R&S®ESSENTIALS | Fondamenti degli analizzatori di reti vettoriali e di spettro

Comprensione dei parametri S

Autore: Paul Denisowski, Product Management Engineer

I parametri di diffusione, o di scattering (parametri S), sono un modo per rappresentare le caratteristiche RF di una rete elettrica. Sono essenziali per comprendere la quantità di segnale riflessa, trasmessa o trasferita tra le porte di una rete. I parametri S sono valori complessi rappresentati con un'ampiezza e una fase, entrambi importanti per fornire una descrizione completa del segnale.

Una rete è un dispositivo con una o più porte, in cui ciascuna porta può far passare, assorbire e/o riflettere l'energia RF. Le reti sono classificate in base al numero di porte di cui dispongono:

Una porta: gli esempi includono un'antenna o un carico fittizio
Due porte: gli esempi includono un filtro o un amplificatore
Tre porte: gli esempi includono un accoppiatore direzionale o un mixer

Le reti vengono analizzate iniettando un segnale RF in una determinata porta e misurando il livello di segnale RF che appare su quella porta (riflessa) e/o su altre porte. In genere, viene iniettato un solo segnale in una porta alla volta e le misure vengono effettuate su una gamma di frequenze.

Lo strumento che viene normalmente utilizzato per analizzare una rete è, ovviamente, chiamato analizzatore di reti. Un analizzatore di reti misura il comportamento dei segnali nei componenti e nei sistemi elettrici analizzando i parametri di diffusione (parametri S).

Vista frontale dell'analizzatore di reti vettoriali R&S®ZNL, con schermo e pannello di controllo

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Cosa sono i parametri S?

I parametri S sono un modo per rappresentare le caratteristiche della rete RF. Descrivono la quantità di segnale riflessa, trasmessa o trasferita tra le porte di una rete.

Un parametro S è indicato con la lettera "S" seguita da una coppia di pedici, in cui il primo pedice indica la porta di uscita e il secondo indica la porta di ingresso. Per esempio:

se l'energia entra attraverso la porta 1 ed emerge dalla porta 1, il parametro S è denominato S11.
Se l'energia entra attraverso la porta 1 ed emerge dalla porta 2, il parametro S è denominato S21.
Se l'energia entra attraverso la porta 2 ed emerge dalla porta 3, il parametro S è denominato S32 e così via.

Denominazione dei parametri S

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Una rete a due porte ha quattro parametri S:

S₁₁ è il coefficiente di riflessione in ingresso. Misura la porzione del segnale di ingresso sulla porta 1 che viene riflessa sulla porta 1. Questo parametro indica la quantità di segnale di ingresso riflessa a causa del disadattamento di impedenza.
S₂₁ è il coefficiente di trasmissione diretto. Misura la porzione del segnale di ingresso sulla porta 1 che viene trasmessa alla porta 2. Questo parametro indica l'efficienza della trasmissione del segnale dall'ingresso all'uscita.
S₁₂ è il coefficiente di trasmissione inversa. Misura la porzione del segnale di ingresso sulla porta 2 che viene trasmessa alla porta 1. Questo parametro indica in che misura la porta 1 è isolata dai segnali che entrano nella porta 2.
S₂₂ è il coefficiente di riflessione in uscita. Misura la porzione del segnale di ingresso sulla porta 2 che viene riflessa sulla porta 2. Questo parametro indica la quantità di segnale di uscita riflessa a causa del disadattamento dell'impedenza in uscita.

Parametri S in una rete a due porte.

Parametri S in una rete a due porte

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Rappresentazione dei parametri S

I parametri S sono valori complessi, nel senso che hanno componenti sia di ampiezza che di fase. L'ampiezza indica la quantità di segnale trasmessa o riflessa, mentre la fase indica come viene alterata la temporizzazione del segnale. Entrambi i componenti sono necessari per una descrizione completa del comportamento del segnale.

I parametri S possono essere rappresentati da matrici N per N, dove "N" è il numero di porte nella rete. Ogni elemento della matrice, Sxy, rappresenta i parametri di diffusione dalla porta y alla porta x. Poiché Sxy è un numero complesso, la matrice fornisce:

Un layout strutturale delle interazioni tra le porte della rete
Informazioni dettagliate sulla grandezza e sulla fase per ogni interazione

Matrice N per N per una rete a due porte.

Matrice N per N per una rete a due porte

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Un altro modo per rappresentare i parametri S è con una carta di Smith, uno strumento grafico utilizzato principalmente per rappresentare i coefficienti di riflessione. La carta di Smith aiuta a visualizzare come l'impedenza di una rete varia con la frequenza. La rappresentazione grafica dei componenti reali e immaginari dei coefficienti di riflessione su una carta di Smith fornisce un quadro chiaro dell'adattamento d'impedenza, fondamentale per ridurre al minimo le riflessioni e ottimizzare il trasferimento di potenza.

Esempio di carta di Smith.

Esempio di carta di Smith

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I parametri S possono essere messi in cascata per prevedere la risposta complessiva di una serie di reti connesse. In altre parole, quando due o più reti sono collegate in serie, i loro singoli parametri S possono essere combinati matematicamente per determinare i parametri S totali della rete combinata. La capacità di collegare in cascata i parametri S e prevedere il comportamento del sistema si basa sulla loro rappresentazione complessa e sul formato matriciale, che consentono l'analisi di sistemi più complessi composti da più stadi.

Riassunto

Una rete è un dispositivo con una o più porte, in cui ciascuna porta può riflettere, trasmettere e/o assorbire energia RF.
I parametri S sono il metodo standard per quantificare le caratteristiche della rete.
I parametri S vengono misurati iniettando potenza in una porta e misurando la potenza su quella e altre porte.
I parametri S sono valori complessi, ossia cambiano con la frequenza.
"Sxy" è il formato di denominazione dei parametri S, dove x e y sono rispettivamente le porte di uscita e di ingresso.
Gli analizzatori di reti vengono utilizzati per analizzare le reti misurando i parametri S.

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