Кіріспе

Сызықтық электр тізбегінің мінез-құлқын сипаттайтын шамалар

Шағылысу параметрлері немесе S параметрлері (шағылысу матрицасының элементтері немесе S матрицасы) сызықтық электр желілерінің электр сигналдарының әртүрлі тұрақты күйдегі әсерлеріне жауап беру кезіндегі электрлік мінез-құлқын сипаттайды. Бұл параметрлер электротехниканың бірнеше салаларында пайдалы, соның ішінде электроника, байланыс жүйелерін жобалау және әсіресе микротолқынды инженерияда. S параметрлері ұқсас параметрлер отбасының мүшелері болып табылады, мысалы: Y параметрлері, Z параметрлері, H параметрлері, T параметрлері немесе ABCD параметрлері. Олар басқалардан ерекшеленеді, себебі S параметрлері сызықтық электр желісінің сипаттамасын беру үшін ашық немесе қысқа тұйықталу шарттарын қолданбайды; оның орнына, сәйкес келетін жүктер қолданылады. Мұндай жүктерді ашық және қысқа тізбектерге қарағанда жоғары жиілікте қолдану оңайырақ. Көптеген адамдардың қате пікіріне қарамастан, бұл шамалар қуатпен өлшенбейді (қазіргі кезде қолданылмайтын алты порты бар желілік анализаторларды есептемегенде). Заманауи векторлық желілік анализаторлар, цифрлық түрде модуляцияланған сымсыз сигналдарды демодуляциялау үшін қолданылатын тізбелерді пайдалана отырып, кернеудің жүретін толқынының фазорларының амплитудасы мен фазасын өлшейді. Индукторлар, конденсаторлар, резисторлар сияқты компоненттер желілерінің көптеген электрлік қасиеттерін, мысалы, күшейту, кері шығын, кернеудің тұрақты толқынының коэффициенті (VSWR), шағылысу коэффициенті және күшейткіштің тұрақтылығы сияқты S параметрлерін қолдана отырып беруге болады. "Шашырау" термині радиожиіліктік инженерияға қарағанда оптикалық инженерияда көбірек қолданылады, ол жазық электромагниттік толқын кедергіге соқтығысқанда немесе әртүрлі диэлектрлік ортадан өткенде байқалатын әсерді білдіреді. S параметрлерінің контекстінде шашырау – бұл желіге қосылған кезде пайда болатын үзіліске тап болғанда, беріліс желісіндегі жүретін ток пен кернеуге тигізетін әсер. Бұл толқынның желінің сипаттамалық кедергісінен өзгеше кедергіге соқтығысуымен тең. Кез келген жиілікте қолданылса да, S параметрлері көбінесе радиожиіліктік (RF) және микротолқындық жиіліктерде жұмыс істейтін желілер үшін қолданылады. Көптеген жағдайларда қолданылатын әдеттегі S параметрлері – сызықтық шамалар (төменде аталған "қуат толқындары" тәсіліндегідей қуат шамалары емес, %E9%BB%92%E5%B7%9D%E5%85%BC%E8%A1%8C (黒川兼行) еңбектерінде көрсетілгендей). S параметрлері өлшеу жиілігіне байланысты өзгереді, сондықтан кез келген S параметрінің өлшеу жиілігін, сипаттамалық немесе жүйелік кедергіге қоса көрсету қажет. S параметрлерін матрицалық түрде көрсету оңай, және олар матрицалық алгебра ережелеріне бағынады.

Өзара тиімділік

Егер желі пассивті болса және жіберілетін сигналға әсер ететін тек өзара әрекеттесетін материалдарды ғана қамтитын болса, онда ол өзара болады. Мысалы, әлсідеткіштер, кабельдер, бөлігіштер және біріктіргіштер – барлығы өзара желілер, және әр жағдайда S параметрлерінің матрицасы оның транспозыциясына тең болады. Жіберу ортасында магниттік қасиеттері бар ферриттік компоненттерді қамтитын, сияқты өзара әрекеттеспейтін материалдарды қамтитын желілер өзара емес болады. Күшейткіш – өзара емес желіге тағы бір мысал. Дегенмен, 3 портты желілердің ерекшелігі – олар бір уақытта өзара, шығынсыз және толық сәйкес бола алмайды.

Жоғалмайтын желілер

Жоғалмайтын желі – ешқандай қуатты ысырапқа жібермейтін желі, яғни: Барлық порттарға түсетін қуаттардың жалпы қосындысы, барлық порттардан шығатын (мысалы, «кері шағылысқан») қуаттардың жалпы қосындысына тең болады. Бұл S-параметрлер матрицасы унитарлы екенін көрсетеді, яғни , мұндағы – матрицаның конъюгатты транспозы, ал – бірлік матрицасы.

Жоғалған желілер

Жоғалғыш пассивтік желі – барлық порттарға түсетін қуаттардың қосындысы, барлық порттардан шығатын (мысалы, «кері шағылысқан») қуаттардың қосындысынан артық болатын желі. Осылайша, ол қуатты таратып шығарады: демек, және оң белгілі.

Екі портты желілердің S-параметрлік қасиеттері

Сызықтық (кіші сигнал) жағдайларда жұмыс істейтін күшейткіш – өзара байланыссыз желіге жақсы мысал, ал келістірілген әлсіретуіш – өзара байланыс желісінің мысалы. Бұдан әрі, кіріс және шығыс қосылымдары тиісінше 1 және 2 порттарға жалғанады деп есептейміз, бұл – ең көп қолданылатын қағида. Жүйенің номиналды кедергісі, жиілігі және құрылғыға әсер ете алатын басқа да факторлар, мысалы температура, көрсетілуі керек.

Кірірілу жоғалуы

Егер екі өлшеу порты бірдей эталондық кедергіні қолданса, ену жоғалтуы (IL) – беріліс коэффициентінің шамасының кері шамасы, децибелмен көрсетілген. Осылайша ол: dB арқылы беріледі. Бұл – өлшеудің екі эталондық жазықтығы арасына сыналатын құрылғыны (DUT) енгізуден туындайтын қосымша жоғалту. Қосымша жоғалту DUT-тағы ішкі жоғалтудан және/немесе сәйкес келмеуден болуы мүмкін. Егер қосымша жоғалту болса, ену жоғалтуы оң деп анықталады. Децибелмен көрсетілген ену жоғалтуының теріс мәні ену пайдасы деп анықталады және скалярлық логарифмдік пайдаға тең (жоғарыдағы анықтаманы қараңыз).

Кірісті қайтару шығындары

Кірістік қайтару шығыны (RLin) – желінің нақты кіріс кедергісінің жүйелік кедергінің номиналды мәніне қаншалықты жақын екенін көрсететін өлшем ретінде қарастырылуы мүмкін. Децибелмен берілген кірістік қайтару шығыны мына формуламен есептеледі:

dB. Пассивті екіпортты желілерде , болған жағдайда, қайтару шығыны теріс емес шама болады: RLin ≥ 0. Алайда, кейде қайтару шығыны жоғарыда көрсетілген шаманың теріс мәні ретінде қолданылады, бірақ бұл қолдану, шығынның анықтамасына сәйкес келмейді және қате болып саналады.

Шығыстың қайтару шығындары

Шығудағы қайтару шығыны (RLout) кіріс портының орнына шығыс портына (2 порт) қатысты анықталған, кіріс қайтару шығынымен ұқсас. Ол мына арқылы беріледі:

dB.

4 портты S-параметрлері

4 портты S параметрлері 4 порттық желілерді сипаттау үшін қолданылады. Олар желінің 4 порты арасындағы шағылысқан және келіп түскен қуат толқындары туралы ақпаратты қамтиды. Екі жекеленген бір ұшты сигналмен басқарылатын жағдайда, екі байланысқан тарату желілерінің арасындағы кедергіні анықтауға немесе олар арқылы берілетін дифференциалдық сигналдың шағылысқан және келіп түскен қуатын бағалауға олар жиі қолданылады. Көптеген жоғары жылдамдықты дифференциалдық сигналдардың техникалық талаптары байланыс арнасын 4 портты S параметрлері арқылы анықтайды, мысалы 10 гигабиттік қосылым бірлігінің интерфейсі (XAUI), SATA, PCI X және InfiniBand жүйелері.

Көшейткіш конструкциясындағы S-параметрлері

Кері оқшаулау параметрі күшейткіштің шығысынан кіріске кері байланыс деңгейін анықтайды, сондықтан оның тұрақтылығына (қозғалысқа қарсы тұру қабілетіне) және алға бағытталған күшейтуге әсер етеді. Егер күшейткіштің кіріс және шығыс порттары бір-бірінен толығымен оқшауланған болса, онда оның скалярлық логарифмдік шамасы шексіз болады немесе сызықтық шамасы нөлге тең болады. Мұндай күшейткіш бір жақты деп аталады. Бірақ, көптеген практикалық күшейткіштерде белгілі бір деңгейде оқшаулау болады, бұл кірісте "көрінетін" шағылысу коэффициентіне шығысқа қосылған жүктеме белгілі бір дәрежеде әсер етеді. Ең кішкентай мәнге ие болу үшін арнайы жасалған күшейткіштер көбінесе буферлік күшейткіштер деп аталады. Егер нақты (бір жақты немесе екі жақты емес) күшейткіштің шығыс порты кез келген жүктемеге шағылысу коэффициентімен қосылған болса, кіріс портында "көрінетін" нақты шағылысу коэффициенті былай беріледі.

Егер күшейткіш бір жақты болса, онда немесе, басқаша айтқанда, шығыс жүктемесі кіріске әсер етпейді. Сол сияқты қасиет кері бағытта да бар, яғни егер шығыс портында көрінетін шағылысу коэффициенті болса және кіріс портына қосылған көздің шағылысу коэффициенті болса.

Көшейткіштің шартты түрде тұрақты болуына арналған портты жүктеу шарттары

Күшейткіш, егер кез келген шағылысу коэффициентіне ие жүктеме немесе көз тұрақсыздық тудырмай қосылуы мүмкін болса, шартсыз тұрақты болып табылады. Бұл жағдай көзде, жүктемеде және күшейткіштің кіріс және шығыс порттарындағы шағылысу коэффициенттерінің шамасы бір мезгілде бірліктен кем болғанда туындайды. Көбінесе естен шығарылатын маңызды талап – күшейткіштің оң жарты жазықтықта полюстері жоқ сызықтық желі болуы. Тұрақсыздық күшейткіштің күшейту жиіліктерінің сипаттамасын күрт бұрмалауға немесе, ең нашар жағдайда, өзіндік тербеліске алып келуі мүмкін. Белгілі бір жиілікте шартсыз тұрақты болу үшін күшейткіш келесі 4 теңдеуді бірдей қанағаттандыруы керек:

Осы мәндердің әрқайсысы бірлікке тең болғандағы шекаралық шартты полярлық диаграммада (кешенді) шағылысу коэффициентін көрсететін шеңбермен бейнелеуге болады, біреуі кіріс порты үшін, екіншісі шығыс порты үшін. Көбінесе бұл шеңберлер Смит диаграммалары түрінде ұсынылады. Әр жағдайда шеңбер ортасының координаталары мен оған сәйкес радиус келесі теңдеулермен анықталады:

1-портты S-параметрлері

1 портты желі үшін S параметрі қарапайым 1 × 1 матрица түрінде беріледі, мұнда n – тағайындалған порт нөмірі. S параметрінің сызықтылық анықтамасына сәйкес болу үшін, бұл әдетте қандай да бір типтегі пассивті жүктеме болады. Антенна – бұл бір портты желі, оның кішкентай мәндері антеннаның қуатты сәулелендіретінін немесе таратып/сақтайтынын көрсетеді.

S-параметрлерді өлшеу

S параметрлері ең көп қолданылатыны векторлық желі анализаторымен (VNA) өлшенуімен.

Өлшенген және түзетілген S-параметр деректерінің шығыс форматы

S параметрін сынау деректері көптеген балама форматтарда ұсынылуы мүмкін, мысалы: тізім, графикалық түрде (Смит диаграммасы немесе полярлық диаграмма).

Графикалық (Смит диаграммасы)

Кез келген 2 портты S параметрін полярлық координаттарды қолдана отырып, Смит диаграммасында көрсетуге болады, бірақ ең мағыналысы – S11 және S22, себебі олардың кез келгенін жүйе импедансына сәйкес келетін Смит диаграммасының сипаттамалық импедансы (немесе өткізгіштігі) масштабын пайдалана отырып, эквивалентті нормаланған импедансқа (немесе өткізгіштікке) тікелей түрлендіруге болады.

Графикалық (полярлық диаграмма)

Кез келген 2 портты S параметрін полярлық координаттарды қолдана отырып, полярлық диаграммада көрсетуге болады. Екі графикалық форматтың екеуінде де, әрбір S параметрі нақты бір сынақ жиілігінде нүкте ретінде бейнеленеді. Егер өлшеу бірнеше жиілік бойынша жасалса, әр жиілік үшін жеке нүкте пайда болады.

Бір портты желідегі S-параметрлерді өлшеу

Тек бір порты бар желі үшін S параметрлері матрицасы тек бір элементтен тұрады, ол түрінде көрсетіледі, мұнда n – портқа тағайындалған нөмір. Көптеген VNA құрылғылары, егер осы ғана қажет болса, уақытты үнемдеу үшін бір портты өлшеуге арналған қарапайым бір портты калибрлеу мүмкіндігін ұсынады.

2 порттан артық желілердің S-параметрлерін өлшеу

Екі порттан артық порттары бар желілердің S параметрлерін бір уақытта өлшеуге арналған VNA-лар жасау мүмкін, бірақ олар тез арада тым күрделі және қымбатқа соғады. Әдетте, оларды сатып алудың қажеті жоқ, себебі қажетті өлшемдерді стандартты 2 портты калибрленген VNA көмегімен қосымша өлшемдер жасап, нәтижелерді дұрыс интерпретациялау арқылы алуға болады. Қажетті S параметрлік матрицаны екі портты кезең-кезеңмен, әр жолы екі порттан өлшеу арқылы құрастыруға болады, ал пайдаланылмаған порттар жүйелік кедергіге тең сапалы жүктемелермен тоқтатылады. Бұл тәсілдің бір тәуекелі – жүктемелердің кері шығыны немесе VSWR көрсеткіші 50 Омға немесе жүйелік номиналды кедергіге мүмкіндігінше жақын болуы үшін дұрыс анықталуы керек. Көп портты желіде шығындарды ескере отырып, жүктемелердің VSWR көрсеткішін жеткіліксіз деңгейде анықтауға ұмтылуы мүмкін. Жүктемелердің ең төменгі қабылданатын VSWR көрсеткішін анықтау үшін кейбір талдау қажет болады. Егер қосымша жүктемелер жеткілікті түрде көрсетілген болса, қажет болған жағдайда S параметрлерінің екі немесе одан көп индекстері VNA-ға қатысты (жоғарыда қарастырылған жағдайда 1 және 2) сыналып жатқан желіге қатысты (N – DUT порттарының жалпы саны болса, 1-ден N-ге дейін) өзгертіледі. Мысалы, егер DUT-де 5 порт болса және екі портты VNA VNA порт 1-ді DUT порт 3-қа, ал VNA порт 2-ні DUT порт 5-ке қосылған болса, өлшенген VNA нәтижелері (, , және ) сәйкесінше , , және болады, егер DUT порттары 1, 2 және 4 50 Омдық жүктемелермен тоқтатылған болса. Бұл қажетті 25 S параметрлерінің 4-ін қамтамасыз етеді.