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S参数究竟是什么?

2019-06-04 16:16:54 来源:德州仪器
现代高速模数转换器(ADC)已经实现了射频(RF)信号的直接采样,因而在许多情况下均无需进行混频,同时也提高了系统的灵活性和功能。

 
传统上,ADC信号和时钟输入都采用集总元件模型来表示。但是对于RF采样转换器而言,其工作频率已经增加至需要采用分布式表示的程度,那么原有的方法就不适用了。

 
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)应用于直接射频采样结构的设计。

 
起决定性作用的S参数

 
S参数就是建立在入射微波与反射微波关系基础上的网络参数。它对于电路设计非常有用,因为可以利用入射波与反射波的比率来计算诸如输入阻抗、频率响应和隔离等指标。而且由于可以用矢量网络分析仪(VNA)直接测量S参数,因此无需知晓网络的具体细节。
 

图1所示的是一个双端口网络的例子,其入射波量为ax,反射波量为bx,其中x是端口。在该讨论中,我们假设被测器件是线性网络,因此适合采用叠加法。


图1:双端口网络波量
 
 
通常情况下,在测量所有端口上的反射波时,VNA一次只刺激一个端口(通过将入射波推到该端口)。而且所测量的这些波量是非常复杂的,因为每个波量都有相应的振幅和相位。因此,这个过程需要针对每个测试频率下的每个端口不断重复。

 
对于双端口器件,我们可以从测量数据中形成四个有意义的比率。这些比率通常用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,假设一次只刺激一个端口,那么其他端口的入射波为零(用系统的特性阻抗Z0来表示终止)。

 
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)。

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

 
对于单向器件而言,如放大器(端口1为输入,端口2为输出),可以用S11表示输入阻抗,用S21表示频率响应,用S12表示反向隔离,用S22表示输出阻抗。数据转换器也是一种单向器件,但其端口2通常为数字输出,这对测量和解读都会产生一定的影响。

 
将S参数扩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。射频采样ADC(如TI的ADC12DJ5200RF)通常具有差分射频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。


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如图2所示,对于差分端口来说,我们必须区分共模波和差模波。两种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。

图2:差模波和共模波
 

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动状态的入射波)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。

 
测量数据转换器S参数所面临的挑战

 
数据转换器的半模拟半数字特性给测量S参数带来了挑战。VNA不能直接与数据转换器的数字总线相连接,因此需要采用专门的方法来进行测量

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




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