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什么是S參數？它有哪些主要類型？

S參數描述了RF網絡的基本特征，其主要類型有小信號、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生器件”，探討了RF信號鏈中發揮作用的頻率產生器件的主要類型。

這一次，我們將介紹在描述任何RF組件時需要用到的一個最基本術語——散射參數（或S參數）。但是，與有關該主題的其他很多文章不同，本文不僅會聚焦S參數的基本定義，而且還會簡要概述其在RF工程中常用的主要類型。

基本定義

S參數量化了RF能量是如何通過系統傳播的，因而包含有關其基本特征的信息。使用S參數可以將最復雜的RF器件表示為簡單的N端口網絡。圖1顯示了一個雙端口未平衡網絡的例子，該網絡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網絡

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依次激勵一個端口，同時另一個端口端接到匹配的負載中，我們就可以根據波量b來定義器件的正向和反向響應。這些數量代表了從網絡端口反射和通過網絡端口透射的電壓波。基于所得復數響應和初始激勵量的比率，我們可以定義雙端口器件的S參數，如式1所示：

然后，我們可以將S參數組成一個散射矩陣(S-Matrix)來反映其所有端口的復數波量之間的關系，由此表示該網絡的內在響應。對于雙端口未平衡網絡，激勵-響應關系的形式如式2所示：

對于任意N端口RF器件，可以類似方式定義S矩陣1,2。

S參數的類型

如果沒有明確說明，則“S參數”一詞通常是指小信號S參數。它表示RF網絡對小信號激勵的響應，量化了線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，我們可以確定基本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RF器件的信號的功率水平，通常會導致更明顯的非線性效應。這些效應可以利用另一種類型的散射參數——即大信號S參數——來量化。它們不僅會隨著頻率不同而變化，而且也會隨著激勵信號的功率水平不同而變化。此類散射參數可用于確定器件的非線性特性，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)激勵信號并應用窄帶響應檢測來測量。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特殊的脈沖響應測量技術獲得的3。

還有一類我們平時很少談論但有時可能變得很重要的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傳輸電流流動）下獲取的散射參數。此類S參數可用于改善帶關斷狀態元件的信號鏈分段的匹配，這些元件會在信號路徑中引起高反射。

到目前為止，我們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。平衡網絡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參數來實現。圖2顯示了混合模式散射參數的一個例子，這些參數組成一個擴展S矩陣，代表一個典型的雙端口平衡器件。

圖2.雙端口平衡RF網絡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，前兩個描述響應端口的模式（b模式）和激勵端口的模式（a模式），后兩個指定這些端口的索引號，b端口對應響應端口，a端口對應激勵端口。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，我們不僅可以確定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鍵品質因數，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，并簡要討論了其主要類型。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應用的開發高度依賴于描述RF設計的整體結構和組成部分的S參數數據。RF工程師測量或依賴已經存在的S參數數據，該數據通常存儲在稱為Touchstone或SNP文件的標準文本文件中。當今市場上的大部分常用RF器件都有這種免費提供的文件。