Что такое s параметры четырехполюсника

Современная радиотехника настолько сложная наука, что она уже давно разделилась на несколько отдельных областей знаний, в которых присутствуют похожие и даже тождественные понятия, которые имеют совершенно разные определения. Это приводит к большой путанице. А если учесть тот факт, что некоторые понятия, например понятие «возвратные потери», имеют определение совершенно противоположное своему названию, то это может не слабо напрячь мозг не только радиолюбителя, но и специалиста. Чем же отличаются такие понятия как коэффициент отражения, «возвратные потери», КСВ, S11? Зачем или скорее почему столько схожих понятий? Попробуем разобраться…

Разбираться начнем с S-параметров. Эти параметры были введены как универсальные для анализа любых СВЧ цепей. Такую цепь можно анализировать измеряя падающую и отраженную волны на ее входах/выходах. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей S-параметров, которые зависят от частоты. В общем случае мы можем иметь дело с многополюсником (например СВЧ-сумматор или разветвитель), в котором может присутствовать несколько источников сигнала и несколько нагрузок. Чтобы упростить расчеты, все эти источники и нагрузки заменяются одним понятием — «порт».

Следует отметить, что величина возвратных потерь, выраженная через |S11| всегда меньше единицы (в децибельном выражении всегда отрицательна), ведь отраженная мощность не может превышать падающую. Что логично. Тем не менее, в теории уже давно присутствует понятие с тем же названием RL — «возвратные потери», но определяется оно «вверх тормашками», как отношение падающей мощности к отраженной, и в децибельном выражении величина таких «потерь» всегда положительна. При этом, при КСВ стремящемся к единице такие «возвратные потери» стремятся к бесконечности. У нас идеальный КСВ, а какие то там «потери» просто зашкаливают! Это у кого угодно может вызвать нешуточный разрыв шаблона. На самом деле эта величина характеризует степень ослабления отраженной волны в сравнении с падающей, но какие же это потери/убытки черт возьми! Скорее прибыль. Такое вопиющее несоответствие понятия его определению даже отмечено в Википедии, цитата:

From a certain perspective ‘Return Loss’ is a misnomer. The usual function of a transmission line is to convey power from a source to a load with minimal loss. If a transmission line is correctly matched to a load, the reflected power will be zero, no power will be lost due to reflection, and ‘Return Loss’ will be infinite. Conversely if the line is terminated in an open circuit, the reflected power will be equal to the incident power; all of the incident power will be lost in the sense that none of it will be transferred to a load, and RL will be unity. Thus the numerical values of RL tend in the opposite sense to that expected of a ‘loss’. Wikipedia

Данное определение «возвратных потерь» с большим положительным значением более старое, было введено в обиход еще в 60-х годах прошлого века с легкой руки инженеров фирмы Hewlett Packard. Отказаться от старого очень сложно и споры о том какое определение возвратных потерь правильное, первоначальное от Hewlett Packard или более логичное через S11, в инженерной среде не утихают по сей день. Однако в децибельном выражении они отличаются только знаком и многие даже не обращают внимания на эту коллизию.

Параметр S21/S12 («transmission coefficient») — это отношение волны на выходе устройства к волне на входе. Модуль параметра S21 в теории СВЧ устройств иногда называют «insertion loss» — вносимые потери. В случае нашего примера с линией передач «insertion loss» — это реальные тепловые потери линии. Тут все совпало. Волна в этом случае на самом деле частично рассеялась при прохождении по линии и ее энергия преобразовалась в тепло. Но так бывает не всегда. Например теми же S-параметрами описываются и свойства СВЧ транзисторов. В этом случае S21 — это коэффициент передачи транзистора, близкий по смыслу к параметру h21 — коэффициенту усиления, а не потерь.

В антенне с одним портом мы имеем дело только с одним параметром — S11 или, иначе говоря, со старым добрым теплым-ламповым коэффициентом отражения. Рассчитав в симуляторе или измерив его векторным анализатором мы однозначно можем вычислить и входной импеданс, и полосу пропускания и КСВ антенны. В двухпортовой MIMO антенне S-параметров уже четыре. Причем S21/S12 в этом случае характеризуют развязку между MIMO портами. Вообще в антенной технике энергия должна идти куда надо, т. е. излучаться в пространство, а не «рассеиваться» где ни попадя и «болтаться в проруби» туда сюда между портами и по линиям передач. Поэтому модуль любого S-параметра антенны должен быть минимальным или в децибельном выражении как можно более отрицательным.

Как видим, радиотехника в широком смысле, в силу своей сложности, разделилась на лоскутный набор узких дисциплин. Инженеры, работающие в отдельной такой дисциплине, придумывают для себя удобное для работы понятие, особо не задумываясь, что оно где то в смежной области уже давно изобретено. В итоге одно и тоже явление в разных дисциплинах описывается разными терминами, либо совершенно разные явления названы одним термином. Как в старой доброй сказке «Королевство кривых зеркал». А куда деваться? Так уже сложилось. Нужно просто «понимать глубину наших глубин».

Источник

Параметры рассеяния или S-параметры (элементы матрицы рассеяния или S-матрицы ) описывают электрическое поведение линейных электрических сетей при воздействии различных устойчивых стимулов электрическими сигналами.

S-параметры легко представлены в матричной форме и подчиняются правилам матричной алгебры.

СОДЕРЖАНИЕ

Задний план

Первое опубликованное описание S-параметров было в диссертации Витольда Белевича в 1945 году. Имя, использованное Белевичем, было « матрица передела» и ограничивалось рассмотрением сетей с сосредоточенными элементами. Термин « матрица рассеяния» был использован физиком и инженером Робертом Генри Дике в 1947 году, который независимо развил эту идею во время работы над радаром во время войны. В этих S-параметрах и матрицах рассеяния рассеянные волны представляют собой так называемые бегущие волны. Другой вид S-параметров был введен в 1960-х годах. Последний был популяризирован Канеюки Курокава, который назвал новые рассеянные волны «волнами мощности». Два типа S-параметров имеют очень разные свойства, и их нельзя смешивать. В своей основополагающей статье Курокава четко различает S-параметры мощной волны и обычные S-параметры бегущей волны. Вариантом последнего являются S-параметры псевдобегущей волны.

Следующая информация должна быть определена при указании набора S-параметров:

Матрица S-параметров мощности волны

Определение

Курокава определяет падающую волну мощности для каждого порта как

и отраженная волна для каждого порта определяется как

Иногда полезно предположить, что эталонный импеданс одинаков для всех портов, и в этом случае определения падающей и отраженной волн можно упростить до

Или используя явные компоненты:

Взаимность

Однако свойство 3-портовых сетей состоит в том, что они не могут быть одновременно взаимными, без потерь и идеально согласованными.

Сети без потерь

Сети с потерями

Двухпортовые S-параметры

Матрица S-параметров для 2-портовой сети, вероятно, является наиболее часто используемой и служит основным строительным блоком для создания матриц более высокого порядка для более крупных сетей. В этом случае соотношение между отраженными, падающими волнами мощности и матрицей S-параметров определяется следующим образом:

Раскладывание матриц в уравнения дает:

2-портовые S-параметры имеют следующие общие описания:

Используя это, вышеуказанная матрица может быть расширена более практичным образом.

Свойства S-параметров 2-портовых сетей

Комплексное линейное усиление

Комплексный линейный коэффициент усиления G определяется выражением

Скалярное линейное усиление

Скалярное линейное усиление (или величина линейного усиления) определяется выражением

Это представляет собой величину усиления (абсолютное значение), отношение выходной волны мощности к входной мощности волны, и оно равно квадратному корню из коэффициента усиления мощности. Это действительная (или скалярная) величина, при этом информация о фазе опускается.

Скалярный логарифмический коэффициент усиления

Скалярное логарифмическое (децибел или дБ) выражение для усиления (g):

Вносимая потеря

В случае, если два измерительных порта используют один и тот же опорный импеданс, вносимые потери ( IL ) являются обратной величиной коэффициента передачи | S ₂₁ | выражается в децибелах. Таким образом, это определяется:

Это дополнительные потери, возникающие при размещении испытуемого устройства (ИУ) между двумя эталонными плоскостями измерения. Дополнительные потери могут быть вызваны собственными потерями в DUT и / или несоответствием. В случае дополнительных потерь вносимые потери считаются положительными. Отрицательное значение вносимых потерь, выраженное в децибелах, определяется как вносимое усиление и равно скалярному логарифмическому усилению (см. Определение выше).

Входные возвратные потери

Обратные потери на входе ( RL _in ) можно рассматривать как меру того, насколько близко фактическое входное сопротивление сети к номинальному значению полного сопротивления системы. Входные возвратные потери, выраженные в децибелах, выражаются как

Выходные возвратные потери

Возвратные потери на выходе ( RL _out ) имеют такое же определение, как и возвратные потери на входе, но применяются к выходному порту (порт 2), а не к входному порту. Это дается

Обратное усиление и обратная изоляция

Скалярное логарифмическое (децибел или дБ) выражение для обратного усиления ( ): г р е v <\ displaystyle g _ <\ mathrm > \,>

г р е v знак равно 20 бревно 10 ⁡ | S 12 | <\ displaystyle g _ <\ mathrm > = 20 \ log _ <10>\ left | S_ <12>\ right | \,> дБ.

Часто это выражается как обратная изоляция ( ), и в этом случае она становится положительной величиной, равной величине, и выражение принимает следующий вид: я р е v <\ displaystyle I _ <\ mathrm > \,> г р е v <\ displaystyle g _ <\ mathrm > \,>

я р е v знак равно | г р е v | знак равно | 20 бревно 10 ⁡ | S 12 | | <\ displaystyle I _ <\ mathrm > = \ left | g _ <\ mathrm > \ right | = \ left | 20 \ log _ <10>\ left | S_ <12>\ right | \ right | \,> дБ.

Коэффициент отражения

Коэффициенты отражения являются комплексными величинами и могут быть графически представлены на полярных диаграммах или диаграммах Смита.

Коэффициент стоячей волны напряжения

На входном порте КСВН ( ) определяется как s я п <\ displaystyle s _ <\ mathrm > \,>

На выходном порте КСВН ( ) определяется как s о ты т <\ displaystyle s _ <\ mathrm > \,>

4-портовые S-параметры

4 параметра порта S используются для характеристики 4-портовой сети. Они включают информацию об отраженных и падающих волнах мощности между 4 портами сети.

Они обычно используются для анализа пары связанных линий передачи для определения количества перекрестных помех между ними, если они управляются двумя отдельными несимметричными сигналами, или отраженной и падающей мощности дифференциального сигнала, проходящего через них. Многие спецификации высокоскоростных дифференциальных сигналов определяют канал связи с точки зрения 4-портовых S-параметров, например, 10-гигабитный интерфейс присоединяемых устройств (XAUI), системы SATA, PCI-X и InfiniBand.

4-портовый смешанный режим S-параметров

4-портовые S-параметры смешанного режима характеризуют 4-портовую сеть с точки зрения реакции сети на синфазные и дифференциальные стимулирующие сигналы. В следующей таблице показаны 4-портовые S-параметры смешанного режима.

4-портовый смешанный режим S-параметров

Стимул
Дифференциальный		Синфазный
Порт 1	Порт 2	Порт 1	Порт 2
Ответ	Дифференциальный	Порт 1	SDD11	SDD12	SDC11	SDC12
		Порт 2	SDD21	SDD22	SDC21	SDC22
	Синфазный	Порт 1	SCD11	SCD12	SCC11	SCC12
		Порт 2	SCD21	SCD22	SCC21	SCC22

Первый квадрант определяется как верхние левые 4 параметра, описывающие дифференциальный стимул и характеристики дифференциального отклика тестируемого устройства. Это фактический режим работы для большинства высокоскоростных дифференциальных межсоединений и квадрант, которому уделяется наибольшее внимание. Он включает в себя входные дифференциальные возвратные потери (SDD11), входные дифференциальные вносимые потери (SDD21), выходные дифференциальные возвратные потери (SDD22) и выходные дифференциальные вносимые потери (SDD12). Некоторые преимущества дифференциальной обработки сигналов:

Четвертый квадрант представляет собой четыре нижних правых параметра и описывает рабочие характеристики синфазного сигнала SCCab, распространяющегося через тестируемое устройство. Для правильно спроектированного дифференциального устройства SDDab должен быть минимальный синфазный выход SCCab. Однако данные четвертого квадранта отклика синфазного сигнала являются мерой отклика синфазной передачи и используются в соотношении с откликом дифференциальной передачи для определения отклонения сетевого синфазного сигнала. Это подавление синфазного сигнала является важным преимуществом обработки дифференциального сигнала и может быть уменьшено до одного в некоторых реализациях дифференциальной схемы.

S-параметры в конструкции усилителя

Условия нагрузки порта для безоговорочной стабильности усилителя

Усилитель является безусловно стабильным, если можно подключить нагрузку или источник с любым коэффициентом отражения, не вызывая нестабильности. Это условие возникает, если значения коэффициентов отражения на источнике, нагрузке и на входных и выходных портах усилителя одновременно меньше единицы. Важное требование, которое часто упускается из виду, заключается в том, чтобы усилитель был линейной сетью без полюсов в правой полуплоскости. Нестабильность может вызвать серьезные искажения частотной характеристики усиления усилителя или, в крайнем случае, колебания. Чтобы быть безоговорочно стабильным на интересующей частоте, усилитель должен одновременно удовлетворять следующим 4 уравнениям:

ρ L <\ displaystyle \ rho _ > значения для (круг стабильности выхода) | ρ в | знак равно 1 <\ displaystyle | \ rho _ <\ text > | = 1>

ρ S <\ displaystyle \ rho _ > значения для (круг стабильности входа) | ρ вне | знак равно 1 <\ displaystyle | \ rho _ <\ text > | = 1>

Параметры передачи рассеяния

Параметры передачи рассеяния или Т-параметры 2-портовой сети выражаются матрицей Т-параметров и тесно связаны с соответствующей матрицей S-параметров. Однако, в отличие от S-параметров, не существует простых физических средств для измерения T-параметров в системе, иногда называемых волнами Юлы. Матрица T-параметра связана с падающими и отраженными нормализованными волнами на каждом из портов следующим образом:

Однако их можно определить по-другому, а именно:

Обратите внимание, что умножение матриц не коммутативно, поэтому порядок важен. Как и в случае с S-параметрами, T-параметры представляют собой комплексные значения, и между этими двумя типами существует прямое преобразование. Хотя каскадные T-параметры представляют собой простое матричное умножение отдельных T-параметров, преобразование S-параметров каждой сети в соответствующие T-параметры и преобразование каскадных T-параметров обратно в эквивалентные каскадные S-параметры, которые обычно требуются, нетривиально. Однако после завершения операции будут приняты во внимание сложные полноволновые взаимодействия между всеми портами в обоих направлениях. Следующие уравнения обеспечивают преобразование между параметрами S и T для 2-портовых сетей.

1-портовый S-параметры

Матрицы S-параметров высшего порядка

Например, 3-портовая сеть, такая как 2-полосный разветвитель, будет иметь следующие определения S-параметров

Измерение S-параметров

S-параметры обычно измеряются с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ).

Формат вывода измеренных и скорректированных данных S-параметров

Данные теста S-параметра могут быть предоставлены во многих альтернативных форматах, например: в виде списка, в графическом ( диаграмма Смита или полярная диаграмма ).

Формат списка

Графический (диаграмма Смита)

Графический (полярная диаграмма)

Любой 2-портовый S-параметр может быть отображен на полярной диаграмме с использованием полярных координат.

В любом графическом формате каждый S-параметр на определенной частоте тестирования отображается точкой. Если измерение представляет собой развертку по нескольким частотам, для каждой из них появится точка.

Измерение S-параметров однопортовой сети

Измерение S-параметров сетей с более чем 2 портами

ВАЦ, предназначенные для одновременного измерения S-параметров сетей с более чем двумя портами, возможны, но быстро становятся чрезмерно сложными и дорогими. Обычно их покупка не оправдана, поскольку требуемые измерения могут быть получены с использованием стандартного 2-портового калиброванного векторного анализатора цепей с дополнительными измерениями с последующей правильной интерпретацией полученных результатов. Требуемая матрица S-параметров может быть собрана из последовательных измерений двух портов поэтапно, по два порта одновременно, в каждом случае с подключением неиспользуемых портов к нагрузкам высокого качества, равным импедансу системы. Один из рисков этого подхода заключается в том, что обратные потери или КСВН самих нагрузок должны быть соответствующим образом определены, чтобы быть как можно ближе к идеальным 50 Ом или какому-либо другому номинальному импедансу системы. Для сети с большим количеством портов может возникнуть соблазн из-за стоимости неадекватно указать КСВ нагрузок. Потребуется некоторый анализ, чтобы определить, каким будет наихудший допустимый КСВ для нагрузок.

Источник

Что такое s параметры четырехполюсника

Источники питания электронной аппаратуры, импульсные и линейные регуляторы. Топологии AC-DC, DC-DC преобразователей (Forward, Flyback, Buck, Boost, Push-Pull, SEPIC, Cuk, Full-Bridge, Half-Bridge). Драйвера ключевых элементов, динамика, алгоритмы управления, защита. Синхронное выпрямление, коррекция коэффициента мощности (PFC)

Обратная Связь, Стабилизация, Регулирование, Компенсация

Организация обратных связей в цепях регулирования, выбор топологии, обеспечение стабильности, схемотехника, расчёт

Первичные и Вторичные Химические Источники Питания

Li-ion, Li-pol, литиевые, Ni-MH, Ni-Cd, свинцово-кислотные аккумуляторы. Солевые, щелочные (алкалиновые), литиевые первичные элементы. Применение, зарядные устройства, методы и алгоритмы заряда, условия эксплуатации. Системы бесперебойного и резервного питания

Высоковольтные выпрямители, умножители напряжения, делители напряжения, высоковольтная развязка, изоляция, электрическая прочность. Высоковольтная наносекундная импульсная техника

Электрические машины, Электропривод и Управление

Электропривод постоянного тока, асинхронный электропривод, шаговый электропривод, сервопривод. Синхронные, асинхронные, вентильные электродвигатели, генераторы

Технологии, теория и практика индукционного нагрева

Системы Охлаждения, Тепловой Расчет – Cooling Systems

Охлаждение компонентов, систем, корпусов, расчёт параметров охладителей

Моделирование и Анализ Силовых Устройств – Power Supply Simulation

Моделирование силовых устройств в популярных САПР, самостоятельных симуляторах и специализированных программах. Анализ устойчивости источников питания, непрерывные модели устройств, модели компонентов

Силовые полупроводниковые приборы (MOSFET, BJT, IGBT, SCR, GTO, диоды). Силовые трансформаторы, дроссели, фильтры (проектирование, экранирование, изготовление), конденсаторы, разъемы, электромеханические изделия, датчики, микросхемы для ИП. Электротехнические и изоляционные материалы.

Интерфейсы

Форумы по интерфейсам

все интерфейсы здесь

Поставщики компонентов для электроники

Поставщики всего остального

от транзисторов до проводов

Компоненты

Закачка тех. документации, обмен опытом, прочие вопросы.

Майнеры криптовалют и их разработка, BitCoin, LightCoin, Dash, Zcash, Эфир

Обсуждение Майнеров, их поставки и производства

наблюдается очень большой спрос на данные устройства.

Встречи и поздравления

Предложения встретиться, поздравления участников форума и обсуждение мест и поводов для встреч.

Ищу работу

Предлагаю работу

нужен постоянный работник, разовое предложение, совместные проекты, кто возьмется за работу, нужно сделать.

Куплю

микросхему; устройство; то, что предложишь ты 🙂

Продам

Объявления пользователей

Тренинги, семинары, анонсы и прочие события

Общение заказчиков и потребителей электронных разработок

Обсуждение проектов, исполнителей и конкурсов

Источник

Параметры четырехполюсника

При анализе работы транзистора обычно пользуются его эквивалентными схемами, составленными для переменных составляющих токов.

Эквивалентная схема, независимо от схемы включения транзистора, имеет два входных и два выходных зажима, между которыми включен ряд линейных активных и реактивных сопротивлений, т. е. представляет собой так называемый линейный четырехполюсник ( рис. 89 ).

Рис. 89. Замена транзистора четырехполюсником.

Четырехполюсник характеризуют входными и выходными токами и напряжениями, которые измеряются в двух режимах: при разомкнутых выходных зажимах 2—2 (режим холостого хода) и при замкнутых накоротко зажимах 2—2 (режим короткого замыкания).

При анализе и расчете схем на транзисторах часто используют y-параметры, которые имеют размерность проводимости и определяются при коротком замыкании на входе и выходе. В системе y-параметров уравнения четырехполюсника имеют следующий вид:

i 1 = y 11 u 1 + y 12 u 2 ;
i 2 = y 21 u 1 +y 22 u 2 (123)

При закороченном входе, когда u 1 = 0, можно определить

	(124)
	(125)

а при закороченном выходе, когда u 2 = 0,

	(126)
	(127)

у 11 — входная проводимость транзистора, в зависимости от режима работы имеет величину порядка от тысячных до десятитысячных 1/ом; y 22 — выходная проводимость транзистора, величина порядка десятков мкмо; у 21 — прямая проводимость транзистора, величина порядка десятых или сотых долей ом; у 12 — обратная проводимость транзистора, величина порядка единиц мкмо.

Характеристические параметры четырехполюсника можно выразить через первичные параметры транзистора и при включении последнего по схеме с общим эмиттером, и по схеме с общим коллектором.

Эквивалентная Т-образная схема транзистора с общим эмиттером для низких частот приведена на рис. 92.

Рис. 92. Т-образная эквивалентная схема транзистора с общим эмиттером.

Для входной и выходной цепей эквивалентной схемы уравнения, составленные в соответствии со вторым законом Кирхгофа, имеют вид

(128)

то последнее уравнение можно переписать в форме

Сравнивая уравнения (128) и (129) с уравнениями (101 ), полученными для четырехполюсника, нетрудно прийти к выводу, что для схемы с общим эмиттером

(130)

а для схемы с общим коллектором

(131)

Кроме перечисленных параметров транзисторов имеется еще ряд других не менее важных параметров, которые приводятся в паспортах транзисторов. К ним относятся:

Параметр I к.о характеризует качество транзистора: чем меньше обратный ток коллектора, тем лучше транзистор. При комнатной температуре величина Iк.o обычно составляет несколько микроампер.

Источник

• ← На уроке учительница спросила что означает масштаб