[经验]

什么是S参数呢？

2020-6-18 17:07:08

4251 S参数

现代高速模数转换器（ADC）使得能够直接采样射频（RF）信号，这在许多情况下消除了对混合级的需求，同时提高了系统的灵活性和功能性。
传统上，ADC信号和时钟输入由集总元件模型表示。但是对于RF采样转换器，这种方法是不合适的，因为工作频率已经增加到需要分布式表示的程度。
在这个由三部分组成的系列文章中，我将解释如何在直接RF采样架构的设计中使用散射参数（也称为S参数）。
定义S参数
S参数为基于入射微波和反射微波之比的网络描述提供了框架。这对于电路设计很有用，因为您可以使用这些比率来计算属性，例如输入阻抗，频率响应和隔离度。无需知道网络的详细信息，因为可以使用矢量网络分析仪（VNA）直接测量S参数。
图1显示了一个具有入射波量a x和反射波量b x的两端口网络的示例，其中x是端口。对于此讨论，假定被测设备是线性网络，因此适用叠加。

图1：两端口网络波量

通常，VNA一次激励一个端口（通过将入射波驱动到该端口），同时测量所有端口上的反射波。这些测量的量很复杂，因为每个量都有相应的幅度和相位。在每个测试频率下，对每个端口重复此过程。
对于两端口设备，您可以根据测量数据形成四个有意义的比率。传统上将其表示为s ij，其中i是反射端口，j是入射端口。如前所述，假设一次仅刺激一个端口，那么其他端口的入射波为零（以系统的特性阻抗Z 0终止）。
公式1至4适用于四个2端口S参数。S 11和S 22分别表示端口1和2的复数阻抗。S 21表示传输特性，端口1为输入，端口2为输出（S 12相同，但端口2为输入，端口1为输出）。

S 11 = b 1 / a 1而a 2 = 0（1）

S 21 = b 2 / a 1而a 2 = 0（2）

S 12 = b 1 / a 2而a 1 = 0（3）

S 22 = b 2 / a 2而a 1 = 0（4）

对于放大器等单向设备（端口1为输入，端口2为输出），您可以将S 11视为输入阻抗，将S 21视为频率响应，将S 12视为反向隔离，将S 22视为阻抗。输出阻抗。数据转换器也是单向设备，但是端口2通常是数字的。这对测量和解释都有特定的含义。
将S参数扩展到多端口和差分设备
可以将S参数框架扩展到任意数量的端口，有意义参数的数量等于2 N，其中N是端口的数量。由于增加的摆幅和共模抑制，许多集成电路具有差分输入和输出。RF采样ADC（例如ti的ADC12DJ5200RF）通常具有差分RF和时钟输入。您还可以进一步扩展S参数框架以支持差分端口。
对于差分端口，必须区分共模波和差模波，如图2所示。这两种模式具有相同的入射振幅，但是差模入射波具有180度相移，而共模波具有同一阶段。

图2：差模与共模波

对于在端口之间没有反馈的线性设备，通过叠加可以从单端S参数测量（其中在任何给定时间只有一个端口具有活动入射波）计算差分和共混模式S参数。现代高性能VNA还支持使用差分或共模波同时激励两个端口。
测量数据转换器S参数的挑战
数据转换器的半模拟，半数字特性对测量S参数提出了挑战。VNA无法直接与数据转换器的数字总线接口，因此需要专门技术来进行测量。
在本系列的第2部分中，我将讨论为测量TI射频采样数据转换器的S参数而开发的技术。第3部分将讨论如何在RF采样数据转换器系统的设计中使用S参数。