S參數(shù)詳解

2016-11-06 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一介紹

目前常見(jiàn)的 S 參數(shù)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(cè)試儀表上得到了充分的支持,所以本文僅僅對(duì) Touchstone 格式做說(shuō)明。 Touchstone 文件,也就是我們經(jīng)常看到的 Snp 文件,一般我們從廠家拿到的、從網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè) 試得到的和從仿真軟件仿真得到的 S 參數(shù)模型都是這個(gè)格式的,最初由 Hp(現(xiàn) Agilent)公司提出,現(xiàn)在已經(jīng)成為 N 端口傳輸參數(shù)事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),包含若干個(gè)頻率點(diǎn)下端口的傳輸參數(shù)值,下面對(duì) Touchstone 文件的格式做詳細(xì)介紹。

TouchStone格式文件也就是我們通常是到的SnP文件,用來(lái)表示S參數(shù)。它是用來(lái)保存N端口網(wǎng)絡(luò)有源設(shè)備或者無(wú)源連接的參數(shù)。在TouchStone格式成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),并沒(méi)有正式的文檔規(guī)定文件的格式和語(yǔ)法。本文基于安捷倫公司(Touchstone的來(lái)源)的信息,由EIA/IBIS組織制定成一個(gè)正式的規(guī)定。

二常規(guī)語(yǔ)法和指導(dǎo)原則

下面就是TouchStone文件的語(yǔ)法和指導(dǎo)原則

1. TouchStone文件不區(qū)分大小寫。

2. 只有ANSI Standard X3.4-1986中規(guī)定的ASCII字符才能在TouchStone文件合法使用。ASCII碼值比十六進(jìn)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(jìn)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(píng)論前面要以感嘆號(hào)(!)開(kāi)始。評(píng)論可以是一個(gè)獨(dú)立的行,也可以在行末。評(píng)論通過(guò)換行符結(jié)束(即,不允許多行評(píng)論)。

4. 按照慣例,TouchStone文件后綴為“.snp”,其中n為設(shè)備或者連接網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù)目。例如,雙口網(wǎng)絡(luò)的文件名就會(huì)這樣命名: “filename.s2p”,三口網(wǎng)絡(luò)就是“filename.s3p”,以此類推。

5. 按照慣例角度都是用度數(shù)來(lái)表示。

三文件格式格式描述

TouchStone數(shù)據(jù)文件包含一個(gè)“選項(xiàng)行”,在選項(xiàng)行之后會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的數(shù)據(jù)集,每個(gè)數(shù)據(jù)集都是在一個(gè)特定的頻率小得到的。選項(xiàng)行規(guī)定文件包含的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)類型(s參數(shù),z參數(shù)等等),數(shù)據(jù)值的格式(幅度-相位,實(shí)部-虛部等等)和歸一化阻抗。每個(gè)頻率的數(shù)據(jù)集可能為一行或者多行,每個(gè)數(shù)據(jù)集第一行以頻率開(kāi)始,這個(gè)頻率就是等到這個(gè)數(shù)據(jù)集的頻率。單口網(wǎng)絡(luò)和雙口網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集只有一行,三口或者以上網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序或者計(jì)算機(jī)內(nèi)存都會(huì)設(shè)置一個(gè)上限。)

除了上述選項(xiàng)行和數(shù)據(jù)行之外,雙口網(wǎng)絡(luò)還有可能帶有噪聲參數(shù)數(shù)據(jù)。最后,可以在需要的時(shí)候加入評(píng)論行。

選項(xiàng)行,數(shù)據(jù)行,評(píng)論行和噪聲數(shù)據(jù)在后面的章節(jié)詳細(xì)講述。

選項(xiàng)行

每個(gè)TouchStone數(shù)據(jù)文件必須要包含一個(gè)選項(xiàng)行(第一個(gè)選項(xiàng)行之后的選項(xiàng)行都會(huì)被忽略)。選項(xiàng)行必須是文件中第一個(gè)非評(píng)論行,格式如下:

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

其中

# 表示此行為評(píng)論行

frequency unit 規(guī)定頻率的單位。合法的值有GHz, MHz, KHz, Hz。默認(rèn)值為GHz。

parameter 表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的類型。合法的值有:S 為S參數(shù),Y 為導(dǎo)納參數(shù),Z 為阻抗參數(shù),H 為混合h參數(shù),G 為混合G參數(shù),默認(rèn)值為S。

format規(guī)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)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(shí)部-虛部。角度都要用度數(shù)表示。要注意的是,本格式并不規(guī)定噪聲參數(shù)。(參見(jiàn)本文最后一節(jié)“加入噪聲參數(shù)”)。默認(rèn)值是MA。

R n 規(guī)定參考電阻,單位為歐姆,n是歐姆值為正整數(shù)(實(shí)際上的阻抗都會(huì)規(guī)一化處理)。默認(rèn)參考電阻是50歐姆。

選項(xiàng)行參數(shù)要通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)空格隔開(kāi),用換行符結(jié)束(CR或者CR/LF)。如果參數(shù)沒(méi)有指定就會(huì)用默認(rèn)值。除了開(kāi)頭的#號(hào)以及R后面的阻值,選項(xiàng)行的參數(shù)可以按隨意的順序排列。

總結(jié),選項(xiàng)行格式如下

單口網(wǎng)絡(luò)文件: # [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H] [MA/DB/RI] [R n]
雙口網(wǎng)絡(luò)文件: # [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H] [MA/DB/RI] [R n]
N口網(wǎng)絡(luò)文件: # [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H] [MA/DB/RI] [R n]

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

選項(xiàng)行示例

頻率單位為GHz,S參數(shù),用實(shí)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(shù),用實(shí)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(shù),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(shù),用實(shí)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(shù),用幅度-角度表示,歸一化到1歐姆:

# Hz G MA R 1

數(shù)據(jù)行

選項(xiàng)行之后是數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集包含由選項(xiàng)行規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)據(jù)(S參數(shù),Z參數(shù),等等。)。單口網(wǎng)絡(luò)和雙口網(wǎng)絡(luò)值包含一行數(shù)據(jù),三口或者以上的網(wǎng)絡(luò)包含用矩陣形式表示的多行數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)集都以頻率開(kāi)始(即,每個(gè)數(shù)據(jù)集的第一個(gè)行(或者唯一的那一行)的第一個(gè)值),數(shù)據(jù)元素自身是用成對(duì)的形式表示的(幅度-角度,dB-角度,實(shí)部-虛部)。

數(shù)據(jù)行和數(shù)據(jù)集通常有下面三種規(guī)則:

每行的數(shù)據(jù)對(duì)不超過(guò)4個(gè)。
每個(gè)數(shù)據(jù)之間用空格隔開(kāi)
每行數(shù)據(jù)通過(guò)換行符結(jié)束(CR或者CR/LF組合)
所有數(shù)據(jù)集要按照頻率排序

N端口網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)排序如下詳述。

單口和雙口網(wǎng)絡(luò)

單口和雙口網(wǎng)絡(luò)每個(gè)頻率只有一行數(shù)據(jù)。如下所示,數(shù)據(jù)行由頻率開(kāi)始,后面跟1個(gè)或者4個(gè)數(shù)據(jù)。

單口網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集(行)

雙口網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集(行)

其中:

frequency value是得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的頻率;N11, N21, N12, N22是數(shù)據(jù)點(diǎn),N11, N21,等表示的是數(shù)據(jù)對(duì)。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)點(diǎn)格式由選項(xiàng)行貴的,可以是幅度-角度,dB-角度,實(shí)部-虛部(即成對(duì)的數(shù)據(jù))。對(duì)單口網(wǎng)絡(luò),只有11,而雙口網(wǎng)絡(luò)需要4個(gè)參數(shù)組成。

每個(gè)數(shù)據(jù)元都用一個(gè)或者多個(gè)空格隔開(kāi);每個(gè)數(shù)據(jù)行都以換行符結(jié)束(CR或者CR/LF)。允許多個(gè)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。以感嘆號(hào)(!)開(kāi)始的行為評(píng)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(guò)選項(xiàng)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(shù)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(shù)格式是實(shí)部-虛部。

3口和4口網(wǎng)絡(luò)

3口和4口網(wǎng)絡(luò)排列成矩陣形式,每行表示一個(gè)矩陣行。換句話說(shuō)(如下所示),3口網(wǎng)絡(luò)每個(gè)數(shù)據(jù)集有3行數(shù),每行有3個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(即一個(gè)3×3的矩陣)。同樣地,4口網(wǎng)絡(luò)每個(gè)數(shù)據(jù)集有4行,每行有4個(gè)數(shù)據(jù)(4×4矩陣)。由于規(guī)則要求,數(shù)據(jù)集第一行以頻率開(kāi)始。

3口網(wǎng)絡(luò)描述

4口網(wǎng)絡(luò)描述

其中,frequency value是得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的頻率;N11, N21等是數(shù)據(jù)點(diǎn),Nij表示的是數(shù)據(jù)對(duì)。

通常,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)點(diǎn)格式由選項(xiàng)行規(guī)定,可以是幅度-角度,dB-角度,實(shí)部-虛部(即成對(duì)的數(shù)據(jù))。每個(gè)數(shù)據(jù)元都用一個(gè)或者多個(gè)空格隔開(kāi);每個(gè)數(shù)據(jù)行都以換行符結(jié)束(CR或者CR/LF)。允許多個(gè)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(shù)據(jù)對(duì)不需要列對(duì)齊;唯一的需要是每行3(3口或者)或者4(4口網(wǎng)絡(luò))個(gè)數(shù)據(jù)對(duì).

5口及以上網(wǎng)絡(luò)

5口或者以上網(wǎng)絡(luò)同樣排列成矩陣形式。但是,由于TouchStone格式限制了每行4個(gè)數(shù)據(jù)對(duì),多出來(lái)的數(shù)據(jù)需要在后面行繼續(xù)。矩陣每行必須要從新行開(kāi)始。通常,每數(shù)據(jù)集第一行的第一個(gè)值為頻率。這些規(guī)則可以通過(guò)6口網(wǎng)絡(luò)格式來(lái)表示。

6口網(wǎng)絡(luò)格式(一個(gè)頻率點(diǎn))

其中,frequency value是得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的頻率;N11, N21等是數(shù)據(jù)點(diǎn),Nij表示的是數(shù)據(jù)對(duì)。

如上所示,每個(gè)矩陣行都擴(kuò)展成2行。沒(méi)個(gè)矩陣行都新起一行。通常,數(shù)據(jù)對(duì)由選項(xiàng)行指定的格式表示,每個(gè)數(shù)據(jù)元通過(guò)空格隔開(kāi)。

下面是一個(gè)更詳細(xì)的10口網(wǎng)絡(luò)的例子,Y參數(shù)是幅度-相位格式,單個(gè)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(píng)論行

TouchStone格式文件的評(píng)論行以感嘆號(hào)(!)開(kāi)頭。一個(gè)評(píng)論占一行或者跟在數(shù)據(jù)后面。

加入噪聲參數(shù)

TouchStone格式文件可以包含噪聲參數(shù),但是只能包含在雙口網(wǎng)絡(luò)中。噪聲參數(shù)跟在每個(gè)頻率的G-,H-,S-Y-,或者Z-參數(shù)之后。

每個(gè)噪聲參數(shù)行有5個(gè)元素:

其中,x1為頻率,噪聲數(shù)據(jù)第1點(diǎn)的頻率必須比S參數(shù)最后一個(gè)頻率小;x2為最小噪聲,用dB表示;x3為噪聲反射系數(shù)實(shí)現(xiàn)最小噪聲(MA);x4為反射系數(shù)相位,用度數(shù)表示(MA);x5歸一化的有效噪聲電阻。仿真器需要這參數(shù)來(lái)滿足物理需要。如果用戶提供的x5值比實(shí)際允許的值小,仿真器可以強(qiáng)制x5為最小的物理需求。

注意噪聲參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的頻率不需要匹配。唯一的要求是噪聲參數(shù)最低頻率小于或者等于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)最高的頻率。這是為了讓文件處理器判斷什么地方是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)結(jié)束噪聲參數(shù)開(kāi)始。

源反射系數(shù)和有效噪聲電阻歸一化為選項(xiàng)文件中規(guī)的和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)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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