S參數(shù)的提出和應(yīng)用

S參數(shù)仿真分析傳輸線、史密斯圓圖、電路匹配結(jié)構(gòu)（二）

2/5/2023主要內(nèi)容S參數(shù)的提出及應(yīng)用S參數(shù)仿真技術(shù)概要

S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線史密斯圓圖的提出及應(yīng)用應(yīng)用史密斯圓圖設(shè)計(jì)匹配電路（與使用DesignGuide技術(shù)進(jìn)行對(duì)比）

2/5/2023一、S參數(shù)的提出及應(yīng)用1.1為什么射頻/微波電路設(shè)計(jì)要使用S參數(shù)？

（1）射頻/微波系統(tǒng)使用的元器件與傳輸線的尺寸，與工作波長(zhǎng)可相比擬，電路參數(shù)是分布參數(shù)，傳統(tǒng)模擬電路分析方法不再適用；（2）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參量例如Z參量、Y參量、h參量、ABCD參量需要對(duì)系統(tǒng)采用終端開路、短路的測(cè)量方法。這在射頻/微波系統(tǒng)是不適合的，原因如下：因?yàn)槲⒉娐穮?shù)是分布參數(shù)，存在許多寄生效果，理想的終端開路、短路是不存在的；終端開路、短路構(gòu)成的不連續(xù)性，將在其它端口產(chǎn)生嚴(yán)重的反射電壓、電流波，許多電路是不希望或不允許的，可能會(huì)造成器件損壞的振蕩2/5/2023一、S參數(shù)的提出及應(yīng)用1.2S參數(shù)(散射參數(shù))的定義

2/5/2023一、S參數(shù)的提出及應(yīng)用1.3S參數(shù)的物理意義

采用適當(dāng)?shù)呢?fù)債阻抗ZL=Z0，使2端口負(fù)載與傳輸線特性阻抗Z0匹配，從而測(cè)量S11和S21?；夭〒p耗（dB）：正向功率增益（dB）：2/5/2023一、S參數(shù)的提出及應(yīng)用采用適當(dāng)?shù)呢?fù)債阻抗ZL=Z0，使2端口負(fù)載與傳輸線特性阻抗Z0匹配，從而測(cè)量S11和S21。反向功率增益（dB）：2/5/20232.1S參數(shù)仿真的性質(zhì)與功能二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要S參數(shù)控制器用來確定一個(gè)n端口電子器件在給定頻率下的響應(yīng)信號(hào)波形。它是在考慮其它端口匹配條件下，一類特殊的小信號(hào)交流仿真，通常被用來描述射頻/微波無源元件的特性及確定非線性器件在特定偏壓和溫度下的小信號(hào)特性。

使用S參數(shù)仿真可獲得一個(gè)元件、電路或子網(wǎng)絡(luò)的

計(jì)算S參數(shù)、Y參數(shù)或Z參數(shù)仿真群延時(shí)或線性噪聲仿真如混頻器等非線性電路的小信號(hào)S參數(shù)上的頻率變換效果2/5/20232.2S參數(shù)仿真準(zhǔn)備工作二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要在設(shè)計(jì)中導(dǎo)入元器件模型并正確連線添加并正確設(shè)置S參數(shù)仿真控件，并選定將要分析的數(shù)據(jù)項(xiàng)目對(duì)要分析的端口添加接地的端口阻抗（Term）模塊，設(shè)置相應(yīng)端口阻抗值通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中命名節(jié)點(diǎn)和添加電流表，獲取感興趣節(jié)點(diǎn)處的電壓、電流數(shù)據(jù)2/5/20232.3S參數(shù)仿真控件參數(shù)設(shè)置

二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要

參考《ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例》49-50頁S參數(shù)頻率轉(zhuǎn)換S參數(shù)仿真中只能分析一個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噪聲，例如對(duì)混頻器一類的會(huì)產(chǎn)生多個(gè)頻率分量的非線性電路分析噪聲，將存在瓶頸。此時(shí)，可以設(shè)置S參數(shù)仿真控件Parameters標(biāo)簽頁內(nèi)的ACFrequencyConversion選項(xiàng)有效，仿真器不僅考慮源頻率點(diǎn)，還會(huì)考慮混頻器的邊帶頻率（由用戶指定哪個(gè)邊帶），只能限定一個(gè)邊帶。2/5/20232.4S參數(shù)仿真控件參數(shù)設(shè)置

二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要

參考《ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例》49-50頁，重要補(bǔ)充：

S參數(shù)仿真中只能分析一個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噪聲，例如對(duì)混頻器一類的會(huì)產(chǎn)生多個(gè)頻率分量的非線性電路分析噪聲，將存在瓶頸。此時(shí)，可以設(shè)置S參數(shù)仿真控件Parameters標(biāo)簽頁內(nèi)的ACFrequencyConversion選項(xiàng)有效，仿真器不僅考慮源頻率點(diǎn)，還會(huì)考慮混頻器的邊帶頻率（由用戶指定哪個(gè)邊帶），只能限定一個(gè)邊帶。選中Noise標(biāo)簽頁下的Calculatenoise選項(xiàng)，能夠計(jì)算電路噪聲，即可以計(jì)算端口噪聲，又可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)噪聲，但首先要定義節(jié)點(diǎn)。如果群延時(shí)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)許多毛刺噪聲，可以加大Groupdelayaperture項(xiàng)的值。如果群延時(shí)數(shù)據(jù)感覺不正確，可以減小Groupdelayaperture項(xiàng)的值。通常以10倍量程調(diào)整該值。

2/5/20232.5如何消除仿真中的直流不利影響二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要對(duì)有源電路如放大器進(jìn)行S參數(shù)仿真時(shí)，通常會(huì)使用DC_Block和DC_Feed元件來消除偏置電路對(duì)仿真的不利影響，它們?cè)贒C仿真中也常用到。DC_Block元件是理想隔直電容元件，任何頻率分量都能夠無損耗通過，直流分量完全無法通過。DC_Feed元件是理想隔交流電感元件，直流分量能夠無損耗通過，任何頻率分量都完全無法通過。2/5/20232.6S參數(shù)仿真啟用掃描參量，使用LinearCollapse模塊提高仿真速度

二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要

S參數(shù)仿真中只能分析一個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噪聲，例如對(duì)混頻器一類的會(huì)產(chǎn)生多個(gè)頻率分量的非線性電路分析噪聲，將存在瓶頸。此時(shí)，可以設(shè)置S參數(shù)仿真控件Parameters標(biāo)簽頁內(nèi)的ACFrequencyConversion選項(xiàng)有效，仿真器不僅考慮源頻率點(diǎn)，還會(huì)考慮混頻器的邊帶頻率（由用戶指定哪個(gè)邊帶），只能限定一個(gè)邊帶。2/5/2023二、S參數(shù)仿真技術(shù)概要2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線3.1仿真短路傳輸線

2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線3.2仿真開路傳輸線

2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線3.3仿真?zhèn)鬏斁€

重要結(jié)論：傳輸線長(zhǎng)度如果等于半波長(zhǎng)，則輸入阻抗等于負(fù)載阻抗，與傳輸線的特性阻抗無關(guān)2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線3.4仿真?zhèn)鬏斁€

重要結(jié)論：通過調(diào)整四分之一波長(zhǎng)傳輸線的特性阻抗，可以得到任意值的輸入阻抗。四分之一波長(zhǎng)變換器用于電路的實(shí)阻變換，在匹配電路中經(jīng)常應(yīng)用2/5/2023三、S參數(shù)仿真特殊終端條件傳輸線2/5/2023四、史密斯圓圖的提出及應(yīng)用相量形式的反射系數(shù)用復(fù)數(shù)展開歸一化輸入阻抗用反射系數(shù)實(shí)部、虛部展開輸入阻抗直角坐標(biāo)復(fù)數(shù)平面（實(shí)部、虛部軸正交），通過保角變換，映射為反射系數(shù)圓坐標(biāo)復(fù)數(shù)平面4.1史密斯圓圖的物理意義及建立

2/5/2023四、史密斯圓圖的提出及應(yīng)用阻抗圓圖等電阻圓：串聯(lián)電容、電感等電抗圓：串聯(lián)電阻等反射系數(shù)圓（等駐波比圓）：與負(fù)載連接的傳輸線導(dǎo)納圓圖等電導(dǎo)圓：并聯(lián)電容、電感、開路線、短路線等電納圓：并聯(lián)電阻等反射系數(shù)圓（等駐波比圓）：與負(fù)載連接的傳輸線4.2史密斯圓圖的分類與應(yīng)用場(chǎng)合

史密斯阻抗、導(dǎo)納圓圖是后面學(xué)習(xí)的等噪聲圓圖、穩(wěn)定圓圖、等增益圓圖的基礎(chǔ)，一定要牢固掌握。2/5/2023四、史密斯圓圖的提出及應(yīng)用4.3史密斯阻抗圓圖分別分析串聯(lián)電容、電感、電阻，以及與負(fù)載連接的傳輸線2/5/2023四、史密斯圓圖的提出及應(yīng)用串聯(lián)電容串聯(lián)電阻串聯(lián)電感串聯(lián)傳輸線2/5/2023四、史密斯圓圖的提出及應(yīng)用4.4史密斯阻抗圓圖分別分析并聯(lián)電容、電感、電阻，以及開路、短路傳輸線2/5/2023四、史密斯圓圖的提出及應(yīng)用并聯(lián)電容并聯(lián)電阻并聯(lián)電感并聯(lián)開路線并聯(lián)短路線2/5/2023五、應(yīng)用史密斯圓圖設(shè)計(jì)匹配電路參考《ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例》第三章內(nèi)容注意：