S参数的多种含义的认识

只看该作者 · 2024-12-18 19:52

本帖最后由 AppleOrigin 于 2024-12-18 19:54 编辑

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高速信号的测试项中，S参数被大量应用于高频电路和高速电路中。不仅仅是信号完整性和电源完整性工程师需要了解S参数，对于电子工程师、测试工程师和EMC工程师等等都需要了解，如果看不懂S参数曲线，那就无从分析频域信号，在高频的时候参数变化也无从说起。

S11和S22是同一段传输线之间的关系，主要是体现反射的特性。
但S21是反映输出端口和输入端口之间的关系，会在不同的端口之间应用。所以参数S11表示输入匹配、参数S22表示输出匹配、S21是表示信号的增益或者损耗、S12是表示隔离度，某种意义来说，S12和S21的意义是一样的，信号是输入和输出端口是可以互换的。
对于S21参数，应用在不同的测试环境下，同一个参数S21也可以代表的不同的物理含义。
首先S21可以表示测试两根天线的隔离度，下图是利用两个PCB天线测试他们的隔离度，端口1和端口2连接到网络分析仪。

天线1端口输出功率到天线1，天线1对外辐射天线。
天线2接收天线1对外辐射的功率，传送到天线2的端口。
S21越小，就表明天线2接收到天线1，辐射过来的功率越小
对于一般系统间要求天线隔离度需要在-15dB以下
提高天线隔离度的做法：
不仅可以通过拉开天线距离，以及更改天线极化方向；
其次S21还可以描述信号传输过程中传输线的线损：

比如端口1传送的功率经过传输线，送到端口2，由于传输线不是理想器件，传送过程就会有功率的损失。
端口2 接收的功率和端口1发送的功率之比就是S21.
S21越小，就代表线缆的衰减越大。从而端口2接收到有用功率就会越小。这是评估传输线是否满足要求的重要指标。
最后S21还可以进行有源天线增益的测量，左边端口1连接的是无源天线，右边端口2连接的是有源天线。

左边端口1输出功率给无源天线对外辐射，两个陶瓷天线的镀银面向相对。接收到无源天线辐射的能量。端口2的有源天线模组通电后，端口2 接收的功率和端口1发送的功率之比也是S21。有源天线模组由于有二极放大电路，可以将无源天线辐射过来的功率进行放大。S21越大，就表示有源天线的增益越大，越可以放大无源信号。
但是这里测试使用的是陶瓷天线，是属于定向天线，增益场型是确定的，而且天线模组内部PCB板上有放大电路，增益较大，可以这样操作测得粗略值，但天线无源增益是没办法体现出来的。
有源天线增益的测量在GNSS的应用很重要，毕竟卫星在几百千米高空，手机的天线又比较小，需要放大器电路对微弱的GNSS信号放大，才能实现手机的视频通话上网等等功能。
以上通过不同的测试环境的搭建，来表现出S21的不同含义。将参数S21的增益，损耗、隔离的物理含义通过试验来展现，便于理解。

S参数的多种含义的认识

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