S参数对于评估，理解和优化过滤器的响应非常有用。如果您不熟悉RF工程师的这一典型工具，本专栏适合您。
在通信系统中，使用基于拓扑（Bessel，Butterworth，Chebyshev等）的非常熟知的方法，截止频率，纹波/衰减需求和终端阻抗来容易地设计滤波器。但是，在EMI中，我们通常不知道那些终端阻抗，这是因为在某种试错过程中设计滤波器是很常见的。
S（散射）参数是用于线性多端口网络的RF和微波电子设计者的众所周知的电路分析技术。在这些应用中，设计人员通常使用功率和阻抗。
低频设计人员使用其他参数，如Z（阻抗），Y（导纳）和H（混合）。它们通常对电压和电流起作用（熟悉）。
但是，从理论的角度来看，所有这些参数都是等价的。当您在输入和输出端口连接任何其他信号和终端阻抗时，它们可以预测任何线性（有源或无源）网络的响应。
在本文中，我将在所有不熟悉此类工具的人员中使用S参数分析滤波器，因为对于高频，如EMI设计中，S参数非常有用（电压和电流很难）测量）。
考虑例如图1中的低通滤波器拓扑。
图1：待分析的一般低通无源滤波器。

关于该滤波器的一些重要思想如下：i）这是低通拓扑; ii）元件数量与阻带的所需衰减量有关; iii）滤波器通过REFLECTION工作（使用电感器和电容器），因此不需要的信号将通过端子阻抗的不匹配效应进行滤波。请注意，如果您想通过DISSIPATION进行过滤，则需要使用电阻和铁氧体。
如果要应用经典滤波器设计理论，则需要指定终端阻抗。根据感兴趣的频率范围中的终端阻抗，滤波器在最终应用中将是好的还是坏的。没有终端阻抗的值，就不可能设计出特定的响应。
通常将滤波器设计为50Ω端子阻抗。通过这种方式，您可以在测试电路时在实验室中使用50Ω连接器，电缆，仪器等。同样，如果在最终应用中端口中没有50欧姆，则滤波器将以不同的方式工作。
考虑设计滤波器的截止频率为17MHz，对于超过25MHz的频率，您需要超过30dB的衰减。对于指定的条件，您将需要五个组件（三个电感器和两个电容器），并且将在您的设计中考虑组件和布局的寄生效应。
通过理论设计（超出了本文的范围），您可以继续模拟和测量过滤器响应。怎么做？这是S参数可以提供帮助的地方。
我们的两个端口系统有四个S参数：S11，S21，S12和S22，其中S11和S22具有反射系数的含义（分别在端口1和2中），S21，S12具有来自端口的传输系数的含义如图2所示，分别为1至2和端口2至1。
图2：尝试通过过滤器的信号。

因此，考虑到我们的两个端口滤波器的S11和S21，进入端口1的信号将被滤波器拒绝或接受。对于不需要的信号（频率），您将尝试在输入端口提供大的不匹配（s11）。对于所需的信号（频率），您将通过滤波器尝试良好的匹配和低损耗。
S参数通常以分贝（dB）表示。
如果您想通过滤波器传递信号，您将寻S11 = -infinite dB，因此信号不会反映在端口1中。这是理论上的（不可能的值）。我们通常寻具有-12dB至-15dB值的S11，因此滤波器接受超过90％的信号。
利用接受的信号，并考虑到元件的寄生ESR（质量），您将能够在S21中获得接近0dB的值，以获得所需信号，这意味着信号以最小衰减进入端口2。
对于要拒绝的信号，您要查接近0dB的S11（此值表示反射完整信号），因此S21获得负的大值（即-30dB至-80dB）。
计算出元件的标称值（必要时通过仿真包括寄生效应进行优化）后，您需要测量滤波器的响应。
用于该测量的典型仪器是VNA（矢量网络分析仪）。对于低频范围（一些赫兹到40MHz），您可以尝试使用Omicron的Bode 100。这是传导发射的典型频率范围，如9kHz至30MHz测试。
对于更高频率，我的建议是使用Rohde和Schwarz的一些ZNL仪器。
商用VNA通常具有50欧姆端口，您可以测量该参考阻抗的S参数。
在图3中，您可以在我们的示例中使用Bode 100系统（50-50欧姆系统）查看过滤器的设置和响应。
图3：过滤器的设置和测量

在测量的响应中，截止频率（-3dB）约为17MHz。在带通中，信号匹配良好（S11 <-16dB），它们能够以最小的损耗（S21接近0dB）传递到端口2。
在被拒绝的频带中，信号被强烈衰减（即，对于高于30MHz的频率，S21 <-50dB）。在该频率范围内，S11接近0dB意味着信号被完全反射。
使用VNA，您可以将S参数导出为Touchstone格式（RF行业的标准）。该文件如图4所示。
图4：测量滤波器的Touchstone（S参数）文件的一部分。


此信息非常有用，因为您可以在计算机中测试滤波器处理其他终端阻抗时的差异。
注意，S参数文件是MEASURED信息，它包括滤波器中元件，布局，寄生效应等的质量影响。
s parameter例如，在图5中，您可以看到滤波器的响应如何，考虑到信号源为10Ω且负载阻抗为500Ω时的电压增益。
图5：具有非50欧姆端子阻抗的滤波器的响应。

对于标称响应（黑迹线），为带通获得-6dB的电压增益（点A）（显然在50-50欧姆时完美匹配意味着电压为负载的一半，以实现最大功率传输）。对于10-500欧姆（红迹线），您可以看到电压衰减接近8dB（D点和E点）。此外，您可以看到在点B和C中创建的欠阻尼效应，这是某些频率下EMI异常增加的典型原因，例如图中的7.4Mhz和16.3MHz。
我的最后建议：学习在设计过程中使用S参数，使用网络分析仪测量设计在50-50欧姆受控设置中的响应，将信息导出到Touchstone文件，并在计算机中评估/分析您的情况分析使用不同终端阻抗的效果。

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