什么是S参数?

S参数矩阵(也称为S矩阵,或散射参数)表示RF电子电路和组件(图1)的线性特性。它与矢量网络分析仪测得的,并且它描述了反射波的通过振幅和相位以不同的频率变化,并且相对于所述装置的入射波被测设备(DUT)的透射波。

图1所示。双端口射频器件的s参数矩阵。

从s参数矩阵中,可以计算线性网络的增益、损耗、相位延迟、驻波比(VSWR)等特性。s参数与众所周知的阻抗(Z)和导纳(Y)矩阵有关。s参数的优点是更容易测量射频频率,因为测量过程需要有限的特性阻抗作为端口终端。

S参数矩阵可以被用于描述与网络端口的任意数量。在下面的描述中,为了简单起见,我们考虑具有两个端口的网络,如图1 A(t)和B(t)的分别表示入射波和反射波,在端口1(通常称为输入端口)和端口2(通常称为输出端口)。的入射波和反射波直接相关的在端口端子的电压和电流,通过以下定义所指示的。特性阻抗Z0(通常50Ω)显示电路用于测量终止。

S参数矩阵的元素是复数,并且可以在被可视化笛卡儿的阴谋在量值和相位方面(图2和图3),或者在极坐标图上。的史密斯圆图(图4)是一种特殊的极坐标绘图格式,广泛用于s参数绘图,通常用于输入/输出匹配网络的设计。

图2.幅度特性中的描述的SAW滤波器作为频率的函数的两端口的S参数分贝。在2.38和2.5GHz之间的通带内,衰减是最小的,和S11 / S22是匹配的。

图3。相位特性,以一个声表面波滤波器的S21的角度作为频率的函数。在2.38 GHz到2.5 GHz的通频带内,相位“几乎”是线性的。这些数据也可以用来估计相位和组延迟。

图4.史密斯曲线图的可视化的SAW滤波器作为频率的函数的S参数的。定位在S11的标记返回的等效输入阻抗和电压驻波比(VSWR)。

采用S参数的优点

S参数是适合于描述的原因有三个高频电路和元件的特点:

  • 比Y或Z矩阵更容易测量:其它等效的矩阵描述,如Y或Z,需要在该设备的端口的电流和电压,以及开路和短路端子的直接测量。在射频和微波频率,这些终止条件导致入射波的完整反射当它到达开路或短路终止,这会导致设备的不稳定性。此外,它是很难保证在大的频率范围内的开路和短路状态。因为S参数通过终止具有有限的特性阻抗的设备的端口使用测量入射和反射波,它们不影响由任何这些问题。
  • 容易转换成其他参数:因为S参数直接相关的Z参数(电压,以输入/输出电流),Y-参数(电流,输入/输出电压),以及其他线性矩阵(T,ABCD,H)通过线性变换,它们可以是容易地转化并随后在这些其他格式电路分析或模拟中使用。
    RF工具箱™提供必要的函数来方便地将n端口s参数转换为等效的表示形式。
  • 灵活的分析和模拟:S参数通常被存储在一个名为试金石的标准文件格式。大多数RF分析工具和仿真器可以读取和写入文件的试金石,从而使得它的便携文件格式交换测量和设计信息。

s参数的静态频域分析通常用于匹配网络的设计,并且可以与优化例程相结合,以发现不同需求之间的权衡(图5)。

Example of analysis using S-parameters for the optimized design of a low-noise amplifier accounting for stability constraints.

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图5。例子分析使用用于低噪声放大器占稳定约束优化设计的S参数。

S参数还可以用于线性网络与数字信号处理算法以考虑与频率有关的效应,诸如那些在通信链路组合的模拟。

基本S参数概念

如上所述,在S参数矩阵提供的反射波,并且相对于DUT的入射波在每个端口和每个工作频率发送波之间的关系。

例如,对于一个双端口设备,您有四个s参数表示网络的双向行为作为频率的函数(图6):

  • S11 =输入端口反射
  • S12 =反向增益
  • S21 =正向增益(线性增益/插入损耗)
  • S22 =输出端口反射

图6。s参数矩阵的关系式。

从定义,它是很容易看到通过施加入射波a1至端口1,并测量在相同端口的反射波B1即S11中,例如,被测量,而端口2通过负载阻抗相同的值端接于所述网络的特征阻抗。S11被定义为反射波与入射波的比率,并且提供的输入端口(图7)的匹配条件的直接量度。例如,当S11为等于1,这表示开路;当S11等于-1,这代表了短路;和S11 = 0表示完全匹配的电路。

图7.表示两端口的S参数反射和透射的。

在MATLAB和Simulink中使用s参数金宝app

RF工具箱RF模块库™提供丰富的功能和对象,使您能够使用滤波器、传输线、放大器、混频器和其他RF组件设计、建模、分析和可视化网络。您可以轻松地读写n端口试金石文件—s参数的标准格式。这使得使用集中和分布式网络分析射频测量数据和优化匹配网络的设计变得容易。

例如,RF Toolbox提供了s参数与Z、Y、ABCD、H、G和T网络参数之间转换的典型函数。s参数端口的选择、单端到共模和差分模的转换功能也可以使用,这些功能通常用于背板的信号完整性分析。

射频工具箱还提供了功能的S参数去嵌入,级联和可视化支持RF测试工程师在他们的典型任务。金宝app通过S参数数据分析任务与测量过程相结合,工作流可以是自动化的且容易地按比例放大,以测试范围更广的操作场景。

使用RF工具箱功能rationalfit,你可以用一个等效的拉普拉斯传递函数拟合s参数和一般频域数据,然后用它来进行电路分析和时域仿真。这是特别方便的提取的RF组件的等效电路表示的信号完整性问题的分析,和匹配网络的设计和背板均衡器。

S参数数据的分析和可视化,可以容易地实现自动化和按比例放大以提取关于大量的数据(图8)的统计信息。

Example of statistical analysis of the S-parameters of an RF filter.

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图8。例子的RF滤波器的S参数的统计分析。

随着RF预算分析的应用,可以分析一个发射机的RF预算或增益,功率,噪声指数,和三阶非线性方面的接收器(图9)。

Example of budget analysis and visualization using RF Budget Analyzer app.

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图9。例子使用RF预算分析的应用预算分析和可视化。

射频系统设计人员通常从规范开始,例如整个系统的增益、噪声图(NF)和非线性(IP3),并将这些规范划分到RF级联的不同阶段。通常,他们使用复杂的电子表格在不同的操作条件下执行简单的链接分析。RF Budget Analyzer app为系统工程师提供了一个预算分析框架,包括s参数不匹配、不同阶段的综合可视化、MATLAB®接口以编程分析不同的方案。

射频预算分析的应用程序,您可以直接导入双端口Touchstone文件的描述线性RF组件。通过信号带宽进行预算分析,占输入和输出失配和热噪声。如果Touchstone文件包括测得的光斑噪声数据,该数据将在预算分析中使用。替代地,如果S参数数据是被动的,与设备相关联的衰减的热噪声将被包含在分析中。

此外,RF Budget Analyzer应用程序还提供了自动生成Simulink的能力金宝app®模型使用RF模块库™(图10)的电路包络仿真技术的链条。所生成的模型和验证测试台可以用于使用调制波形的链行为的仿真和验证,增加干扰信号,和建模不能被容易地分析估计其他缺陷。

Example of automatically generated test bench for the verification of RF system performance.

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图10。例子的自动生成的测试台的RF系统的性能验证。

在MATLAB和Simuli金宝appnk,你可以模拟整个无线通信通过连接RF发射机和接收机,以基带处理算法(图11)的系统;例如,使用标准兼容的经调制的波形,例如LTE或WiFi。您可以估算误码率(BER)或误差矢量幅度(EVM)方面的系统性能。S参数数据模拟由所述电路包络求解器的时间域,即使用合理的配件或基于卷积的方法。

Example of a Simulink model including the AD9371 transmitter, a nonlinear RF power amplifier loaded on an S-parameters antenna, and closed-in feedback loop with a digital predistortion algorithm for improved linearity.

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图11。例子的Simu金宝applink模型,包括AD9371发射机,加载在s参数天线上的非线性射频功率放大器,以及带数字预失真算法的闭环反馈,以改善线性度。




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