Compreensão dos parâmetros S

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Compreensão dos parâmetros S

Autor: Paul Denisowski, engenheiro de gestão de produtos

Os parâmetros de espalhamento (parâmetros S) são uma forma de representar as características de RF de uma rede. Eles são essenciais para entender quanto de um sinal é refletido, transmitido ou transferido entre as portas de uma rede. Os parâmetros S são valores complexos com componentes de fase e magnitude, ambos importantes para fornecer uma descrição completa do sinal.

Uma rede é um dispositivo com uma ou mais portas, em que cada porta pode permitir passar, absorver e/ou refletir a energia de RF. As redes são categorizadas com base no número de portas que possuem:

  • Uma porta: alguns exemplos incluem uma antena ou carga fantasma
  • Duas portas: alguns exemplos incluem um filtro ou amplificador
  • Três portas: alguns exemplos incluem um misturador ou acoplador direcional

As redes são analisadas por meio da injeção de RF em uma determinada porta e da medição do nível de RF que aparece nessa porta (refletida) e/ou em outras portas. Normalmente, apenas um sinal é injetado em uma porta em um determinado momento, e as medições são feitas em uma faixa de frequências.

O instrumento normalmente utilizado para analisar uma rede é, sem surpresa alguma, chamado de analisador de redes. Um analisador de redes mede como os sinais se comportam em sistemas e componentes elétricos, analisando os parâmetros de espalhamento (parâmetros S).

Vista frontal do analisador de redes vetoriais R&S®ZNL, mostrando a tela e o painel de controle

O que são os parâmetros S?

Os parâmetros S são uma forma de representar as características de RF da rede. Eles descrevem o quanto de um sinal é refletido, transmitido ou transferido entre as portas de uma rede.

Um parâmetro S é indicado pela letra «S» seguida de um par de subscritos, em que o primeiro subscrito indica a porta de saída e o segundo subscrito indica a porta de entrada. Por exemplo:

  • Se a energia entrar pela porta 1 e sair pela porta 1, o parâmetro S será denominado S11.
  • Se a energia entrar pela porta 1 e sair pela porta 2, o parâmetro S será denominado S21.
  • Se a energia entrar pela porta 2 e sair pela porta 3, o parâmetro S será denominado S32, e assim por diante.

Nomeação dos parâmetros S

Uma rede de duas portas tem quatro parâmetros S:

  • S11 é o coeficiente de reflexão de entrada. Ele mede a porção do sinal de entrada na porta 1 que é refletida para a porta 1. Esse parâmetro indica quanto do sinal de entrada é refletido devido a uma incompatibilidade de impedância.
  • S21 é o coeficiente de transmissão direta. Ele mede a porção do sinal de entrada na porta 1 que é transmitida para a porta 2. Esse parâmetro indica a eficiência da transmissão do sinal da entrada para a saída.
  • S12 é o coeficiente de transmissão reversa. Ele mede a porção do sinal de entrada na porta 2 que é transmitida para a porta 1. Esse parâmetro indica quão bem a porta 1 está isolada dos sinais que entram na porta 2.
  • S22 é o coeficiente de reflexão de saída. Ele mede a parte do sinal de entrada na porta 2 que é refletida para a porta 2. Esse parâmetro indica quanto do sinal de saída é refletido devido à incompatibilidade de impedância na saída.

Parâmetros S em uma rede de duas portas.

Representação dos parâmetros S

Os parâmetros S são valores complexos — o que significa que eles possuem componentes de fase e de magnitude. A magnitude indica o quanto do sinal é transmitido ou refletido, enquanto a fase indica como o tempo do sinal é alterado. Ambos os componentes são necessários para uma descrição completa de como o sinal se comporta.

Os parâmetros S podem ser representados por matrizes N×N, em que «N» é o número de portas na rede. Cada elemento da matriz, Sxy, representa os parâmetros de espalhamento da porta y para a porta x. Como Sxy é um número complexo, a matriz fornece:

  • Um layout estrutural das interações entre as portas da rede
  • Informações detalhadas de fase e amplitude para cada interação

Matriz N×N para uma rede de duas portas.

Outra maneira de representar os parâmetros S é com uma carta de Smith, uma ferramenta gráfica usada principalmente para representar os coeficientes de reflexão. A carta de Smith ajuda a visualizar como a impedância de uma rede varia de acordo com a frequência. A exibição dos componentes reais e imaginários dos coeficientes de reflexão em uma carta de Smith fornece uma imagem clara da adaptação de impedâncias, que é essencial para minimizar as reflexões e otimizar a transferência de energia.

Exemplo de uma carta de Smith.

Os parâmetros S podem ser colocados em cascata para prever a resposta geral de uma série de redes conectadas. Em outras palavras, quando duas ou mais redes são conectadas em série, seus parâmetros S individuais podem ser combinados matematicamente para determinar os parâmetros S totais da rede combinada. A capacidade de colocar os parâmetros S em cascata e prever o comportamento do sistema se baseia em sua representação complexa e no formato de matriz, o que permite a análise de sistemas mais complexos e de múltiplos estágios.

Resumo

  • Uma rede é um dispositivo com uma ou mais portas, em que cada porta pode refletir, permitir passar e/ou absorver a energia de RF.
  • Os parâmetros S são a forma padrão de quantificar as características da rede.
  • Os parâmetros S são medidos ao injetar energia em uma porta e medindo a energia nessa e em outras portas.
  • Os parâmetros S são valores complexos, isso significa que eles mudam de acordo com a frequência.
  • «Sxy» é o formato de nomeação dos parâmetros S, em que x e y são as portas de saída e entrada, respectivamente.
  • Os analisadores de rede são usados para analisar redes por meio da medição dos parâmetros S.

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