ADI:使用S参数对RF开关模型进行高频验证

文章转自ADI官网，版权归属原作者一切

S参数简介

S （散射）参数用于表征运用匹配阻抗的电气网络。这儿的散射是电流或电压在传输线路中止状况下所受影响的办法。运用.S参数能够将一个器材看作一个具有输入和相应输出的”黑匣子”，这样就能够进行体系建模而不用关怀其实践结构的杂乱细节。

当今集成电路的带宽不断进步，因而有必要在宽频率规模内表征其功能。传统的低频参数，如电阻、电容和增益等，或许与频率有关，因而或许无法全面描绘IC在方针频率的功能。此外，要在整个频率规模内表征一个杂乱IC的每个参数或许是无法完结的，而运用S参数的体系级表征则能够供给更好的数据。

能够运用一个简略的RF继电器来演示高频模型验证技能。如图1所示，能够将RF继电器看作一个三端口器材：一个输入端口、一个输出端口和一个用于开关电路的操控端口。假如器材功能与操控端无关，一旦设定后，就能够将继电器简化为一个双端口器材。因而，能够经过调查输入端和输出端的行为来全面表征该器材。

要了解S参数的概念，有必要知道一些传输线理论。与咱们了解的直流理论相似，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Z_S,的电源的电压、电流和功率，沿着一条阻抗为Z₀, 的传输线路，以波的办法跋涉到阻抗为 Z_L的负载。假如Z_L = Z₀, 则悉数功率都会从电源传输到负载。假如Z_L ≠ Z₀, 则某些功率会从负载反射回电源，不会发作最大功率传输。入射波和反射波之间的联系经过反射系数Γ来表明，它是一个复数，包含关于信号的起伏和相位信息.

假如Z₀ 和 Z_L彻底匹配，则不会发作反射，Γ = 0。假如 Z_L 开路或短路，则Γ = 1，表明彻底不匹配，一切功率都反射回 Z_S 大大都无源体系中， Z_L 不与Z₀, 彻底持平，因而0 < Γ < 1。要使Γ大于1，体系有必要包含一个增益元件，但RF继电器示例将不考虑这一状况。反射系数能够表明为相关阻抗的函数，因而Γ能够经过下式核算：

(1)

→

(2)

假定传输线路为一个双端口网络，如图2所示。在这种表明办法中，能够看出，每个跋涉波都由两部分组成。从双端口器材的输出端流到负载的总跋涉波部分,b₂, 实践上是由双端口器材的输出端反射的一部分a₂ 和透射器材的一部分 a₁组成。反之，从器材输入端流回电源的总跋涉波b₁, 则是由输入端反射的一部分 a₁ 和回来器材的一部分a₂组成

依据以上的阐明，能够运用S参数列出用来确认反射波值的公式。反射波和发射波核算公式别离如式3和式4所示。

(3)

(4)

假如Z_S = Z₀（双端口输入的阻抗），则不会发作反射，a₁ = 0.假如 Z_L = Z₀ （双端口输出的阻抗），则不会发作反射，a₂ = 0.因而，咱们能够依据匹配条件界说S参数，如下所示：

(5)

(6)

(7)

(8)

其间：

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

经过这些公式能够完好描绘任何双端口体系，正向和反向增益别离用 S₂₁ 和 S₁₂,来表征，正向和反向反射功率别离用S₁₁ 和 S₂₂来表征.

要在实践体系中求解上述参数，Z_S, Z₀,和 Z_L有必要匹配。关于大大都体系，这很简略在宽频率规模内完结。

规划和丈量传输线路阻抗

为保证双端口体系具有匹配的阻抗，有必要丈量 Z_S, Z₀, 和 Z_L. 大都RF体系作业在50 Ω环境下。Z_S 和 Z_L 一般受所用矢量网络剖析仪 (VNA) 的类型约束，但能够规划Z₀使之与VNA阻抗匹配。

传输线路规划

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

运用核算方针频率时的复阻抗的公式，确认取得特定阻抗所需的L 和C 的值。调整 L 和C的办法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。运用物理参数，例如从走线到地层的间隔、走线宽度和PCB基板介电常数等，能够平衡电感和电容，然后供给所需的阻抗。规划传输线路阻抗的最简略办法是运用阻抗规划程序，此类程序有许多。

丈量阻抗

规划并出产出传输线路后，有必要丈量其阻抗，以验证规划和施行无误。一种丈量阻抗的办法是运用 时域反射 TDR丈量能够反映PCB走线的信号完好度。TDR沿着信号线发送一个快速脉冲，并记载反射状况，然后运用反射信息核算间隔信号源特定长度处的途径阻抗。运用阻抗信息能够找到信号途径中的开路或短路，或许剖析特定点的传输线路阻抗。

TDR的作业原理是：关于一个不匹配的体系，在信号途径上的不同点，反射会与信号源相加或相减(相长 和 相消 干与).假如体系（本例中为传输线路）匹配50 Ω，则信号途径上不会发作发射，信号坚持不变。但是，假如信号遇到开路，反射将与信号相加，使之加倍；假如信号遇到短路，反射将经过相减与之抵消。

假如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呼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呼应中会呈现一个洼陷。关于容性或理性端接，将看到相似的呼应，因为电容在高频时短路，电感在高频时开路。

在一切影响TDR呼应精度的要素中，最重要的一个是沿信号途径发送的TDR脉冲的上升时间。脉冲的上升时间越快，则TDR能够分辩的特征越小。

依据TDR设备设定的上升时间，体系能够检测的两个不接连点之间的最短空间间隔为：

(9)

其间:

l_min =从信号源到不接连点的最短空间间隔

c₀ = 光在真空中的传播速度

t_rise = 体系的上升时间

ε_eff = 波在其间跋涉的介质的有用介电常数

若是检测相对较长的传输线路，20 ps到30 ps的上升时间即满足；但若要检测集成电路器材的阻抗，则需求比这快得多的上升时间。

记载TDR阻抗丈量成果有助于处理传输线路规划的各种问题，如过错的阻抗、衔接器结点引起的不接连以及焊接相关问题等。

准确记载S参数

一旦完结PCB和体系的规划与制作，就有必要在设定的功率和一系列频率下运用VNA记载下S参数；VNA应经过校准，保证记载的准确性。校准技能的挑选取决于多种要素，如方针频率规模和待测器材(DUT)所需的 参阅平面 等.

校准技能

图4显现了双端口体系的完好12项差错模型及其体系性影响和差错源。丈量频率规模会影响校准挑选：频率越高，则校准差错越大。跟着更多差错项变得显着，有必要替换校准技能以习惯高频影响。

一种广为选用的VNA校准技能是SOLT（短路、开路、负载、透射）校准，也称为TOSM（透射、开路、短路、匹配）校准。它很简略完结，只需求一组已知的规范元件，并在正向和反向两种条件下进行丈量。规范元件能够伴随VNA一同购买，或许从其他制作商购买。对规范元件进行丈量后，就能够确认实测呼应与已知呼应的差异，然后核算体系性差错。

SOLT校准将VNA丈量的参阅平面定坐落校准期间所用同轴电缆的端部。SOLT校准的缺点是：参阅平面之间的任何互连，包含SMA衔接器和PCB走线等，都会影响丈量；跟着丈量频率进步，这些会变成更大的差错源。SOLT校准只能消除图4中显现的6个差错项，但它能为低频丈量供给准确的成果，并具有简略施行的利益。

另一种有用的VNA校准技能是TRL（透射、反射、线路）校准。该技能仅根据短传输线路的特征阻抗。运用两条传输线路互相相差较短长度的两组双端口丈量成果及两组反射丈量成果，就能够确认完好的12项差错模型。能够在DUT的PCB上规划TRL校准套件，以便运用该校准技能消除传输线路规划和互连引起的差错，并将丈量的参阅平面从同轴电缆移动到DUT引脚。

以上两种校准技能各有利益，但TRL能够消除更多差错源，因而能够为高频丈量供给更高的精度。但是，TRL需求准确的传输线路规划和方针频率下的准确TRL规范元件，因而更难以施行。SOLT的施行则相对简略，因为大大都VNA都带有能够在宽频率规模内运用的SOLT规范套件。

PCB规划和完结

为了正确校准VNA，恰当的PCB规划至关重要。TRL等技能能够补偿PCB规划的差错，但无法彻底消除差错。例如，规划选用TRL校准的PCB时，S₂₁ （如RF继电器的插入损耗等）的值有必要很低，为了准确丈量S参数，需求考虑透射规范的回损(S₁₁, S₂₂)回损是指阻抗不匹配导致反射回信号源的输入功率。不管PCB走线的规划多么好，总是存在必定程度的不匹配。大大都PCB制作商只能保证5%的阻抗匹配精度，乃至抵达这一精度也是勉为其难。这种回损会导致VNA指示的插入损耗大于实践存在的插入损耗，因为VNA”以为”它向DUT发送了比实践发送量更大的功率。

跟着要求的插入损耗水平的下降，将有必要削减透射规范奉献给校准的回损量。而丈量频率越高，就越难以做到这一点。

要削减TRL规划的校准规范的回损，有几点需求特别注意。首要，传输线路规划十分重要，需求与PCB制作商亲近和谐，保证运用正确的规划、资料和工艺来完结所需的阻抗与频率曲线。衔接器材的挑选至关重要，有必要能够在相关规模内满足地作业。选定衔接器材后，还有必要保证衔接器与PCB之间的结点规划杰出，如若不然，它或许会损坏同轴电缆与PCB传输线路之间所需的50 Ω阻抗，导致体系回损增大。许多衔接器制作商都会供给高频衔接器的正确布局布线图纸，以及预规划的传输线路规划和PCB堆叠。找到一家能按此规划出产的PCB制作商能够大大简化PCB规划作业。

其次需求考虑PCB的安装衔接器与PCB传输线路之间的结点至关重要，因而衔接器的焊接会对过渡发生严重影响。衔接不良或未对齐的衔接器会损坏电感和电容之间的奇妙平衡，然后影响结点的阻抗。图5是一个焊接不良的衔接器结点示例。

假如规划程序没有考虑阻焊膜涂层的介电常数，则它也或许会对传输线路的阻抗发生晦气影响。在低频PCB中，这不是一个大问题，但跟着频率进步，阻焊膜或许会带来费事。

为了保证透射走线的回损是可接受的，有必要运用VNA丈量回损。因为体系的参阅平面是从衔接器到衔接器，所以SOLT校准应当足以丈量透射走线。一旦确认透射走线的回损功能，就能够经过在走线上履行TDR来监督缺点。TDR会显现体系与方针阻抗误差最大的区域。

在TDR曲线上，应当能够标出体系中对误差奉献最大的详细部分。图6所示为一条传输线路走线及其对应的TDR曲线。能够在TDR曲线上定位某些部分的阻抗，然后理解哪些部分形成了最大的回损。从图中能够看出，SMA与传输线路之间的结点违背50 Ω，而且传输线路自身的阻抗也不是很挨近50 Ω。为了改进该PCB的功能，需求采纳上面所说的一些办法。

运用S参数

在某一频率规模内表征一个DUT时，S参数能够供给许多优点。除了显现某一频率时的增益、损耗或阻抗匹配以外，还能够用Y参数（导纳参数）等其它办法替换S参数，以便核算电容等物理参数。Y参数与S参数的仅有差异在于：前者是在方针引脚短路(0 Ω)状况下导出的（公式5到8），而后者则是在匹配50 Ω端接阻抗状况下导出的。能够对Y参数进行实践丈量，但它比S参数更难以记载，因为在宽频率规模内形成真实的短路十分困难。因为宽带50 Ω匹配更简略做到，因而更好的办法是记载S参数，然后将S参数转换成Y参数。大部分现代RF软件包都能够完结这一点。

核算物理参数

下面举一个运用S参数来核算方针频率规模内电容的比如，考虑图1所示的RF继电器。当继电器开路(即, 断开),时，为了核算继电器到地的电容，首要有必要将S参数记载转换为Y参数，也便是将50 Ω环境下的数据转换为短路端接状况下的数据。从继电器的物理结构能够显着看出，当输出端口接地而且开关断开时，至地的电容能够经过查看 Y₁₁参数而得知，Y₁₁衡量送回信号源的功率量。当开关断开时，一切功率都应被反射回信号源，但实践上，某些功率会抵达接地（Y参数界说的要求）的输出端口，该功率经过电容传输到地。因而，将Y₁₁参数的虚部除以2πf 便得到方针频率时RF继电器到地的电容。

若要核算RF继电器的电感，能够运用相似的办法，但此刻需求用Z（阻抗）参数替代Y参数。Z参数与S参数和Y参数相似，不过它不是运用阻抗匹配或短路，而是运用开路来界说端接。略加考虑便可将此办法使用于一切器材，以核算多种不同的物理参数。

匹配网络

S参数的另一个使用是匹配网络的规划。许多使用要求阻抗匹配以保证在某一频率完结最佳的功率传输。运用S参数，能够丈量器材的输入和输出阻抗，然后能够在史密斯图上显现S参数，并规划恰当的匹配网络。

为客户供给模型

如上所述，因为S参数广泛适用，因而能够运用S参数文件向用户供给线性电路的输入输出信息，并完好描绘宽频率规模内器材的特性，而无需发表杂乱或许专有的规划。客户能够依照与上面所述相似的办法，运用S参数在其体系中构建器材模型。

结束语

S参数是创立和验证宽带宽的高频模型的有用东西。一旦记载下来，便能够运用S参数核算许多其它电路特性，以及创立匹配网络。但是，规划丈量体系时，有必要考虑一些必要的注意事项，其间最重要的是校准办法的挑选和PCB规划。经过采纳本文所述的办法，能够防止某些潜在的问题。

参阅电路

Rako, Paul. “TDR: taking the pulse of signal integrity.” EDN, September 3, 2007.

Bowick, Chris, John Blyler, and Cheryl Ajluni. RF Circuit Design. Newnes. 2007.