S參數詳解

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一介紹

目前常見的 S 參數模型文件有兩種格式:Touchstone 和 Citifile,常用的是 Touchstone 格式, 在各種仿真和測試儀表上得到了充分的支持,所以本文僅僅對 Touchstone 格式做說明。 Touchstone 文件,也就是我們經常看到的 Snp 文件,一般我們從廠家拿到的、從網絡分析儀測試得到的和從仿真軟件仿真得到的 S 參數模型都是這個格式的,最初由 Hp(現 Agilent)公司提出,現在已經成為 N 端口傳輸參數事實上的行業標準,包含若干個頻率點下端口的傳輸參數值,下面對 Touchstone 文件的格式做詳細介紹。

TouchStone格式文件也就是我們通常是到的SnP文件,用來表示S參數。它是用來保存N端口網絡有源設備或者無源連接的參數。在TouchStone格式成為事實上的標準的同時,并沒有正式的文檔規定文件的格式和語法。本文基于安捷倫公司(Touchstone的來源)的信息,由EIA/IBIS組織制定成一個正式的規定。

二常規語法和指導原則

下面就是TouchStone文件的語法和指導原則

1. TouchStone文件不區分大小寫。

2. 只有ANSI Standard X3.4-1986中規定的ASCII字符才能在TouchStone文件合法使用。ASCII碼值比十六進制0x7E大的字符是不允許使用的。同樣ASCII碼中的控制字符(通常比十六進制0x20小)也不允許使用,除了制表符(tabs)或者回車字符(carriage-return or carriage-return/line-feed combination)。

3. 評論前面要以感嘆號(!)開始。評論可以是一個獨立的行,也可以在行末。評論通過換行符結束(即,不允許多行評論)。

4. 按照慣例,TouchStone文件后綴為“.snp”,其中n為設備或者連接網絡的端口數目。例如,雙口網絡的文件名就會這樣命名: “filename.s2p”,三口網絡就是“filename.s3p”,以此類推。

5. 按照慣例角度都是用度數來表示。

三文件格式格式描述

TouchStone數據文件包含一個“選項行”,在選項行之后會有一個或者多個網絡參數的數據集,每個數據集都是在一個特定的頻率小得到的。選項行規定文件包含的網絡數據類型(s參數,z參數等等),數據值的格式(幅度-相位,實部-虛部等等)和歸一化阻抗。每個頻率的數據集可能為一行或者多行,每個數據集第一行以頻率開始,這個頻率就是等到這個數據集的頻率。單口網絡和雙口網絡數據集只有一行,三口或者以上網絡都按矩陣的形式排列。TouchStone格式的文件支持的矩陣不限大小。(注意,盡管如此,很多應用程序或者計算機內存都會設置一個上限。)

除了上述選項行和數據行之外,雙口網絡還有可能帶有噪聲參數數據。最后,可以在需要的時候加入評論行。

選項行,數據行,評論行和噪聲數據在后面的章節詳細講述。

選項行

每個TouchStone數據文件必須要包含一個選項行(第一個選項行之后的選項行都會被忽略)。選項行必須是文件中第一個非評論行,格式如下:

# <frequency unit> <parameter> <format> R <n>

其中

# 表示此行為評論行

frequency unit 規定頻率的單位。合法的值有GHz, MHz, KHz, Hz。默認值為GHz。

parameter 表示網絡數據的類型。合法的值有:S 為S參數,Y 為導納參數,Z 為阻抗參數,H 為混合h參數,G 為混合G參數,默認值為S。

format規定網絡參數對的格式。合法的值有:DB 是dB-角度 (dB = 20*log|magnitude|),MA 是幅度-角度,RI 是實部-虛部。角度都要用度數表示。要注意的是,本格式并不規定噪聲參數。(參見本文最后一節“加入噪聲參數”)。默認值是MA。

R n 規定參考電阻,單位為歐姆,n是歐姆值為正整數(實際上的阻抗都會規一化處理)。默認參考電阻是50歐姆。

選項行參數要通過一個或者多個空格隔開,用換行符結束(CR或者CR/LF)。如果參數沒有指定就會用默認值。除了開頭的#號以及R后面的阻值,選項行的參數可以按隨意的順序排列。

總結,選項行格式如下

單口網絡文件: # [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H] [MA/DB/RI] [R n]
雙口網絡文件: # [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H] [MA/DB/RI] [R n]
N口網絡文件: # [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H] [MA/DB/RI] [R n]

中括號([])表示為可選項;…/…/…/表示選擇其中一個;n要用一個正整數代替。

選項行示例

頻率單位為GHz,S參數,用實部-虛部表示,歸一化到100歐姆:

# GHz S RI R 100

頻率單位為KHz,Y參數,用實部-虛部表示,歸一化到100歐姆:

# KHz Y RI R 100

頻率單位為Hz,Z參數,用幅度-角度表示,歸一化到1歐姆:

# Hz Z MA R 1

頻率單位為KHz,H參數,用實部-虛部表示,歸一化到1歐姆:

# KHz H RI R 1

頻率單位為Hz,G參數,用幅度-角度表示,歸一化到1歐姆:

# Hz G MA R 1

數據行

選項行之后是數據集。數據集包含由選項行規定的網絡參數數據(S參數,Z參數,等等。)。單口網絡和雙口網絡值包含一行數據,三口或者以上的網絡包含用矩陣形式表示的多行數據。每個數據集都以頻率開始(即,每個數據集的第一個行(或者唯一的那一行)的第一個值),數據元素自身是用成對的形式表示的(幅度-角度,dB-角度,實部-虛部)。

數據行和數據集通常有下面三種規則:

每行的數據對不超過4個。
每個數據之間用空格隔開
每行數據通過換行符結束(CR或者CR/LF組合)
所有數據集要按照頻率排序

N端口網絡的數據排序如下詳述。

單口和雙口網絡

單口和雙口網絡每個頻率只有一行數據。如下所示,數據行由頻率開始,后面跟1個或者4個數據。

單口網絡數據集(行)

雙口網絡數據集(行)

其中:

frequency value是得到網絡參數的頻率;N11, N21, N12, N22是數據點,N11, N21,等表示的是數據對。

網絡數據點格式由選項行貴的,可以是幅度-角度,dB-角度,實部-虛部(即成對的數據)。對單口網絡,只有11,而雙口網絡需要4個參數組成。

每個數據元都用一個或者多個空格隔開;每個數據行都以換行符結束(CR或者CR/LF)。允許多個數據行(集),但如前文所述,必須要按頻率的順序排列。

下面是一些單口雙口網絡的實例。以感嘆號(!)開始的行為評論。

!1-port S-parameter file, single frequency point
# MHz S MA R 50
!freq magS11 angS11
2.000 0.894 -12.136

在上例中,2MHz的S11值用幅度-相位表示。參考阻抗為50歐姆。

!1-port Z-parameter file, multiple frequency points
# MHz Z MA R 75
!freq magZ11 angZ11
100 0.99 -4
200 0.80 -22
300 0.707 -45
400 0.40 -62
500 0.01 -89

在上例中,Z11(輸入阻抗)歸一化到75歐姆,通過選項行中的(R 75)表示。

!2-port H-parameter file, single frequency point
# KHz H MA R 1
! freq magH11 angH11 magH21 angH21 magH12 angH12 magH22 angH22
2 .95 -26 3.57 157 .04 76 .66 –14

在上例中H參數是幅度-相位格式,參考電阻為1歐姆。

!2-port S-parameter file, three frequency points
# GHZ S RI R 50.0
!freq RelS11 ImS11 ReS21 ImS21 ReS12 ImS12 ReS22 ImS22
1.0000 0.3926 -0.1211 -0.0003 -0.0021 -0.0003 -0.0021 0.3926 -0.1211
2.0000 0.3517 -0.3054 -0.0096 -0.0298 -0.0096 -0.0298 0.3517 -0.3054
10.000 0.3419 0.3336 -0.0134 0.0379 -0.0134 0.0379 0.3419 0.3336

在上例中,S參數格式是實部-虛部。

3口和4口網絡

3口和4口網絡排列成矩陣形式,每行表示一個矩陣行。換句話說(如下所示),3口網絡每個數據集有3行數,每行有3個數據對(即一個3×3的矩陣)。同樣地,4口網絡每個數據集有4行,每行有4個數據(4×4矩陣)。由于規則要求,數據集第一行以頻率開始。

3口網絡描述

4口網絡描述

其中,frequency value是得到網絡參數的頻率;N11, N21等是數據點,Nij表示的是數據對。

通常,網絡數據點格式由選項行規定,可以是幅度-角度,dB-角度,實部-虛部(即成對的數據)。每個數據元都用一個或者多個空格隔開;每個數據行都以換行符結束(CR或者CR/LF)。允許多個數據行(集),但如前文所述,必須要按頻率的順序排列。

下面是4口網絡的實例.

! 4-port S-parameter data, taken at three frequency points
# GHZ S MA R 50
5.00000 0.60 161.24 0.40 -42.20 0.42 -66.58 0.53 -79.34 !row 1
0.40 -42.20 0.60 161.20 0.53 -79.34 0.42 -66.58 !row 2
0.42 -66.58 0.53 -79.34 0.60 161.24 0.40 -42.20 !row 3
0.53 -79.34 0.42 -66.58 0.40 -42.20 0.60 161.24 !row 4
6.00000 0.57 150.37 0.40 -44.34 0.41 -81.24 0.57 -95.77 !row 1
0.40 -44.34 0.57 150.37 0.57 -95.77 0.41 -81.24 !row 2
0.41 -81.24 0.57 -95.77 0.57 150.37 0.40 -44.34 !row 3
0.57 -95.77 0.41 -81.24 0.40 -44.34 0.57 150.37 !row 4
7.00000 0.50 136.69 0.45 -46.41 0.37 -99.09 0.62 -114.19 !row 1
0.45 -46.41 0.50 136.69 0.62 -114.19 0.37 -99.09 !row 2
0.37 -99.09 0.62 -114.19 0.50 136.69 0.45 -46.41 !row 3
0.62 -114.19 0.37 -99.09 0.45 -46.41 0.50 136.69 !row 4

注意,數據對不需要列對齊;唯一的需要是每行3(3口或者)或者4(4口網絡)個數據對.

5口及以上網絡

5口或者以上網絡同樣排列成矩陣形式。但是,由于TouchStone格式限制了每行4個數據對,多出來的數據需要在后面行繼續。矩陣每行必須要從新行開始。通常,每數據集第一行的第一個值為頻率。這些規則可以通過6口網絡格式來表示。

6口網絡格式(一個頻率點)

其中,frequency value是得到網絡參數的頻率;N11, N21等是數據點,Nij表示的是數據對。

如上所示,每個矩陣行都擴展成2行。沒個矩陣行都新起一行。通常,數據對由選項行指定的格式表示,每個數據元通過空格隔開。

下面是一個更詳細的10口網絡的例子,Y參數是幅度-相位格式,單個頻率。

# frequency_unit Y MA R impedance
freq magY11 angY11 magY12 angY12 magY13 angY13 magY14 angY14 ! 1st row
magY15 angY15 magY16 angY16 magY17 angY17 magY18 angY18
magY19 angY19 magY1,10 angY1,10
magY21 angY21 magY22 angY22 magY23 angY23 magY24 angY24 ! 2nd row
magY25 angY25 magY26 angY26 magY27 angY27 magY28 angY28
magY29 angY29 magY2,10 angY2,10
magY31 angY31 magY32 angY32 magY33 angY33 magY34 angY34 ! 3rd row
magY35 angY35 magY36 angY36 magY37 angY37 magY38 angY38
magY39 angY39 magY3,10 angY3,10
magY41 angY41 magY42 angY42 magY43 angY43 magY44 angY44 ! 4th row
magY45 angY45 magY46 angY46 magY47 angY47 magY48 angY48
magY49 angY49 magY4,10 angY4,10
magY51 angY51 magY52 angY52 magY53 angY53 magY54 angY54 ! 5th row
magY55 angY55 magY56 angY56 magY57 angY57 magY58 angY58
magY59 angY59 magY5,10 angY5,10
magY61 angY61 magY62 angY62 magY63 angY63 magY64 angY64 ! 6th row
magY65 angY65 magY66 angY66 magY67 angY67 magY68 angY68
magY69 angY69 magY6,10 angY6,10
magY71 angY71 magY72 angY72 magY73 angY73 magY74 angY74 ! 7th row
magY75 angY75 magY76 angY76 magY77 angY77 magY78 angY78
magY79 angY79 magY7,10 angY7,10
magY81 angY81 magY82 angY82 magY83 angY83 magY84 angY84 ! 8th row
magY85 angY85 magY86 angY86 magY87 angY87 magY88 angY88
magY89 angY89 magY8,10 angY8,10
magY91 angY91 magY92 angY92 magY93 angY93 magY94 angY94 ! 9th row
magY95 angY95 magY96 angY96 magY97 angY97 magY98 angY98
magY99 angY99 magY9,10 angY9,10
!10th row
magY10,1 angY10,1 magY10,2 angY10,2 magY10,3 angY10,3 magY10,4 angY10,4
magY10,5 angY10,5 magY10,6 angY10,6 magY10,7 angY10,7 magY10,8 angY10,8
magY10,9 angY10,9 magY10,10 angY10,10

評論行

TouchStone格式文件的評論行以感嘆號(!)開頭。一個評論占一行或者跟在數據后面。

加入噪聲參數

TouchStone格式文件可以包含噪聲參數,但是只能包含在雙口網絡中。噪聲參數跟在每個頻率的G-,H-,S-Y-,或者Z-參數之后。

每個噪聲參數行有5個元素:

其中,x1為頻率,噪聲數據第1點的頻率必須比S參數最后一個頻率小;x2為最小噪聲,用dB表示;x3為噪聲反射系數實現最小噪聲(MA);x4為反射系數相位,用度數表示(MA);x5歸一化的有效噪聲電阻。仿真器需要這參數來滿足物理需要。如果用戶提供的x5值比實際允許的值小,仿真器可以強制x5為最小的物理需求。

注意噪聲參數和網絡參數的頻率不需要匹配。唯一的要求是噪聲參數最低頻率小于或者等于網絡參數最高的頻率。這是為了讓文件處理器判斷什么地方是網絡參數結束噪聲參數開始。

源反射系數和有效噪聲電阻歸一化為選項文件中規的和網絡參數同樣的電阻。

!2-port network, S-parameter and noise data
# GHZ S MA R 50
2 .95 -26 3.57 157 .04 76 .66 -14
22 .60 -144 1.30 40 .14 40 .56 -85
! NOISE PARAMETERS
4 .7 .64 69 .38
18 2.7 .46 -33 .40

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