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S參數究竟是什麽?

時間:2019-06-08 作者:德州儀器 閱讀:
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。

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。KAmEETC-電子工程專輯

傳統上,ADC信號和時鍾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,那麽原有的方法就不適用了。KAmEETC-電子工程專輯

本系列文章将从三个部分入手,说明如何将散射参数(也称为S参数)应用于直接射頻采样结构的设计。KAmEETC-電子工程專輯

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,因爲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。KAmEETC-電子工程專輯

圖1所示的是一個雙端口網絡的例子,其入射波量爲ax,反射波量爲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。KAmEETC-電子工程專輯
20190608-S-signal-1.JPGKAmEETC-電子工程專輯
圖1:雙端口網絡波量KAmEETC-電子工程專輯

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複雜的,因爲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複。KAmEETC-電子工程專輯

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,那麽其他端口的入射波爲零(用系統的特性阻抗Z0來表示終止)。KAmEETC-電子工程專輯

方程式1至4适用于四个双端口S参数。S11 and S22 分别表示端口1和端口2的复阻抗。S21表示传输特性,端口1为输入,端口2为输出(S12 与之相同,但端口2为输入,端口1为输出)。KAmEETC-電子工程專輯

20190608-S-signal-2.JPGKAmEETC-電子工程專輯

對于單向器件而言,如放大器(端口1爲輸入,端口2爲輸出),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通常爲數字輸出,這對測量和解讀都會産生一定的影響。KAmEETC-電子工程專輯

將S參數擴展到多端口器件和差分器件

可以将S参数框架扩展到任意数量的端口,有意义的参数数量为2N,其中N表示端口数量。许多集成电路由于振荡和共模抑制能力增强而具有差分输入和输出。射頻采样ADC(如TI的ADC12DJ5200RF)通常具有差分射頻输入和差分时钟输入。我们还可以进一步扩展S参数框架,以支持差分端口。KAmEETC-電子工程專輯

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。KAmEETC-電子工程專輯
20190608-S-signal-3.JPGKAmEETC-電子工程專輯
圖2:差模波和共模波KAmEETC-電子工程專輯

对于端口之间没有反馈的线性器件来说,可以采用叠加法,根据单端S参数测量(在任何给定时间内,只有一个端口具有处于活動状态的入射波)来计算出差共混合模式S参数。现代高性能VNA还支持用差模或共模波同时刺激两个端口。KAmEETC-電子工程專輯

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。KAmEETC-電子工程專輯

本系列文章的第二部分将介绍测量德州仪器射頻采样数据转换器S参数的方法。第三部分将讨论如何在射頻采样数据转换器系统的设计中使用S参数。KAmEETC-電子工程專輯

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