Streuparameter-Tutorial: Was sind sie und was tun sie?

Was sind S-Parameter?

S-Parameter, auch bekannt als Streu- oder S-Matrix-Parameter, beschreiben, wie HF-Energie durch ein mehrportiges Netzwerk fließt. Sie repräsentieren die linearen Eigenschaften von HF-Elektronikkomponenten und beschreiben, wie Energie durch ein elektrisches Netzwerk fließt.

Die S-Parametermatrix berechnet Merkmale wie Verstärkung, Dämpfung, Impedanz, Phasengruppenverzögerung und VSWR. S-Parameter werden verwendet, um ein komplexes Netzwerk als einfache „Black Box“ darzustellen und zu verdeutlichen, was mit dem Signal innerhalb dieses Netzwerks passiert. Die Black Box kann alles enthalten, von einem Widerstand, einer Leitung bis hin zu einem integrierten Schaltkreis.

Beim Diskutieren von S-Parametern beschreibt der Begriff „Streuung“, wie die in einer Leitung reisenden Ströme und Spannungen beeinflusst werden, wenn sie auf eine Unstetigkeit stoßen, die durch die Einbindung eines Netzwerks in die Leitung verursacht wird.

S-Parameter werden in der Elektrotechnik, Elektronik und Kommunikationstechnik eingesetzt, um die elektrischen Eigenschaften linearer elektrischer Netzwerke, insbesondere solcher, die bei hohen Frequenzen und unter verschiedenen stationären Eingangssignalen mit geringer Amplitude arbeiten, effektiv zu beschreiben.

S-Parameter können bei jeder Frequenz verwendet werden, aber sie finden vor allem in HF- und Mikrowellen-Netzwerken Anwendung, weil Signalleistung und -energie einfacher zu messen sind als Ströme und Spannungen. S-Parameter-Messungen müssen neben der Frequenzinformation auch die charakteristische Impedanz oder Systemimpedanz beinhalten, da S-Parameter frequenzabhängig sind.

Ein Netzwerk oder Schaltung verbindet verschiedene elektrische Bauteile wie Widerstände, Spulen und Kondensatoren. Ein Paar Anschlüsse, an denen ein Signal in oder aus einem Netzwerk eintreten kann, wird als Port oder jedes Paar Anschlüsse bezeichnet, an das Energie zugeführt oder von dem Energie abgezogen wird.

Ein elektrisches Netzwerk, oder „Black Box“, das mithilfe von S-Parametern charakterisiert wird, kann jede Anzahl N von Ports haben, wie in Abbildung 1 gezeigt. Ports sind die Punkte, an denen elektrische Ströme in oder aus dem Netzwerk fließen. Manchmal werden diese als Paare von „Anschlüssen“ bezeichnet.

Was zeigen S-Parameter an?

S-Parameter sind komplexe Zahlen (Zahlen mit Real- und Imaginärteil), die direkt oder in einer Matrix verwendet werden können, um die Amplitude und/oder Phase von Reflexions- oder Transmissionsmerkmalen im Frequenzbereich anzuzeigen.

Wenn ein komplexes zeitabhängiges Signal durch ein lineares Netzwerk geleitet wird, können Amplituden- und Phasenverschiebungen die Zeitbereichswelle stark verzerren. Daher sind Amplituden- und Phaseninformationen im Frequenzbereich entscheidend. S-Parameter sind ein Parameter, der sowohl Informationen unterstützt und viele Vorteile für die Charakterisierung von Hochfrequenzbauelementen bietet.

Bei der Angabe eines Satzes von S-Parametern müssen folgende Informationen definiert sein:

• Die Frequenz

• Die nominelle charakteristische Impedanz (häufig 50 Ω)

• Die Zuweisung von Portnummern

• Bedingungen, die das Netzwerk beeinflussen können, wie Temperatur, Steuerspannung und Biasstrom, falls zutreffend

Die Details der S-Parameter

Laut dem S-Parameter-Ansatz ist ein elektrisches Netzwerk eine „Black Box“, die eine Vielzahl verbundener grundlegender elektrischer Schaltkreiskomponenten enthält, einschließlich Widerständen, Kondensatoren, Spulen und Transistoren, und die über Ports mit anderen Schaltkreisen kommuniziert.

Die S-Parametermatrix, die als Charakteristik des Netzwerks dient, ist eine quadratische Matrix von komplexen Zahlen, die verwendet werden kann, um die Reaktion des Netzwerks auf Signale, die an die Ports angelegt werden, zu bestimmen. Ein elektrisches Netzwerk, das durch S-Parameter beschrieben wird, kann eine Anzahl von Ports haben.

S-Parameter bieten eine vielseitige Möglichkeit, verschiedene elektrische Merkmale von Netzwerken oder Komponenten auszudrücken, einschließlich Parameter wie Verstärkung, Rücklaufdämpfung, Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR), Netzwerkstabilität und Reflexionskoeffizient.

Quelle: Electrical4u.

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