- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
利用S参数对RF开关模型进行高频验证
录入：edatop.com 点击：
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
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：
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。
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：
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。
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
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。
如果信号遇到一个端接电阻，其值稍高于正确的匹配阻抗，则在TDR响应中会看到一个凸起；若端接电阻值稍低于匹配阻抗，则在TDR响应中会出现一个凹陷。对于容性或感性端接，将看到相似的响应，因为电容在高频时短路，电感在高频时开路。
在所有影响TDR响应精度的因素中，最重要的一个是沿信号路径发送的TDR脉冲的上升时间。脉冲的上升时间越快，则TDR可以分辨的特征越小。
根据TDR设备设定的上升时间，系统可以检测的两个不连续点之间的最短空间距离为：
其中:
lmin= 从信号源到不连续点的最短空间距离
c0 = 光在真空中的传播速度
trise= 系统的上升时间
εeff= 波在其中行进的介质的有效介电常数
若是检测相对较长的传输线路，20 ps到30 ps的上升时间即足够；但若要检测集成电路器件的阻抗，则需要比这快得多的上升时间。
记录TDR阻抗测量结果有助于解决传输线路设计的各种问题，如错误的阻抗、连接器结点引起的不连续以及焊接相关问题等。
精确记录S参数
一旦完成PCB和系统的设计与制造，就必须在设定的功率和一系列频率下利用VNA记录下S参数；VNA应经过校准，确保记录的精确性。校准技术的选择取决于多种因素，如目标频率范围和待测器件(DUT)所需的 参考平面等.
校准技术
图4显示了双端口系统的完整12项误差模型及其系统性影响和误差源。测量频率范围会影响校准选择：频率越高，则校准误差越大。随着更多误差项变得显著，必须更换校准技术以适应高频影响。
上一篇：针对下一代移动平台的射频集成
下一篇：EMI干扰 ：传导是罪魁祸首
