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天线S11、S12、S21、S22的参数解读

天线的测试中,我们经常会看到S11、S12等S参数,作为分析过程中的一环,这些参数都有着重要意义。本文从天线S参数出发,详细介绍它们之间的关系。

一、S11、S12、S21、S22参数的具体含义(包括之间的关系):

首先我们先说一下这里的【S】,主要是指S参数,就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数,适于微波电路分析,以器件端口的反射信号,以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。

以下是针对二端口网络的四个S参数,Sij代表的意思是能量从j口注入,在i口测得的能量,如S11定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根,也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值,各参数的物理含义和特殊网络的特性如下:

S11:端口2匹配时,端口1的反射系数(输入回波损耗);

S22:端口1匹配时,端口2的反射系数(输出回波损耗);

S12:端口1匹配时,端口2到端口1的反向传输系数(隔离);

S21:端口2匹配时,端口1到端口2的正向传输系数(增益);

对于互易网络,有:S12=S21;

对于对称网络,有:S11=S22 ;

对于无耗网络,有:(S11)2+(S12)2=1 。

注意:在微波系统中,我们经常用到的单根传输线,或一个过孔,就可以等效成一个二端口网络,一端接输入信号,另一端接输出信号。

如果以Port1作为信号的输入端口, Port2作为信号的输出端口,那么S11表示的就是回波损耗,即有多少能量被反射回源端(Port1),这个值越小越好,一般建议S11< 0.1,即-20dB。S21表示插入损耗,也就是有多少能量被传输到目的端(Port2)了,这个值越大越好,理想值是1,即0dB,S21越大传输的效率越高,一般建议S21>0.7,即-3dB。

2.4/4.9~5.8GHz 13dBi双馈电180度MIMO扇区天线

二、关于回波损耗、反射系数、电压驻波比和S参数的关系,这个较为复杂,我们主要罗列一下公式:

(1)首先,先介绍一下三者的定义:

回波损耗(Return Loss):入射功率/反射功率, 为dB数值

反射系数(Г):反射电压/入射电压, 为标量

电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压

(2)S参数、回波损耗、反射系数、电压驻波比的关系:

VSWR=(1+Г)/(1-Г) (1)

S11=20lg(Г) (2)

RL=-S11 (3)

注意:以上参数的定义和测量,必须各端口都要匹配,他们都是描述阻抗匹配好坏程度的参数。

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