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(多图) 利用S参数对RF开关模型进行高频验证

2012年02月16日 ?? 收藏0
S参数简介

S (散射)参数用于表征使用匹配阻抗的电气网络。这里的散射是电流或电压在传输线路中断情况下所受影响的方式。利用. S参数 可以将一个器件看作一个具有输入和相应输出的“黑匣子”,这样就可以进行系统建模而不必关心其实际结构的复杂细节。

当今集成电路的带宽不断提高,因而必须在宽频率范围内表征其性能。传统的低频参数,如电阻、电容和增益等,可能与频率有关,因此可能无法全面描述IC在目标频率的性能。此外,要在整个频率范围内表征一个复杂IC的每个参数可能是无法实现的,而使用S参数的系统级表征则可以提供更好的数据。

可以使用一个简单的RF继电器来演示高频模型验证技术。如图1所示,可以将RF继电器看作一个三端口器件:一个输入端口、一个输出端口和一个用于开关电路的控制端口。如果器件性能与控制端无关,一旦设定后,就可以将继电器简化为一个双端口器件。因此,可以通过观察输入端和输出端的行为来全面表征该器件。

图1. RF继电器模型
图1. RF继电器模型

要理解S参数的概念,必须知道一些传输线理论。与大家熟悉的直流理论相似,在高频时,最大传输功率与电源的阻抗和负载的阻抗有关。来自一个阻抗为ZS,的电源的电压、电流和功率,沿着一条阻抗为 Z0, 的传输线路,以波的形式行进到阻抗为 ZL.的负载。如果 ZL = Z0, 则全部功率都会从电源传输到负载。如果 ZL ≠ Z0, 则某些功率会从负载反射回电源,不会发生最大功率传输。入射波和反射波之间的关系通过反射系数Γ来表示,它是一个复数,包含关于信号的幅度和相位信息.

如果 Z0 和 ZL 完全匹配,则不会发生反射,Γ = 0。如果 ZL i开路或短路,则Γ = 1,表示完全不匹配,所有功率都反射回 ZS. 大多数无源系统中,ZL不与Z0, 完全相等,因此0 < Γ < 1。要使Γ大于1,系统必须包含一个增益元件,但RF继电器示例将不考虑这一情况。反射系数可以表示为相关阻抗的函数,因此Γ可以通过下式计算:

相关阻抗的函数

假设传输线路为一个双端口网络,如图2所示。在这种表示方法中,可以看出,每个行进波都由两部分组成。从双端口器件的输出端流到负载的总行进波部分, b2, 实际上是由双端口器件的输出端反射的一部分 a2 和透射器件的一部分 a1,组成。反之,从器件输入端流回电源的总行进波 b1 则是由输入端反射的一部分 a1 和返回器件的一部分a2组成

图2. S参数模型
图2. S参数模型

根据以上的说明,可以利用S参数列出用来确定反射波值的公式。反射波和发射波计算公式分别如式3和式4所示。

反射波和发射波计算公式

如果ZS = Z0 (双端口输入的阻抗),则不会发生反射, a1 = 0. 如果 ZL = Z0(双端口输出的阻抗),则不会发生反射,a2 = 0. 因此,我们可以根据匹配条件定义S参数,如下所示:

定义S参数

其中:

S11 = 输入反射系数

S12 = 反向透射系数

S21 = 正向透射系数

S22 = 反向反射系数

通过这些公式可以完整描述任何双端口系统,正向和反向增益分别用S21和S12, 来表征,正向和反向反射功率分别用S11 和 S22来表征.

要在实际系统中求解上述参数,ZS, Z0, 和 ZL必须匹配。对于大多数系统,这很容易在宽频率范围内实现。

设计和测量传输线路阻抗

为确保双端口系统具有匹配的阻抗,必须测量 ZS, Z0, 和 ZL. 多数RF系统工作在50 Ω环境下。 ZS 和 ZL一般受所用矢量网络分析仪 (VNA)的类型限制,但可以设计 Z0 使之与VNA阻抗匹配。

传输线路设计

传输线路的阻抗由线路上的电感和电容的比值设置。图3所示为一个简单的传输线路模型。

图3. 传输线路的集总元件模型
图3. 传输线路的集总元件模型

利用计算目标频率时的复阻抗的公式,确定获得特定阻抗所需的 L 和 C的值。调整 L 和 C 的方式取决于传输线路模型的类型,最常用的模型是微带线和共平面波导.模型。利用物理参数,例如从走线到地层的距离、走线宽度和PCB基板介电常数等,可以平衡电感和电容,从而提供所需的阻抗。设计传输线路阻抗的最简单方法是使用阻抗设计程序,此类程序有很多。

测量阻抗

设计并生产出传输线路后,必须测量其阻抗,以验证设计和实施无误。一种测量阻抗的方法是使用 时域反射 TDR测量可以反映PCB走线的信号完整度。TDR沿着信号线发送一个快速脉冲,并记录反射情况,然后利用反射信息计算距离信号源特定长度处的路径阻抗。利用阻抗信息可以找到信号路径中的开路或短路,或者分析特定点的传输线路阻抗。

TDR的工作原理是:对于一个不匹配的系统,在信号路径上的不同点,反射会与信号源相加或相减(相长 和相消 干涉). 如果系统(本例中为传输线路)匹配50 Ω,则信号路径上不会发生发射,信号保持不变。然而,如果信号遇到开路,反射将与信号相加,使之加倍;如果信号遇到短路,反射将通过相减与之抵消。


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黑匣子? 匹配? 双端口器件? 反射系数?

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