,因此需要一種簡化的分析方法。 微波網絡法廣泛運用于微波系統的分析,是一種等效電路法,在分析場分布的基礎上,用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件,將實際的導波傳輸系統等效為傳輸線,從而將實際的微波系統簡化為微波網絡,把場的問題轉化為路的問題來解決。

一般地,對于一個網絡有YZS參數可用來測量和分析,Y稱導納參數,Z稱為阻抗參數,S稱為散射參數;前兩個參數主要用于節點電路,ZY參數對于節點參數電路分析非常有效,各參數可以很方便的測試;但在處理高頻網絡時,等效電壓和電流以及有關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參數被稱為散射參數,暗示為事務分散為不同的分量,散射參數即描述其分散的程度和分量的大小。

具體來說S參數就是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數,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描述電路網絡。 N端口網絡的阻抗和導納矩陣那樣,用散射矩陣亦能對N端口網絡進行完善的描述。

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系。散射參量可以直接用網絡分析儀測量得到,可以用網絡分析技術來計算。只要知道網絡的散射參量,就可以將它變換成其它矩陣參量。

二端口網絡有四個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,也經常被簡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絡的特性如下:

S11:端口2匹配時,端口1的反射系數 

S22:端口1匹配時,端口2的反射系數 

S12:端口1匹配時,端口2到端口1的反向傳輸系數 

S21:端口2匹配時,端口1到端口2的正向傳輸系數

對于互易網絡,有:S12S21 對于對稱網絡,有:S11S22 

對于無耗網絡,有:(S112+(S1221

我們經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絡,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-20dBS21表示插入損耗,也就是有多少能量被傳輸到目的端(Port2)了,這個值越大越好,理想值是1,即0dBS21越大傳輸的效率越高,一般建議S21>0.7,即-3dB。如果網絡是無耗的,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目的地,就已經消耗在路上了。

三、S參數在電路仿真中的應用:

        S 參數自問世以來已在電路仿真中得到廣泛使用。針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數進行仿真的能力,這其中包括安捷倫公司的ADSAdvanced Design System),ADS被許多射頻設計平臺所集成。在許多仿真器中我們都可以找到S參數模塊,設計人員會設置每一個具體S參數的值。這也和S參數的起源一樣,同樣是因為頻率,在較低的頻率時,設計師可以在電路板上安裝分立的射頻元件,再用阻抗可控的印制線和通孔把它們連接起來。在進行需要較高頻率的設計時,設計師必須利用參數曲線以及預先計算的散射參數(即S-參數)模型,才能用傳輸線和器件模型來設計所有物理元件。

設計師可以通過網絡分析儀來實際測量S參數,這樣做的好處是可以將器件裝配在與將要生產的PCB相同的PCB上進行測試以得到精確的測量結果。設計師也可以采用元器件廠家提供的S參數進行仿真,據安捷倫EDA部門的一位應用工程師在文章中介紹:這些數據通常是在與最終應用環境不同的環境中測得的。這可能在仿真中引入誤差他舉例:當電容器安裝在不同類型的印制電路板時,電容器會因為安裝焊盤和電路板材料(如厚度、介電常數等)而存在不同的諧振頻率。固態器件也會遇到類似問題( LNA 應用中的晶體管)。為避免這些問題,最好應該在實驗室中測量S參數。但無論如何,為了進行射頻系統仿真,就無法回避使用S參數模型,無論這些數據是來自設計師的親自測量還是直接從元器件廠家獲得,這是由高頻電子電路的特性所決定了的。

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