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S参数和dB的定义浅谈

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原创作者:王青, 射频工程师在职
文章编辑:RF小木匠
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S参数是射频微波的基本概念,是从信号大小或者说信号能量的角度来描述射频微波网络对信号的传输和反射作用的,所以,S参数又可以分为传输参数和反射参数。
  1. 1.     S参数的定义与其物理意义
如图所示,是一个二端口的微波网络 ,其中,T1和 T2 是参考面, 既表示信号,也表示该信号的电压。如果仅从输入和输出的角度来看,该图描述了如下的两种信号处理过程:
i.           从端口1输入信号 ,此时从端口2输出信号 ;同时,从端口1反射信号
ii.           从端口2输入信号 ,此时从端口1输出信号 ;同时,从端口2反射信号

为了描述该微波网络对信号的传输能力,可以比较输出信号和输入信号的大小或者更准确地说,比较两者的能量大小。比较两个物理量的大小,一般有两种方法:一种是做差,一种是求商。那么我们到底该采用哪种方法呢?可以先考虑如何定义一个参量,来衡量微波网络对信号的反射性能。
为了描述该微波网络对信号的反射作用,自然要重点关注端口反射信号的能量大小。为了使我们的定义能够描述网络的固有属性——反射性能,所以在定义的时候要消除输入信号的影响,可以使用归一化的方法,求反射信号的大小与输入信号的大小的比值。而为了使定义能够采用统一的标准,我们在定义描述微波网络对信号传输能力的参量时,也使用比值的方法。
至此,我们已经明确了用比值的方法来比较两个信号能量的大小。具体如下:
(1)  。即端口2匹配时,端口1处反射信号的电压 与输入信号的电压 的比值。表示的是端口1处反射信号的能量的相对大小,描述了网络的端口1对信号的反射性能。
(2) .即端口1匹配时,端口2处反射信号的电压 与输入信号的电压 的比值。表示的是端口2处反射信号的能量的相对大小,描述了网络的端口2对信号的反射性能。
(3)  。即端口1匹配时,端口1处输出信号的电压与端口2处输入信号的电压的比值。表示的是从端口2到端口1信号传输的过程中,输出能量相对与输入能量的大小,描述了微波网络对信号的传输性能,其实也描述了网络本身对信号的消耗性能。
(4) 。即端口2匹配时,端口2处输出信号的电压 与端口1处输入信号的电压 的比值。表示的是从端口1到端口2信号传输的过程中,输出能量相对与输入能量的大小,可以参考S12。
其中,S11和S22是反射参数,S21和S12是传输参数。实际上,我们可以发现,S11正是端口1的反射系数,S22正是端口2的反射系数。

  1. 2.     dB定义的引入
(1)引入
我们已经明确了用做比值的方法来比较两个信号的大小。信号能量的大小更通常的是用功率P来表示的,所以常用 来表示信号经过射频微波网络之后,能量的消耗或者增加。又因为 ,所以
用比值来比较信号的大小,有一个缺陷,就是容易出现0.001甚至0.00005这样很小的数字,在射频微波工程的具体实践中,我们会发现,即使是科学计数法也处理这样的数字也不方便。为此,人们引入了dB的定义方法:                       

而S参数的dB表示方法如下::

这其中,就包含我们十分熟悉的如下公式:                   


(2)说明
现在,我们来说明滤波器的三个最常规的指标:插损IL、抑制Rej和回波RL。根据S参数的物理意义,S11和S22即所谓回波损耗,S12和S21即所谓插入损耗或者抑制。

的数学特性如下:

假如 P1是滤波器的输出信号或者是端口的反射信号,P2是滤波器的输入信号,那么一定有 ,所以S参数都是小于0的;
对于滤波器通频带内的信号,我们希望尽可能实现无耗传输,所以输出信号的功率尽可能地等于输入信号的功率,即尽可能地接近于 ,尽可能地接近于1,所以滤波器的插损 尽可能地接近于0;
对于滤波器抑制带内的信号,我们希望该频率的信号通过网络的功率越小越好,以实现对该频率信号的抑制作用,即输入信号中此一信号分量的功率尽可能地接近于0, 尽可能地接近于0,所以滤波器的抑制 尽可能地接近于


对于滤波器的回波,我们自然希望反射信号的功率越小越好,所以RL(dB)的指标也是接近于为理想状态

感谢射频工程师王青提供的原创学习笔记。
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来源:射频学堂
射频微波
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首次发布时间:2023-03-07
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射频学堂
硕士 学射频,就来射频学堂。
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