若干电气
元件相互连接形成的系统叫做网络。“网络”可以作为
电路的代名词,“网络分析”就是电路分析,只是平常很少这样说,由此增添了几分神秘色彩。到了射频
通信领域,可以把任何具有一个以上端口的电路单元称为网络,并且常常把这种网络视为“黑箱”,并不去关心电路单元内部是怎么回事,而是给端口加上适当的激励信号,测试电路的反应,从而表征这个网络的特点。射频通信领域常说的“网络分析”,就是这种以端口为界,描绘射频电路性能的工作。
散射参数
为了进一步了解网络分析给我们带来的便利,有必要先了解网络分析的语言——散射参数。图(1)是一个Π型衰减器,图(2)是它的电路图,如何最简单明确的描述它的性能呢?熟悉传统电路分析的人不难想到,可以先把右边的端口开路,然后用万用表测试左边的电阻;再把左边开路,测试右边的电阻。给左边通上适当的电流,然后用电压表测试右边的电压,然后反过来再测试一次。根据这些数据依次得到四个参数:开路输入电阻、开路输出电阻,开路正向传输电阻、开路反向传输电阻。当看到这一堆似曾相识参数之后,您一定会问:这东西与衰减器有啥关系,大家喜闻乐见的衰减量是多少?
图1
图2
这个例子说明,在低频电路上常用的Z参数(开路阻抗参数),用在射频通信领域既不符合习惯,也难以测量。归纳起来,有三个重要原因促使我们选择一种新的参数来描述电路:(1)大多数射频电路不允许端口开路或短路,因为这样做会让电路偏离预定的工作状态;(2)波长很短的时候,即使信号只传播很短距离,也会发生不可忽视的相位移动,使测试计算变得非常困难;(3)需要有一整套方法,能够根据所得到的参数迅速简便的设计电路。基于上述原因,散射参数应运而生。
散射参数(Scattering Parameters)常被简称为
S参数。和阻抗参数类似,对于有两个端口的网络(例如衰减器)而言,它也包括四个部分,用
Sij表示,其中,i表示待检测端口,j表示激励信号的入射端口:
S11:被测器件(device under tes
ting,简称DUT)的一个端口对信号的反射量,又称回波损耗;
S21:信号通过被测器件时产生的变化(幅度和相位变化,又称插损或增益);
S12:信号以相反方向通过被测器件时产生的变化;
S22:被测器件的另一个端口对信号的反射量。
当一个端口在测试时没有被用到时,应接上匹配负载,于是电路能够非常接近正常的工作状态。测量散射参数,只需要了解信号流经被测器件时产生的变化,同时又不会对电路的正常工作造成影响,因此更加简单、直接。后面将要介绍的网络分析仪,就是专门测量散射参数的装置。
通过数学计算,散射参数能够被转换为其它类型的参数。