北京2019年6月4日 /美通(tong)社/ -- 近日，德州儀器(qi)對散射參數(shu)（S參數(shu)）進行了深入研(yan)究及分析。現代高(gao)速模數轉(zhuan)換器（ADC）已(yi)經實(shi)現了(le)射頻(pin)（RF）信號的(de)直接采樣，因而(er)在許多情(qing)況下(xia)均無需進行混頻(pin)，同時也提高(gao)了(le)系統的(de)靈活(huo)性和功(gong)能。

傳統上(shang)，ADC信號(hao)和時鐘輸入(ru)都(dou)采用集總元件模(mo)型來表示。但是對于RF采樣(yang)轉換(huan)器而言，其(qi)工(gong)作頻率(lv)已經增加至需要(yao)采用分布式表示的(de)程度，那么原有的(de)方(fang)法(fa)就不適用了。

本系列文章將從三(san)個部分(fen)入手，說明如何將散射(she)參數(shu)（也稱(cheng)為S參數(shu)）應用于直(zhi)接(jie)射(she)頻采樣結構的設計。

起決定性作用的S參數

S參(can)數就是建立(li)在入射(she)微波與(yu)反射(she)微波關系(xi)基(ji)礎上的(de)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)參(can)數。它對(dui)于電路設計(ji)非常有用(yong)，因為(wei)可(ke)以利用(yong)入射(she)波與(yu)反射(she)波的(de)比率(lv)來(lai)計(ji)算諸如輸(shu)入阻抗、頻率(lv)響應和隔(ge)離等指(zhi)標(biao)。而且由(you)于可(ke)以用(yong)矢量網(wang)(wang)絡(luo)(luo)分(fen)析儀(yi)（VNA）直接(jie)測量S參(can)數，因此無(wu)需知曉網(wang)(wang)絡(luo)(luo)的(de)具體細節。

圖1所示的是一個雙端口網絡的例子，其入射波量為a_x，反射波量為b_x，其中x是端口。在該討論中，我們假設被測器件是線(xian)性(xing)網絡，因此適合采用疊加法。

通常情況下，在測(ce)量所(suo)有(you)端(duan)口(kou)(kou)上的(de)(de)反射波(bo)時，VNA一次(ci)只刺(ci)激(ji)一個(ge)端(duan)口(kou)(kou)（通過將入(ru)射波(bo)推(tui)到(dao)該(gai)端(duan)口(kou)(kou)）。而且(qie)所(suo)測(ce)量的(de)(de)這些(xie)波(bo)量是非常復雜的(de)(de)，因(yin)為(wei)每個(ge)波(bo)量都有(you)相應的(de)(de)振(zhen)幅和相位。因(yin)此，這個(ge)過程需要針對(dui)每個(ge)測(ce)試頻率下的(de)(de)每個(ge)端(duan)口(kou)(kou)不斷(duan)重(zhong)復。

對于雙端口器件，我們可以從測量數據中形成四個有意義的比率。這些比率通常用s_ij表示，其中i表示反射端口，而j表示入射端口。正如上文提到的，假設一次只刺激一個端口，那么其他端口的入射波為零（用系統的特性阻抗Z₀來表示終止）。

方程式1至4適用于四個雙端口S參數。S₁₁ and S₂₂ 分別表示端口1和端口2的復阻抗。S₂₁表示傳輸特性，端口1為輸入，端口2為輸出（S₁₂ 與之相同，但(dan)端(duan)口2為(wei)輸入，端(duan)口1為(wei)輸出）。

S₁₁ = b₁/a₁，a₂ = 0                     (1)
S₂₁ = b₂/a₁，a₂ = 0                     (2)
S₁₂ = b₁/a₂，a₁ = 0                     (3)
S₂₂ = b₂/a₂，a₁ = 0                     (4)

對于單向器件而言，如放大器（端口1為輸入，端口2為輸出），可以用S₁₁表示輸入阻抗，用S₂₁表示頻率響應，用S₁₂表示反向隔離，用S₂₂表示輸出阻抗(kang)。數據轉換器也(ye)是一種單向器件(jian)，但(dan)其端口2通常為數字輸出，這對測量(liang)和解(jie)讀都(dou)會產生一定的影響。

將S參數擴展到多端口器件和差分器件

可以將S參數框架擴展到任意數量的端口，有意義的參數數量為2^N，其中N表示(shi)端口數量(liang)。許多集(ji)成電路由于振蕩(dang)和共模(mo)抑制能力增強而具有(you)差(cha)分(fen)(fen)輸入和輸出。射頻采樣ADC（如TI的）通常具有(you)差(cha)分(fen)(fen)射頻輸入和差(cha)分(fen)(fen)時鐘輸入。我們還可以進(jin)一步擴展S參數框架(jia)，以支持差(cha)分(fen)(fen)端口。

為滿足嚴苛的應用要求而設計？

如圖2所示，對于差(cha)分端口來說，我們必須區分共(gong)模(mo)波和差(cha)模(mo)波。兩種模(mo)式(shi)具(ju)有相同的入(ru)射振幅(fu)，但差(cha)模(mo)入(ru)射波具(ju)有180度的相移，而共(gong)模(mo)入(ru)射波具(ju)有相同的相位。

對(dui)于(yu)端(duan)(duan)口之間沒有(you)(you)反饋的(de)線性器件來(lai)(lai)說，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)疊加法(fa)，根據單端(duan)(duan)S參數(shu)測量（在任(ren)何給定時間內，只有(you)(you)一個端(duan)(duan)口具有(you)(you)處于(yu)活(huo)動狀態的(de)入射波）來(lai)(lai)計算出差(cha)共(gong)混合模(mo)式S參數(shu)。現代高性能VNA還(huan)支持用(yong)差(cha)模(mo)或共(gong)模(mo)波同時刺激兩個端(duan)(duan)口。

測量數據轉換器S參數所面臨的挑戰

數(shu)(shu)(shu)據轉(zhuan)換(huan)器(qi)的半(ban)模(mo)擬半(ban)數(shu)(shu)(shu)字(zi)特性給測(ce)量(liang)S參數(shu)(shu)(shu)帶(dai)來了(le)挑(tiao)戰(zhan)。VNA不能直(zhi)接與數(shu)(shu)(shu)據轉(zhuan)換(huan)器(qi)的數(shu)(shu)(shu)字(zi)總(zong)線相(xiang)連接，因(yin)此需要采(cai)用專門的方法來進行(xing)測(ce)量(liang)。

本系列(lie)文章的第二部(bu)(bu)分將介紹測量德州儀器(qi)射(she)頻采樣數據(ju)(ju)轉換(huan)器(qi)S參(can)數的方法。第三(san)部(bu)(bu)分將討論如何在射(she)頻采樣數據(ju)(ju)轉換(huan)器(qi)系統的設計中使用S參(can)數。