R&S®ESSENTIALS | Теоретические основы анализаторов спектра и векторных анализаторов цепей

Основы коэффициентов рассеяния

Автор: Пауль Денисовски (Paul Denisowski), инженер отдела управления продукцией

Коэффициенты рассеяния являются способом представления ВЧ-характеристик цепи. Эти важные параметры описывают, какая доля сигнала отражается, а какая доля сигнала передается между портами цепи. Коэффициенты рассеяния — это комплексные значения с составляющими амплитуды и фазы, которые требуются для полного описания сигнала.

Цепь — это устройство с одним или несколькими портами, при этом каждый порт может пропускать, поглощать и/или отражать ВЧ-энергию. В зависимости от количества портов цепи разделяются на следующие категории:

Один порт: например, антенна или эквивалентная нагрузка.
Два порта: например, фильтр или усилитель.
Три порта: например, направленный ответвитель или смеситель.

Цепи анализируются путем подачи ВЧ-сигнала на определенный порт и измерения уровня ВЧ-сигнала на данном порте (отражение) и/или других портах. Как правило, за одну единицу времени подается только один сигнал на один порт и выполняются измерения в диапазоне частот.

Для анализа цепей применяется анализатор цепей. Этот прибор измеряет характеристики сигналов в электрических компонентах и системах путем анализа коэффициентов рассеяния.

Векторный анализатор цепей R&S®ZNL, вид спереди, дисплей и панель управления

/

Что такое коэффициенты рассеяния?

Коэффициенты рассеяния являются способом представления ВЧ-характеристик цепи. Они описывают, какая доля сигнала отражается, а какая доля сигнала передается между портами цепи.

Каждый коэффициент рассеяния обозначается буквой S с числовым индексом, в котором первая цифра обозначает выходной порт, а вторая цифра обозначает входной порт. Пример:

Если энергия поступает на порт 1 и выходит из порта 1, коэффициент рассеяния = S11.
Если энергия поступает на порт 1 и выходит из порта 2, коэффициент рассеяния = S21.
Если энергия поступает на порт 2 и выходит из порта 3, коэффициент рассеяния = S32 и т. д.

Обозначение коэффициентов рассеяния

/

Двухпортовая цепь имеет четыре коэффициента рассеяния.

S₁₁ — входной коэффициент отражения. Он определяет, какая доля входного сигнала на порте 1 отражается обратно на порт 1 по причине рассогласования импеданса.
S₂₁ — коэффициент передачи в прямом направлении. Он определяет, какая доля входного сигнала на порте 1 передается на порт 2. Данный параметр характеризует эффективность передачи сигнала со входа на выход.
S₁₂ — коэффициент передачи в обратном направлении. Он определяет, какая доля входного сигнала на порте 2 передается на порт 1. Данный параметр характеризует эффективность защиты порта 1 от поступления сигналов с порта 2.
S₂₂ — выходной коэффициент отражения. Он определяет, какая доля входного сигнала на порте 2 отражается обратно на порт 2 по причине рассогласования импеданса на выходе.

Коэффициенты рассеяния в двухпортовой цепи.

Коэффициенты рассеяния в двухпортовой цепи

/

Представление коэффициентов рассеяния

Коэффициенты рассеяния — это комплексные значения с составляющими амплитуды и фазы. Амплитуда определяет, какая доля сигнала передается или отражается, а фаза характеризует изменение синхронизации сигнала. Обе составляющие необходимы для полного описания сигнала.

Коэффициенты рассеяния можно представлять в виде матрицы NхN, где N = количество портов в цепи. Каждый элемент матрицы — Sxy — представляет коэффициент рассеяния между портом y и портом x. Sxy является комплексным числом, поэтому матрица предоставляет следующую информацию:

Общая структура цепи и взаимодействие между портами
Амплитуда и фаза для каждого взаимодействия

Матрица NxN для двухпортовой цепи.

Матрица NxN для двухпортовой цепи

/

Для представления коэффициентов рассеяния также можно использовать круговую диаграмму Смита. Этот графический инструмент в основном применяется для визуализации коэффициентов отражения. Диаграмма Смита наглядно отображает изменение импеданса цепи в зависимости от частоты. Путем нанесения вещественных и мнимых составляющих коэффициентов отражения на диаграмму Смита можно получить четкую картину согласования импедансов, что очень важно для сведения отражений к минимуму и оптимизации передачи мощности.

Пример диаграммы Смита.

Пример диаграммы Смита

/

Коэффициенты рассеяния можно каскадировать, чтобы предсказывать общие характеристики нескольких последовательно включенных цепей. Другими словами, если две цепи или более объединены в последовательную схему, коэффициенты рассеяния каждой цепи можно математически суммировать для определения общих коэффициентов рассеяния комбинированной цепи. Каскадирование коэффициентов рассеяния и предсказание характеристик системы в целом возможно благодаря сложному представлению в виде матрицы, которое позволяет проводить анализ сложных многокаскадных систем.

Заключение

Цепь — это устройство с одним или несколькими портами, при этом каждый порт может пропускать, поглощать и/или отражать ВЧ-энергию.
Коэффициенты рассеяния служат стандартным способом количественного определения характеристик цепи.
Коэффициенты рассеяния измеряются путем подачи сигнала на один порт и измерения этого сигнала на данном и других портах.
Коэффициенты рассеяния являются комплексными значениями, которые изменяются в зависимости от частоты.
Каждый коэффициент рассеяния обозначается как Sxy, где x = выходной порт, а y = входной порт.
Анализаторы цепей применяются в целях анализа цепей путем измерения коэффициентов рассеяния.

Хотите узнать больше?

Свяжитесь с нами

Связанные продукты