大信号S参数测量

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1、实用射频测试和测量－大信号S参数测量第12章大信号S参数测量12.1.概述说到射频器件的S参数测量，读者可能马上会联想到矢量或标量网络分析仪，但可能很少会把网络分析仪和大信号联系起来。虽说大信号条件下的S参数测量并不是新鲜话题，之所以单独列出一个章节来讨论，是因为笔者在工作中经常遇到这类问题。就像本书的书名一样，从实用角度出发，乃是本书的基调。12.2.回顾S参数S参数即散射（Scattering）参数，其概念是在二十世纪六十年代提出并被业界所接受。如果我们任意取一个N端口的射频网络，而并不知道其中是一个什么样的电路结构，也就是一个“黑盒子”，将一个

2、射频信号输入到一个端口时，会发生什么呢？不难想象，这个输入到多端口网络的射频信号会出现三种情况：其中一部分信号会从输入端被反射回来，一部分信号会出现在其它端口（这部分信号也有可能被放大），还有一部分信号在传输过程中通过热辐射或电磁辐射的方式耗散掉了。当信号通过网络后，其幅度和相位均发生了变化，用S参数可以精确描述上述多端口网络中射频能量的传播和反射特性。S参数被定义为在给定频率和系统阻抗的条件下，任何非理想多端口网络的传输和反射特性。S参数描述了输入到一个N端口的信号到其中每个端口的响应。S参数下标中的第一位数字代表响应端，第二位数字代表激励端。如S

3、21表示端口2相对于端口1输入信号的响应；S11代表端口1相对于端口1的输入信号的响应。我们以图12.1所示的通用二端口网络为例来说明S参数的定义。其中输入到网络的信号标注为a，离开网络的信号标注为b。aa12端口1S端口2bb12二端口网络图12.1通用的双端口S参数网络在图12.1中，如果信号发生器接到端口1，端口2接匹配负载，则二端口网络的入射波为a1，从网络返回端口1的反射波为b1；通过网络到端口2的信号为b2，从负载返回网络的反射波为a2（对于匹配负载，这个反射波数值为零）。用这些电压波定义的端口1的S参数为：b1S(12.1)11a

4、1a201/10©1998-2009BXT™Technologies实用射频测试和测量－大信号S参数测量b2S(12.2)21a1a20其中S11表示当端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数；S21表示当端口2接匹配负载时，从端口1到端口2的传输系数，即增益或损耗。把图12.1中的信号发生器移到端口2，而端口1接匹配负载，则二端口网络的入射波为a2，从网络返回端口2的反射波为b2；通过网络到端口1的信号为b1，从负载返回网络的反射波为b2。用这些电压波定义的端口2的S参数为：b2S(12.3)22a2a10b1S(12.4)12a2a1

5、0其中S22表示当端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数；S12表示当端口1接匹配负载时，从端口2到端口1的传输系数，即反向隔离或损耗。二端口网络的S矩阵表示如下：ba11S(12.5)ba22其中S11S12S(12.6)SS2122如果要测量S11，我们会向端口1注入信号并测量端口1反射信号，在这种情况下，端口2是没有信号输入的，所以在式12.1中，a2=0。如果要测量S21，则向端口1注入信号，并测量出现在端口2的信号。同样，测量S22时，会向端口2注入信号并测量端口2的反射信号，此时端口1

6、没有信号输入，所以在式12.3中，a1=0。如果要测量S12，则向端口2注入信号，并测量出现在端口1的信号。对于单端口网络，S矩阵表示为：SS(12.7)11三端口网络的S矩阵为：S11S12S13SSSS(12.8)212223SSS3132332/10©1998-2009BXT™Technologies实用射频测试和测量－大信号S参数测量在大多数情况下，更多关心的是信号幅度的变化，在本章后续部分的讨论中，也仅关心信号幅度的变化。12.3.为什么要测量射频器件的大信号S参数?如果没有特别说明，我们通常所说的S参数

7、一般指小信号S参数。大部分情况下，测试者只关心小信号条件下射频和微波网络的S参数。对于有源器件（如放大器），小信号是指其尚未到达压缩点；而对于无源器件，通常认为其在额定功率条件下都是线性的。相对于小信号，大信号条件下的S参数发生了变化。以下是无源器件和有源器件的二个案例。12.3.1.无源器件的“功率系数”－S21的变化通常情况下，认为无源器件是完全线性的，在额定功率的条件下，其S参数是不变的。但是就像无源器件会产生互调失真一样，工程上的发现有时会与人们的习惯思维有所出入。在上节的开始部分提到S参数的现象时说到一个信号输入到多端口网络时，其中一部分能

8、量会变成热量耗散掉。事实的确如此，当一些无源器件如衰减器、隔离器和滤波器等，在大功率的作用下，其S21会发生