1 什么是 S 参数
S 参数是散射参数
S 参数的原文名称是“Scattering-Parameter”
以二端口网络为例,如单根传输线,共有四个 S 参数:S11,S12,S21,S22,对于互易网络有 S12=S
21,对于对称网络有 S11=S22,对于无耗网络,有 S11*S11+S21*S21=1,即网络不消耗任何能量,从
端口 1 输入的能量不是被反射回端口 1 就是传输到端口 2 上了。在高速电路设计中用到的微带线或带状线,
都有参考平面,为不对称结构(但平行双导线就是对称结构),所以 S11 不等于 S22,但满足互易条件,
总是有 S12=S21。假设 Port1 为信号输入端口,Port2 为信号输出端口,则我们关心的 S 参数有两个:S
11 和 S21,S11 表示回波损耗,也就是有多少能量被反射回源端(Port1)了,这个值越小越好,一般建
议 S11<0.1,即-20dB,S21 表示插入损耗,也就是有多少能量被传输到目的端(Port2)了,这个值越
大越好,理想值是 1,即 0dB,越大传输的效率越高,一般建议 S21>0.7,即-3dB,如果网络是无耗的,
那么只要 Port1 上的反射很小,就可以满足 S21>0.7 的要求,但通常的传输线是有耗的,尤其在 GHz 以上,
损耗很显著,即使在 Port1 上没有反射,经过长距离的传输线后,S21 的值就会变得很小,表示能量在传
输过程中还没到达目的地,就已经消耗在路上了。对于由 2 根或以上的传输线组成的网络,还会有传输线
间的互参数,可以理解为近端串扰系数、远端串扰系统,注意在奇模激励和偶模激励下的 S 参数值不同。
需要说明的是,S 参数表示的是全频段的信息,由于传输线的带宽限制,一般在高频的衰减比较大,S 参
数的指标只要在由信号的边缘速率表示的 EMI 发射带宽范围内满足要求就可以了。 [from 微波仿真论坛]
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S11:端口 2 匹配时,端口 1 的反射系数
S22:端口 1 匹配时,端口 2 的反射系数
S12:端口 1 匹配时,端口 2 到端口 1 的反向传输系数
S21:端口 2 匹配时,端口 1 到端口 2 的正向传输系数
2 什么是 Z 参数
Z 参数是阻抗参数
3 什么是 smith 圆图
史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。正确的使用它,可以在不作任何计算的
前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗,唯一需要作的就是沿着圆周线读取并
跟踪数据。
史密斯圆图是反射系数(伽马,以符号Γ表示)的极座标图。反射系数也可以从数学上定义为
单端口散射参数,即 s11。
史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。这里我们不直接考虑阻抗,而是用反射系数
ΓL,反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导),在处理 RF 频率的问题时ΓL 更加
有用。
我们知道反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比:
负载阻抗
负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数的表达式定义为:
由于阻抗是复数,反射系数也是复数。
为了减少未知参数的数量,可以固化一个经常出现并且在应用中经常使用的参数。这里 Zo
(特性阻抗)通常为常数并且是实数,是常用的归一化标准值,如 50Ω、75Ω、100Ω和 600Ω。
于是我们可以定义归一化的负载阻抗
4 什么是驻波比
驻波比全称为电压驻波比,又名 VSWR 和 SWR,为英文 Volta
ge Standing Wave Ratio 的简写。
在无线电通信中,天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机
的阻抗不匹配,高频能量就会产生反射折回,并与前进的部
分干扰汇合发生驻波。为了表征和测量天线系统中的驻波特
性,也就是天线中正向波与反射波的情况,人们建立了“驻
波比”这一概念,
SWR=R/r=(1+K)/(1-K)
反射系数 K=(R-r)/(R+r)
(K 为负值时表明相位相反)
式中 R 和 r 分别是输出阻抗和输入阻抗。当两个阻抗数值一
样时,即达到完全匹配,反射系数 K 等于 0,驻波比为 1。
这是一种理想的状况,实际上总存在反射,所以驻波比总是
大于 1 的。
只有阻抗完全匹配,才能达到最大功率传输。这在高频更重要!发射机、传输电缆(馈线)、
天线阻抗都关系到功率的传输。驻波比就是表示馈线与天线匹配情形。
不匹配时,发射机发射的电波将有一部分反射回来,在馈线中产生反射波,反射波到达
发射机,最终产生为热量消耗掉。接收时,也会因为不匹配,造成接收信号不好。
如下图,前进波(发射波)与反射波以相反方向进行。
完全匹配,将不产生反射波,这样,在馈线里各点的电压振幅是恒定的,如下图中左部
分(a),不匹配时,在馈线里产生下图右方的电压波形,这驻留在馈线里的电压波形就叫
做驻波。
驻波比(SWR)的 S 值的计算公式为下图:
当然还有其它的驻波比计算方法,不过计算结果是一样的。
驻波比越高,表示阻抗越不匹配,业余玩家,做到驻波比小于 1.5 就算可以了。
最后提醒一点,天线的好坏不能单看驻波比,现在大家如此迷信驻波比的原因很简单,
就是因为驻波表好便宜、好买。不要因为天线驻波比很低就觉得一切 OK,多研究天线的其
它特性(如方向性)才是真正的乐趣。