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利用S參數對RF開關模型進行高頻驗證

作者: 時間:2011-11-23 來源:網絡 收藏

S簡介

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/155485.htm

S(散射)用于表征使用匹配阻抗的電氣網絡。這里的散射是電流或電壓在傳輸線路中斷情況下所受影響的方式。S可以將一個器件看作一個具有輸入和相應輸出的“黑匣子”,這樣就可以系統(tǒng)建模而不必關心其實際結構的復雜細節(jié)。
當今集成電路的帶寬不斷提高,因而必須在寬頻率范圍內表征其性能。傳統(tǒng)的低頻參數,如電阻、電容和增益等,可能與頻率有關,因此可能無法全面描述IC在目標頻率的性能。此外,要在整個頻率范圍內表征一個復雜IC的每個參數可能是無法實現的,而使用S參數的系統(tǒng)級表征則可以提供更好的數據。
可以使用一個簡單的繼電器來演示技術。如圖1所示,可以將繼電器看作一個三端口器件:一個輸入端口、一個輸出端口和一個用于電路的控制端口。如果器件性能與控制端無關,一旦設定后,就可以將繼電器簡化為一個雙端口器件。因此,可以通過觀察輸入端和輸出端的行為來全面表征該器件。

1.jpg

Figure 1. relay model.
圖1. RF繼電器
要理解S參數的概念,必須知道一些傳輸線理論。與大家熟悉的直流理論相似,在時,最大傳輸功率與電源的阻抗和負載的阻抗有關。來自一個阻抗為ZS的電源的電壓、電流和功率,沿著一條阻抗為Z0的傳輸線路,以波的形式行進到阻抗為ZL的負載。如果ZL = Z0,則全部功率都會從電源傳輸到負載。如果ZL ≠ Z0,則某些功率會從負載反射回電源,不會發(fā)生最大功率傳輸。入射波和反射波之間的關系通過反射系數Γ來表示,它是一個復數,包含關于信號的幅度和相位信息。
如果Z0和ZL完全匹配,則不會發(fā)生反射,Γ = 0。如果ZL開路或短路,則Γ = 1,表示完全不匹配,所有功率都反射回ZS。大多數無源系統(tǒng)中,ZL不與Z0完全相等,因此0 Γ 1。要使Γ大于1,系統(tǒng)必須包含一個增益元件,但RF繼電器示例將不考慮這一情況。反射系數可以表示為相關阻抗的函數,因此Γ可以通過下式計算:
1.jpg(1)
2.jpg→ (2)

假設傳輸線路為一個雙端口網絡,如圖2所示。在這種表示方法中,可以看出,每個行進波都由兩部分組成。從雙端口器件的輸出端流到負載的總行進波部分b2,實際上是由雙端口器件的輸出端反射的一部分a2和透射器件的一部分a1組成。反之,從器件輸入端流回電源的總行進波b1則是由輸入端反射的一部分a1和返回器件的一部分a2組成。

3.jpg

圖2. S參數
根據以上的說明,可以S參數列出用來確定反射波值的公式。反射波和發(fā)射波計算公式分別如式3和式4所示。

4.jpg(3)

如果ZS = Z0(雙端口輸入的阻抗),則不會發(fā)生反射,a1 = 0。如果ZL = Z0(雙端口輸出的阻抗),則不會發(fā)生反射,a2 = 0。因此,我們可以根據匹配條件定義S參數,如下所示:

6.jpg(5)

(6)

6.jpg(7)

8.jpg
其中:
S11 = 輸入反射系數
S12 = 反向透射系數
S21 = 正向透射系數
S22 = 反向反射系數
通過這些公式可以完整描述任何雙端口系統(tǒng),正向和反向增益分別用S21和S12來表征,正向和反向反射功率分別用S11和S22來表征。
要在實際系統(tǒng)中求解上述參數,ZS、Z0和ZL必須匹配。對于大多數系統(tǒng),這很容易在寬頻率范圍內實現。


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