RF揭秘：散射参数及其类型

作者：ADI现场应用工程师Anton Patyuchenko

问题：

什么是S参数？它有哪些主要类型？

答案：

S参数描述了RF网络的基本特征，其主要类型有小信号、大信号、脉冲、冷模式和混合模式S参数。

引言

本文延续之前的一系列短文，旨在为非RF工程师讲解RF的奥秘。其中一些RF文章如下：“RF揭秘——了解波反射”，探讨了波反射；“如何轻松选择正确的频率产生器件”，探讨了RF信号链中发挥作用的频率产生器件的主要类型。

这一次，ADI将介绍在描述任何RF组件时需要用到的一个最基本术语——散射参数（或S参数）。但是，与该主题的其他很多文章不同，本文不仅会聚焦S参数的基本定义，还会简要概述其在RF工程中常用的主要类型。

基本定义

S参数量化了RF能量是如何通过系统传播的，因而包含有关其基本特征的信息。使用S参数可以将最复杂的RF器件表示为简单的N端口网络。图1显示了一个双端口未平衡网络的例子，该网络可用于表示许多标准RF元件，例如RF放大器、滤波器或衰减器等。

图1.双端口未平衡RF网络

示意图图1显示的波量a是入射在器件端口1和端口2上的电压波的复数幅度。如果使用相应的波量a1或a2依次刺激一个端口，同时另一个端口端接到匹配的负载中，我们就可以根据波量b来定义器件的正向和反向响应。这些数量代表了从网络端口反射和通过网络端口透射的电压波。基于所得复数响应和初始刺激量的比率，我们可以定义双端口器件的S参数，如式1所示：

然后，可以将S参数组成一个散射矩阵(S-Matrix)来反映其所有端口的复数波量之间的关系，由此表示该网络的内在响应。对于双端口未平衡网络，刺激-响应关系的形式如式2所示：

对于任意N端口RF器件，可以类似方式定义S矩阵。

S参数的类型

如果没有明确说明，则“S参数”一词通常是指小信号S参数。它表示RF网络对小信号刺激的响应，量化了线性工作模式下不同频率的反射和透射特性。使用小信号S参数，可以确定基本RF特性，包括电压驻波比(VSWR)、回报损耗、插入损耗或给定频率的增益。

然而，如果不断增加通过RF器件的信号的功率水平，通常会导致更明显的非线性效应。这些效应可以利用另一种类型的散射参数——即大信号S参数——来量化。它们不仅会随着频率不同而变化，而且也会随着刺激信号的功率水平不同而变化。此类散射参数可用于确定器件的非线性特性，例如压缩参数。

小信号和大信号S参数通常均利用连续波(CW)刺激信号并应用窄带响应检测来测量。但是，许多RF器件被设计为使用脉冲信号工作，这些信号具有宽频域响应。这使得利用标准窄带检测方法精确表征RF器件具有挑战性。因此，对于脉冲模式下的器件表征，通常使用所谓的脉冲S参数。这些散射参数是通过特殊的脉冲响应测量技术获得的。

还有一类平时很少谈论但有时可能变得很重要的S参数，那就是冷模式S参数。“冷模式”一词是指有源器件在非活动模式（即其所有有源元件都不工作，例如晶体管结反向或零偏置且无传输电流流动）下获取的散射参数。此类S参数可用于改善带关断状态元件的信号链分段的匹配，这些元件会在信号路径中引起高反射。

到目前为止，为单端器件的典型示例定义了S参数，其中刺激和响应信号均以地为基准。但是，对于具有差分端口的平衡器件，此定义还不够。平衡网络需要更广泛的表征方法，它必须能够充分描述其差分模式和共模响应。这可以利用混合模式S参数来实现。图2显示了混合模式散射参数的一个例子，这些参数组成一个扩展S矩阵，代表一个典型的双端口平衡器件。

图2.双端口平衡RF网络及其混合模式散射矩阵

此矩阵中的混合模式S参数的下标使用如下命名约定：b模式、a模式、b端口和a端口，前两个描述响应端口的模式（b模式）和刺激端口的模式（a模式），后两个指定这些端口的索引号，b端口对应响应端口，a端口对应刺激端口。在示例中，端口模式由下标定义，d表示差分模式，c表示共模模式。但是，在同时具有平衡端口和未平衡端口的更一般情况下，混合模式S矩阵还会有其他元素，下标s描述针对单端端口获得的量。利用混合模式散射参数，不仅可以确定RF器件的基本参数，例如回报损耗或增益，还可以确定用于表征差分电路性能的关键品质因数，例如共模抑制比(CMRR)、幅度不平衡和相位不平衡程度。

结论

本文介绍了散射参数的基本定义，并简要讨论了其主要类型。S参数可用于描述RF器件在不同频率下和对于信号的不同功率水平的基本特性。RF应用的开发高度依赖于描述RF设计的整体结构和组成部分的S参数数据。RF工程师测量或依赖已经存在的S参数数据，该数据通常存储在称为Touchstone或SNP文件的标准文本文件中。当今市场上的大部分常用RF器件都有这种免费提供的文件。

ADI公司提供丰富的集成RF器件组合，它们能够满足广泛应用中的各种严苛要求。为了支持RF工程师并简化目标应用的开发过程，ADI公司围绕RF技术提供完整的生态系统，包括各种RF产品的散射参数、设计工具、仿真模型、参考设计、快速原型制作平台和论坛。

是趋势，也是未来！佳能EOS R全画幅光学系统优势解析

近年来，随着各家数码厂商的影像产品相继问世，定位于轻量化、便携化设计的专业微单产品凭借其极高的操作性与便捷性逐渐占据一定市场。为了能给用户带来更具品质的影像感动，佳能于2018年正式推出了EOS R全画幅专业微单系统。这套专微系统继承了佳能八十余年的经验与技术，如EF卡口时代的镀膜工艺、应用于佳能单反的多功能控制钮、以及便捷的旋转屏操控等实用功能，并在此基础上进行了多项进化与革新。

在数码相机逐渐趋向轻量化、便携化设计的时代，我们在享受着佳能EOS R系统带来的高机动性与简洁易用性之余，不妨从其设计与研发的初衷出发，来深入了解下这套全新专微系统的前世今生！

据悉，EOS R系统是佳能为支持其未来三十年拍摄系统发展而打造的全新系统，融合了短后对焦距离、大口径卡口、全新通讯系统、高品质镜头群这四大优势，致力于为用户提供全新的影像拍摄解决方案。目前搭载这套系统的机型有2018年秋季发布的初代全画幅专微EOS R、EOS RP，以及在本年度中旬发布的第二代全画幅专微EOS R5、EOS R6，共计4款机型。

优势一：更短的后对焦距离

从EOS R系统搭载的镜头中我们就不难看出，适配于EOS R系统的全新RF卡口镜头在设计结构上有了全新的变化。RF卡口系列镜头采用了全新的短后对焦技术，20mm的法兰距带来了更短的后对焦距离，镜头后组得以使用较大口径的镜片，不仅缩短了镜头体积，还大大的提升了镜头潜力。我们通过35mm焦段下的EF卡口和RF卡口两支不同卡口的镜头来分析下两种系统的区别。

通过RF 35mm F1.8 Macro IS STM与EF 35mm F2 IS USM这两款不同卡口的镜头，我们可以很直观的看到RF卡口镜头在结构设计中的改变。EF 35mm镜头是在35mm基础镜片构成的前端增加镜片，导致镜头较长，引起周边光线入射角度变大。而RF 35mm镜头则是在35mm基础镜片构成的后端增加镜片，两者设计的差异导致RF 35mm镜头的前组镜片在设计时就小了很多，从而视觉感光上会觉得前端口径也变得非常小。但是在镜头的后组部分我们会看到，RF 35mm采用了更大的后组镜片，所以画质成像不输EF35mm，甚至犹有过之。

优势二：54mm大口径卡口

在镜头的研发与设计过程中，EOS R系统采用了54mm的大口径卡口，有助于制作出更大光圈的镜头。这是因为在相同焦段下，由于法兰距的缩短，使得在有效控制镜头体积的前提下，RF卡口镜头的最后一枚镜片以及镜头后部镜组可以比EF镜头采用更大的设计。而当入射光线通过后镜组时，光线的折射可以更加缓和，也就更容易制造出中央与边缘成像均优异的镜头，最终实现成像画质的进一步提升。

夜景人像样张：△ F1.2，ISO640，1/160s，85mm

事实上，RF卡口镜头本身就非常具有优势，在实际的拍摄中也会有很多便利。比如在使用RF 85mm F1.2 L USM DS这支人像镜头拍摄夜景人像时，尽管夜晚的光线非常昏暗，但是依靠RF卡口镜头的54mm大口径，摄影师可以在保证安全快门、最大光圈的前提下使用较低的ISO来降低照片中的噪点，通过这样的方式，即便不使用闪光灯也同样可以获得皮肤质感、纹理细节都清晰可见的夜景人像。

优势三：新通讯系统

在EOS R系统中，一个重大的升级就是采用了12个电子触点的新通讯系统，在支持高速大容量信息通讯的同时还可以针对每款不同的镜头进行多种补偿。如机身与镜头间的联合防抖、相机进行自动对焦时与镜头间的交互信息等等。新的通讯系统不仅支持当下镜头与相机间已经具备的通讯功能，考虑到未来新功能的加入，适用场景也将会变得更加的广阔。

① 8级手动补偿防抖

IS防抖关闭（RF 100-500mm F4.5-7.1 L IS USM）：△ F7.1，ISO500，1/40s，500mm

IS防抖开启（RF 100-500mm F4.5-7.1 L IS USM）：△ F7.1，ISO500，1/40s，500mm

EOS R系统从开发时就是一个立足于现在并着眼于未来的系统，它前瞻性的全新通讯系统为相机和镜头间的信息交互提供了强而有力的硬件支持。在使用这套系统时，全新的通讯系统更加强了镜头与机身间的信息交流。比如在防抖方面，新款旗舰专微EOS R5在与支持IS防抖功能的镜头搭配使用时，相机内部处理器将通过全新的通讯系统，对镜头与相机的位置及抖动差值进行运算，最高可以获得8级的手抖动补偿效果。

② 高速精确的对焦系统

高速抓拍样张：△ F11，ISO100，1/50s，85mm

同样得益于EOS R系统配备的全新通讯系统，另一个非常明显的优势则是在镜头与机身联动之后，自动对焦的速度大大加强，以往使用相机拍摄高速运动的物体时，对焦速度慢的镜头很难及时抓拍到清晰的画面，而EOS R系统通过进一步提高相机与镜头之间的信息交互，在对焦速度、高速连拍、抓拍等实际运用中都有非常明显的优势（拍飞机、打鸟、体育等场景，EOS R5、R6可支持20张/秒高速连拍）。

优势四：高素质的光学镜头群

自EOS R系统发布之后，RF镜头群迅速补强，目前已基本完成了全场景的产品矩阵布局。时至今日，佳能共发布了17支RF卡口镜头，焦段从15mm覆盖至800mm，既有主打性价比的标准镜头，同时也有代表了佳能高品质光学技艺的L级红圈镜头：如RF 85mm F1.2 L USM DS人像定焦镜皇，以及彰显佳能尖端制造工艺恒定F2光圈的28-70mm F2 USM标准变焦镜皇；同时还有如RF 600mm F11 IS STM、RF 800mm F11 IS STM、RF85mm F2 MACRO IS STM、RF50mm F1.8 STM这样极具便携性的亲民镜头。丰富的镜头种类、丰厚的制镜工艺，将为当下摄影师的拍摄工作带来更多的可能性。

① 顶级画质与高品控能力

高画质表现样张：△ F11，ISO2000，1/320s，800mm

高画质表现样张：△ F11，ISO400，1/160s，600mm

高画质表现样张：△ F9，ISO200，1/320s，24mm

高画质表现样张：△ F16，ISO100，15s，24mm

得益于佳能镜头超高的性能表现，用户在使用RF镜头时所拍摄出的照片一般在同级别镜头中都拥有着顶级的画质表现。除此之外，延续了佳能一贯的品控能力，RF卡口镜头的市售产品在质量性能方面基本一致，让每个消费者都能放心购买 ，这在光学镜头领域是非常难能可贵的。

无论从镜头的制造工艺还是性能表现，RF系列镜头都拥有着极高的品质，防水滴防尘性能更使其可以轻松应对各种严苛条件下的拍摄工作，成为摄影师外拍的最佳选择。

② 可同时兼容丰富的EF卡口镜头

EOS R系统机型还支持用户为相机搭配控制环卡口适配器，用户还可以兼容丰富的EF卡口镜头。丰富的RF卡口镜头群加上可以转接EF卡口镜头，使得用户在镜头方面有了更多的选择，同时可以在不更换机身的前提下轻松搭配多款镜头灵活使用。此外，在转接EF镜头后相机仍然具备了与RF卡口镜头相同品质的操控性和高效的即时通讯功能。

总结：

EOS R系统的前景无疑是非常广阔的，它具备了稳定可靠的机身性能及高度通用的系统优势。更短的后对焦距离和54mm大口径卡口的设计，使得RF卡口系列镜头在研发之初就拥有了比其它系列卡口镜头更多的通光量，在成像上具有先天优势。此外，全新的通讯系统使镜头与机身的相互联动更加高效，为彼此间的信息交互提供了更深层次的保障。

自EOS R系统研发之初，历经多次的探索与突破，如今的佳能EOS R系统已逐步成熟和完善。未来，在变化莫测的数码影像市场中，EOS R系统能否继续承载佳能多年的优秀品质，成为众多摄影师心目中理想的拍摄设备？让我们共同拭目以待。

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