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S參數究竟是什么?


時間:2019-06-06

應用領域:S參數



   現代高速模數轉換器(ADC)已經實現了射頻(RF)信號的直接采樣,因而在許多情況下均無需進行混頻,同時也提高了系統的靈活性和功能。

   傳統上,ADC信號和時鐘輸入都采用集總元件模型來表示。但是對于RF采樣轉換器而言,其工作頻率已經增加至需要采用分布式表示的程度,那么原有的方法就不適用了。

   本系列文章將從三個部分入手,說明如何將散射參數(也稱為S參數)應用于直接射頻采樣結構的設計。

起決定性作用的S參數

   S參數就是建立在入射微波與反射微波關系基礎上的網絡參數。它對于電路設計非常有用,因為可以利用入射波與反射波的比率來計算諸如輸入阻抗、頻率響應和隔離等指標。而且由于可以用矢量網絡分析儀(VNA)直接測量S參數,因此無需知曉網絡的具體細節。

   圖1所示的是一個雙端口網絡的例子,其入射波量為ax,反射波量為bx,其中x是端口。在該討論中,我們假設被測器件是線性網絡,因此適合采用疊加法。



圖1:雙端口網絡波量


   通常情況下,在測量所有端口上的反射波時,VNA一次只刺激一個端口(通過將入射波推到該端口)。而且所測量的這些波量是非常復雜的,因為每個波量都有相應的振幅和相位。因此,這個過程需要針對每個測試頻率下的每個端口不斷重復。

   對于雙端口器件,我們可以從測量數據中形成四個有意義的比率。這些比率通常用sij表示,其中i表示反射端口,而j表示入射端口。正如上文提到的,假設一次只刺激一個端口,那么其他端口的入射波為零(用系統的特性阻抗Z0來表示終止)。

   方程式1至4適用于四個雙端口S參數。S11 and S22 分別表示端口1和端口2的復阻抗。S21表示傳輸特性,端口1為輸入,端口2為輸出(S12 與之相同,但端口2為輸入,端口1為輸出)。

S11 = b1/a1,a2 = 0   (1)
S21 = b2/a1,a2 = 0   (2)
S12 = b1/a2,a1 = 0   (3)
S22 = b2/a2,a1 = 0   (4)

   對于單向器件而言,如放大器(端口1為輸入,端口2為輸出),可以用S11表示輸入阻抗,用S21表示頻率響應,用S12表示反向隔離,用S22表示輸出阻抗。數據轉換器也是一種單向器件,但其端口2通常為數字輸出,這對測量和解讀都會產生一定的影響。

將S參數擴展到多端口器件和差分器件

   可以將S參數框架擴展到任意數量的端口,有意義的參數數量為2N,其中N表示端口數量。許多集成電路由于振蕩和共模抑制能力增強而具有差分輸入和輸出。射頻采樣ADC(如TI的ADC12DJ5200RF)通常具有差分射頻輸入和差分時鐘輸入。我們還可以進一步擴展S參數框架,以支持差分端口。

   如圖2所示,對于差分端口來說,我們必須區分共模波和差模波。兩種模式具有相同的入射振幅,但差模入射波具有180度的相移,而共模入射波具有相同的相位。



圖2:差模波和共模波


   對于端口之間沒有反饋的線性器件來說,可以采用疊加法,根據單端S參數測量(在任何給定時間內,只有一個端口具有處于活動狀態的入射波)來計算出差共混合模式S參數。現代高性能VNA還支持用差?;蜆材2ㄍ貝碳ち礁齠絲?。

測量數據轉換器S參數所面臨的挑戰

   數據轉換器的半模擬半數字特性給測量S參數帶來了挑戰。VNA不能直接與數據轉換器的數字總線相連接,因此需要采用專門的方法來進行測量。

   本系列文章的第二部分將介紹測量德州儀器射頻采樣數據轉換器S參數的方法。第三部分將討論如何在射頻采樣數據轉換器系統的設計中使用S參數。