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RF揭秘:散射参数及其类型

2022/09/20
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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。

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

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