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RF揭秘:散射參數(shù)及其類型

發(fā)布時間:2022-07-28 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】本文延續(xù)之前的一系列短文,旨在為非RF工程師講解RF的奧秘。其中一些RF文章如下:“RF揭秘——了解波反射” ,探討了波反射;“如何輕松選擇正確的頻率產(chǎn)生器件”,探討了RF信號鏈中發(fā)揮作用的頻率產(chǎn)生器件的主要類型。


問題:


什么是S參數(shù)?它有哪些主要類型?


答案:


S參數(shù)描述了RF網(wǎng)絡的基本特征,其主要類型有小信號、大信號、脈沖、冷模式和混合模式S參數(shù)。


引言


本文延續(xù)之前的一系列短文,旨在為非RF工程師講解RF的奧秘。其中一些RF文章如下:“RF揭秘——了解波反射” ,探討了波反射;“如何輕松選擇正確的頻率產(chǎn)生器件”,探討了RF信號鏈中發(fā)揮作用的頻率產(chǎn)生器件的主要類型。


這一次,我們將介紹在描述任何RF組件時需要用到的一個最基本術(shù)語——散射參數(shù)(或S參數(shù))。但是,與有關(guān)該主題的其他很多文章不同,本文不僅會聚焦S參數(shù)的基本定義,而且還會簡要概述其在RF工程中常用的主要類型。


基本定義


S參數(shù)量化了RF能量是如何通過系統(tǒng)傳播的,因而包含有關(guān)其基本特征的信息。使用S參數(shù)可以將最復雜的RF器件表示為簡單的N端口網(wǎng)絡。圖1顯示了一個雙端口未平衡網(wǎng)絡的例子,該網(wǎng)絡可用于表示許多標準RF元件,例如RF放大器、濾波器或衰減器等。


9.png

圖1.雙端口未平衡RF網(wǎng)絡


示意圖圖1顯示的波量a是入射在器件端口1和端口2上的電壓波的復數(shù)幅度。如果使用相應的波量a1或a2依次激勵一個端口,同時另一個端口端接到匹配的負載中,我們就可以根據(jù)波量b來定義器件的正向和反向響應。這些數(shù)量代表了從網(wǎng)絡端口反射和通過網(wǎng)絡端口透射的電壓波?;谒脧蛿?shù)響應和初始激勵量的比率,我們可以定義雙端口器件的S參數(shù),如式1所示:


10.png


然后,我們可以將S參數(shù)組成一個散射矩陣(S-Matrix)來反映其所有端口的復數(shù)波量之間的關(guān)系,由此表示該網(wǎng)絡的內(nèi)在響應。對于雙端口未平衡網(wǎng)絡,激勵-響應關(guān)系的形式如式2所示:


11.png


對于任意N端口RF器件,可以類似方式定義S矩陣1,2。


S參數(shù)的類型


如果沒有明確說明,則“S參數(shù)”一詞通常是指小信號S參數(shù)。它表示RF網(wǎng)絡對小信號激勵的響應,量化了線性工作模式下不同頻率的反射和透射特性。使用小信號S參數(shù),我們可以確定基本RF特性,包括電壓駐波比(VSWR)、回報損耗、插入損耗或給定頻率的增益。


然而,如果不斷增加通過RF器件的信號的功率水平,通常會導致更明顯的非線性效應。這些效應可以利用另一種類型的散射參數(shù)——即大信號S參數(shù)——來量化。它們不僅會隨著頻率不同而變化,而且也會隨著激勵信號的功率水平不同而變化。此類散射參數(shù)可用于確定器件的非線性特性,例如壓縮參數(shù)。


小信號和大信號S參數(shù)通常均利用連續(xù)波(CW)激勵信號并應用窄帶響應檢測來測量。但是,許多RF器件被設計為使用脈沖信號工作,這些信號具有寬頻域響應。這使得利用標準窄帶檢測方法精確表征RF器件具有挑戰(zhàn)性。因此,對于脈沖模式下的器件表征,通常使用所謂的脈沖S參數(shù)。這些散射參數(shù)是通過特殊的脈沖響應測量技術(shù)獲得的3。


還有一類我們平時很少談論但有時可能變得很重要的S參數(shù),那就是冷模式S參數(shù)?!袄淠J健币辉~是指有源器件在非活動模式(即其所有有源元件都不工作,例如晶體管結(jié)反向或零偏置且無傳輸電流流動)下獲取的散射參數(shù)。此類S參數(shù)可用于改善帶關(guān)斷狀態(tài)元件的信號鏈分段的匹配,這些元件會在信號路徑中引起高反射。


到目前為止,我們?yōu)閱味似骷牡湫褪纠x了S參數(shù),其中刺激和響應信號均以地為基準。但是,對于具有差分端口的平衡器件,此定義還不夠。平衡網(wǎng)絡需要更廣泛的表征方法,它必須能夠充分描述其差分模式和共模響應。這可以利用混合模式S參數(shù)來實現(xiàn)。圖2顯示了混合模式散射參數(shù)的一個例子,這些參數(shù)組成一個擴展S矩陣,代表一個典型的雙端口平衡器件。


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圖2.雙端口平衡RF網(wǎng)絡及其混合模式散射矩陣


此矩陣中的混合模式S參數(shù)的下標使用如下命名約定:b模式、a模式、b端口和a端口,前兩個描述響應端口的模式(b模式)和激勵端口的模式(a模式),后兩個指定這些端口的索引號,b端口對應響應端口,a端口對應激勵端口。在示例中,端口模式由下標定義,d表示差分模式,c表示共模模式。但是,在同時具有平衡端口和未平衡端口的更一般情況下,混合模式S矩陣還會有其他元素,下標s描述針對單端端口獲得的量。利用混合模式散射參數(shù),我們不僅可以確定RF器件的基本參數(shù),例如回報損耗或增益,還可以確定用于表征差分電路性能的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù),例如共模抑制比(CMRR)、幅度不平衡和相位不平衡程度。


結(jié)論


本文介紹了散射參數(shù)的基本定義,并簡要討論了其主要類型。S參數(shù)可用于描述RF器件在不同頻率下和對于信號的不同功率水平的基本特性。RF應用的開發(fā)高度依賴于描述RF設計的整體結(jié)構(gòu)和組成部分的S參數(shù)數(shù)據(jù)。RF工程師測量或依賴已經(jīng)存在的S參數(shù)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)通常存儲在稱為Touchstone或SNP文件的標準文本文件中。當今市場上的大部分常用RF器件都有這種免費提供的文件。


ADI公司提供豐富的集成RF器件組合,它們能夠滿足廣泛應用中的各種嚴苛要求。為了支持RF工程師并簡化目標應用的開發(fā)過程,ADI公司圍繞RF技術(shù)提供完整的生態(tài)系統(tǒng),包括各種RF產(chǎn)品的散射參數(shù)、 設計工具、仿真模型、參考設計、快速原型制作平臺和論壇。


參考資料


1David Pozar。Microwave Engineering,第四版。Wiley,2011年。


2Michael Hiebel。Fundamentals of Vector Network Analysis。Rohde & Schwarz,2007年。


3“Pulsed Measurements Using Narrowband Detection and a Standard PNA Series Network Analyzer”。Keysight Technologies,2017年12月。



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