射頻技術(shù)：小信號(hào)種類(lèi)之外的多種S參數(shù)

描述射頻網(wǎng)絡(luò)基本特征的散射參數(shù)（S 參數(shù)）有多種形式，包括小信號(hào)、大信號(hào)、脈沖、冷模式、混合模式。它們量化了射頻能量如何通過(guò)系統(tǒng)傳播，從而包含有關(guān)其基本特征的信息。

使用 S 參數(shù)，我們甚至可以將最復(fù)雜的射頻設(shè)備表示為簡(jiǎn)單的 N 端口網(wǎng)絡(luò)。圖 1顯示了一個(gè)雙端口不平衡網(wǎng)絡(luò)示例，可用于表示許多標(biāo)準(zhǔn)射頻組件，例如射頻放大器、濾波器或衰減器等。

圖1所示的波量（wave quantities）是入射到器件端口1和端口2上的電壓波的復(fù)振幅。如果我們一次刺激一個(gè)端口，當(dāng)另一個(gè)端口端接到匹配的負(fù)載時(shí)，用相應(yīng)的波量a1或2刺激另一個(gè)端口，我們可以根據(jù)波量b來(lái)定義設(shè)備的正向和反向響應(yīng)。這些量表示從網(wǎng)絡(luò)端口反射并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口傳輸?shù)碾妷翰ā?/p>

圖1. 顯示的是一個(gè)雙端口不平衡射頻網(wǎng)絡(luò)，它可以代表許多射頻組件。

如果我們?nèi)〉玫降膹?fù)雜響應(yīng)和初始刺激量的比率，則可以定義雙端口組件的 S 參數(shù)，如公式 1 所示：

然后可以通過(guò)將 S 參數(shù)組合成一個(gè)散射矩陣（S 矩陣）來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)的固有響應(yīng)，該矩陣將其所有端口處的復(fù)波量聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于雙端口不平衡網(wǎng)絡(luò)，激勵(lì)-響應(yīng)關(guān)系將獲得公式 2 中的形式：

可以以類(lèi)似的方式為任意 N 端口 RF 組件定義 S 矩陣。

S 參數(shù)的類(lèi)型

小信號(hào)

如果沒(méi)有明確說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)“S參數(shù)”通常是指小信號(hào)S參數(shù)。它們代表RF網(wǎng)絡(luò)對(duì)小信號(hào)激勵(lì)的響應(yīng)，量化其在線(xiàn)性工作模式下隨頻率變化的反射和傳輸特性。使用小信號(hào)S參數(shù)，我們可以確定基本的RF特性，包括電壓駐波比（VSWR），回波損耗，插入損耗或給定頻率下的增益。

大信號(hào)

但是，如果我們不斷增加通過(guò)射頻設(shè)備的信號(hào)的功率電平，通常會(huì)導(dǎo)致更明顯的非線(xiàn)性效應(yīng)。這些影響可以使用另一種稱(chēng)為大信號(hào) S 參數(shù)的散射參數(shù)來(lái)量化。它們不僅在不同頻率上變化，而且在激勵(lì)信號(hào)的不同功率水平上變化。這種類(lèi)型的散射參數(shù)可用于確定設(shè)備的非線(xiàn)性特性，例如其壓縮參數(shù)。

通常使用連續(xù)波 (CW) 激勵(lì)信號(hào)并應(yīng)用窄帶響應(yīng)檢測(cè)來(lái)測(cè)量小信號(hào)和大信號(hào) S 參數(shù)。然而，許多射頻組件設(shè)計(jì)為使用具有寬頻域響應(yīng)的脈沖信號(hào)工作。這使得使用標(biāo)準(zhǔn)窄帶檢測(cè)方法準(zhǔn)確表征 RF 組件變得具有挑戰(zhàn)性。

脈沖 S參數(shù)

因此，為了在脈沖模式下表征器件，通常使用所謂的脈沖 S 參數(shù)。這些散射參數(shù)是使用特殊的脈沖響應(yīng)測(cè)量技術(shù)獲得的。

Cold S參數(shù)

另一種 S 參數(shù)，很少被提及，但有時(shí)可能變得很重要，它是Clod ?S 參數(shù)。術(shù)語(yǔ)“冷”是指在非活動(dòng)模式下獲得有源器件的散射參數(shù)（即，當(dāng)其所有有源元件都處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)；例如，晶體管結(jié)為反向或零偏置并且沒(méi)有傳輸電流流動(dòng)） . 例如，這種類(lèi)型的 S 參數(shù)可用于改善信號(hào)鏈段與在信號(hào)路徑中引起高反射的關(guān)閉狀態(tài)組件的匹配。

混合模式

到目前為止，當(dāng)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)以地為參考時(shí)，我們已經(jīng)為典型的單端組件定義了 S 參數(shù)。但是，對(duì)于具有差分端口的平衡組件，這個(gè)定義是不夠的。平衡網(wǎng)絡(luò)需要更廣泛的表征方法，該方法必須能夠充分描述它們的差模和共模響應(yīng)。

這可以通過(guò)使用混合模式 S 參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 2顯示了混合模式散射參數(shù)的示例，這些參數(shù)組合成一個(gè)擴(kuò)展的 S 矩陣，代表典型的兩端口平衡組件。

圖2. 這是一個(gè)雙端口平衡射頻網(wǎng)絡(luò)及其混合模式散射矩陣。

此矩陣中混合模式 S 參數(shù)的下標(biāo)使用命名約定 b-mode、a-mode、b-port 和 a-port。前兩個(gè)描述了響應(yīng)端口（b-mode）和激勵(lì)端口（a-mode）的模式，后兩個(gè)指定了這些端口的索引號(hào)，其中b-port對(duì)應(yīng)響應(yīng)，a-port對(duì)應(yīng)激勵(lì)端口。

在我們的示例中，端口模式由下標(biāo) d（差分）或 c-共模定義。然而，在同時(shí)具有平衡和非平衡端口的組件的更一般情況下，混合模式S矩陣還將具有附加元件，其下標(biāo)s描述了為單端端口獲得的數(shù)量。

混合模式散射參數(shù)使我們能夠確定射頻組件的基本參數(shù)，例如回波損耗或增益。此外，它們還可以確定用于表征差分電路性能的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，例如共模抑制比 (CMRR)、幅度不平衡和相位不平衡。

結(jié)論

本文介紹了基本定義并簡(jiǎn)要討論了散射參數(shù)的關(guān)鍵類(lèi)型。S 參數(shù)可用于描述射頻組件在不同頻率和不同功率電平下的基本特性。

射頻應(yīng)用的開(kāi)發(fā)依賴(lài)于使用描述射頻設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)和組成組件的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)。RF 工程師測(cè)量或依賴(lài)現(xiàn)有的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)文本文件中，稱(chēng)為 Touchstone 或 SnP 文件。這些文件通常免費(fèi)提供給當(dāng)今市場(chǎng)上最流行的射頻組件。

審核編輯：黃飛