[Circuit] S-Parameters (Scattering parameters)

電路知識:S-Parameters (Scattering parameters)
工具:Qucs

簡介:推導與原理

[b1b2]=[S11S12S21S22][a1a2] a1=V1+Z0I12Z0a2=V2+Z0I22Z0b1=V1Z0I12Z0b2=V2Z0I22Z0 S11=b1a1|a2=0S12=b1a2|a1=0S21=b2a1|a2=0S22=b2a2|a1=0
Z0 為任意值,通常為 50Ω
Double subscripts: use braces to clarify 可看出 aibi 的單位其實是 power
然而 |ai|2 就像是輸入功率,然而 |bi|2 就像是反射功率
兩者相減後,得到消耗功率
ViIi 不是 rms 值,而是 max 值
此時需乘上 12 才是真正的功率
原因可參考此篇 [Circuit] AC Sinusoids 穩態分析
傳輸線傳遞的概念,也可以看作能量傳遞
S11:回波損耗 (return loss),值越接近 0 越好 (越低越好 ,一般 -25 ~ -40dB)
S12:反向傳輸增益,值越接近 0 越好
S21:插入損耗 (inset loss),或是頻率響應:值越接近 1 越好 (0dB)
S22:輸出端反射係數,值越接近 1 越好 (0dB)

Network Analyzer 原理

device under Test
δi=βliS=[S11S12S21S22]=[S11e2jδ1S12ej(δ1+δ2)S21ej(δ1+δ2)S22e2jδ2]ZL=Z0a2=0,可求 S11 & S21
交換兩邊,可求 S12 & S22
根據 [Circuit] Transmission line
V(z)=Vfeγz+VreγzI(z)=IfeγzIreγz=VfZ0eγzVrZ0eγzZ0I(z)=VfeγzVreγzVf=V(z)+Z0I(z)2eγzVr=V(z)Z0I(z)2eγzz=0
a1=V1+Z0I12Z0=V1fZ0a2=V2+Z0I22Z0=V2fZ0b1=V1Z0I12Z0=V1rZ0b2=V2Z0I22Z0=V2rZ0 假設為無損耗傳輸線
γ=jβ[a1b1]=[V1+Z0I12Z0V1+Z0I12Z0]=[V1+Z0I12Z0eγ(l1)eγ(l1)V1+Z0I12Z0eγ(l1)eγ(l1)]=[V1fZ0eγ(l1)V1rZ0eγ(l1)]=[a1ejβl1b1ejβl1]=[ejβl100ejβl1][a1b1][a2b2]=[V2+Z0I22Z0V2+Z0I22Z0]=[V2+Z0I22Z0eγ(l2)eγ(l2)V2+Z0I22Z0eγ(l2)eγ(l2)]=[V2fZ0eγ(l2)V2rZ0eγ(l2)]=[a2ejβl2b2ejβl2]=[ejβl200ejβl2][a2b2][b1b2]=D[b1b2][a1a2]=D[a1a2]D=[ejβl100ejβl2]=[ejδ100ejδ2] [b1b2]=[S11S12S21S22][a1a2][b1b2]=D[b1b2]=D[S11S12S21S22][a1a2]=D[S11S12S21S22]D[a1a2]=DSD[a1a2]=S[a1a2] S=DSD=[ejδ100ejδ2][S11S12S21S22][ejδ100ejδ2]=[ejδ1S11ejδ1S12ejδ2S21ejδ2S22][ejδ100ejδ2]=[S11e2jδ1S12ej(δ1+δ2)S21ej(δ1+δ2)S22e2jδ2]

參數轉換

S=(ZZ0I)(Z+Z0I)1
V=[V1V2]I=[I1I2]a=[a1a2]b=[b1b2]V=ZIa=12Z0(V+Z0I)=12Z0(Z+Z0I)Ib=12Z0(VZ0I)=12Z0(ZZ0I)I12Z0I=(Z+Z0I)1ab=12Z0(ZZ0I)I=(ZZ0I)(Z+Z0I)1a=Sa
即然可以從 Z 轉換為 S,那麼 S 運用反矩陣也可以轉為 Z
所以其他的參數也就可以轉換,可利用此篇的轉換表 [Circuit] Two-Port Networks 分析

範例

Qucs 自動
Z050Ω,stoz(S, Zref=50) 需更改 Zref 參數,預設為 50Ω
算式推導
S=[z11Z0z12z21z22Z0][z11+Z0z12z21z22+Z0]1=[50505050][1505050150]1=[50505050][3400140014003400]=[0.250.250.250.25]

Qucs 手動
根據 Network Analyzer 原理,因 l1=0l2=0,故 S=S
將 V2 Short,並將 RL_R 設為跟 Z0 一致,此時 a2 才會為 0,也才能求 S11 & S21
且此時 RL_L 的值無任何影響,沒有一定需為 Z0
將 V1 Short,並將 RL_L 設為跟 Z0 一致,此時 a1 才會為 0,也才能求 S12 & S22
且此時 RL_R 的值無任何影響,沒有一定需為 Z0
算式推導
S=[z11Z0z12z21z22Z0][z11+Z0z12z21z22+Z0]1=[25505025][1755050175]1=[25505025][71125211252112571125]=[0.06670.2670.2670.0667]

參考

Scattering parameters
S-Parameters
Reflection and Transmission
Transmission Lines
Multilayer Structures
RF Engineering Basic Concepts: S-Parameters S-parameter -- 基礎篇

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