S參數(shù)允許對射頻開關(guān)型號進(jìn)行高頻驗證

S 參數(shù)簡介

S（散射）參數(shù)用于使用匹配阻抗表征電網(wǎng)。這里，散射是指行進(jìn)電流或電壓在傳輸線中遇到不連續(xù)性時受到影響的方式。S參數(shù)允許將設(shè)備視為具有輸入和結(jié)果輸出的“黑匣子”，從而可以對系統(tǒng)進(jìn)行建模，而無需處理其實際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜細(xì)節(jié)。

隨著當(dāng)今集成電路帶寬的增加，表征它們在寬頻率范圍內(nèi)的性能非常重要。傳統(tǒng)的低頻參數(shù)（如電阻、電容和增益）可能與頻率有關(guān)，因此可能無法完全描述IC在所需頻率下的性能。此外，可能無法在頻率范圍內(nèi)表征復(fù)雜IC的每個參數(shù)，因此使用S參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級表征可能會提供更好的數(shù)據(jù)。

一個簡單的RF繼電器可用于演示高頻模型驗證技術(shù)。如圖1所示，RF繼電器可以被認(rèn)為是一個三端口器件，具有輸入、輸出和用于打開和關(guān)閉電路的控制裝置。如果設(shè)備性能與控制端子無關(guān)，一旦設(shè)置，繼電器可以簡化為雙端口設(shè)備。因此，可以通過觀察其輸入和輸出端子的行為來完全表征該器件。

圖1.射頻繼電器型號。

為了理解S參數(shù)的概念，了解一些傳輸線理論很重要。與熟悉的直流關(guān)系類似，高頻下的最大功率傳輸與電源的阻抗和負(fù)載的阻抗有關(guān)。來自阻抗源的電壓、電流和功率ZS，以波浪形式傳播到負(fù)載，阻抗ZL，沿阻抗傳輸線Z0.如果ZL = Z0，總功率從電源傳輸?shù)截?fù)載。如果ZL ≠Z0，一些功率從負(fù)載反射回電源，并且不會發(fā)生最大功率傳輸。入射波和反射波之間的關(guān)系稱為反射系數(shù)，Γ反射系數(shù)，這是一個包含有關(guān)信號的幅度和相位信息的復(fù)數(shù)。

如果匹配之間Z0 和ZL是完美的，沒有反射發(fā)生，Γ = 0。如果ZL 開路或短路，Γ = 1，表示完全不匹配，所有功率反射回ZS.在大多數(shù)無源系統(tǒng)中，ZL不完全等于Z0，所以 0 < Γ < 1。為了使Γ大于單位，系統(tǒng)必須包含一個增益元件，在RF繼電器的情況下不會考慮該元件。反射系數(shù)可以表示為所考慮阻抗的函數(shù)，因此?？梢杂嬎銥椋?/p>

(1)

→

(2)

假設(shè)傳輸線為雙端口網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。在這種表示中，可以看出每個行波都由兩個分量組成。從雙端口設(shè)備輸出流向負(fù)載的總行波分量，b2，實際上是由2這反映在雙端口設(shè)備的輸出加上1通過設(shè)備傳輸。相反，從設(shè)備輸入流回源的總行波，b1，由1這反映在輸入加上 a 的分?jǐn)?shù)上2通過設(shè)備傳輸回。

圖2.S 參數(shù)模型。

使用上述解釋，可以使用S參數(shù)編寫方程來確定反射波的值。等式3和等式4顯示了反射波和透射波方程。

(3)

(4)

如果ZS = Z0（雙端口輸入阻抗），不發(fā)生反射，并且一個1 = 0。如果ZL = Z0（雙端口輸出阻抗），不發(fā)生反射，并且2= 0。因此，我們可以根據(jù)匹配條件將 S 參數(shù)定義為：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：

S11= 輸入反射系數(shù)。

S12= 反向傳輸系數(shù)。

S21= 正向傳輸系數(shù)。

S22= 反向反射系數(shù)。

任何雙端口系統(tǒng)都可以用這些公式完全描述，正向和反向增益以S21和 S12，以及以 S 為特征的正向和反向反射功率11和 S22.

為了在物理系統(tǒng)中實現(xiàn)上述參數(shù)，ZS， Z0和ZL必須匹配。對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，這很容易在很寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)。

設(shè)計和測量傳輸線阻抗

為了確保雙端口系統(tǒng)具有匹配的阻抗，有必要測量ZS， Z0和ZL.大多數(shù)射頻系統(tǒng)在 50 Ω的環(huán)境中工作。ZS 和ZL通常受所用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 （VNA） 類型的限制，但 Z0可以設(shè)計為匹配 VNA 阻抗。

傳輸線設(shè)計

傳輸線的阻抗由線路上的電感和電容之比設(shè)置。傳輸線的簡單模型如圖3所示。

圖3.傳輸線的集總單元模型。

用于計算所需頻率下的復(fù)阻抗的方程確定獲得特定阻抗所需的L和C值。調(diào)整L和C的方式取決于傳輸線模型的類型，最常見的模型是微帶和共面波導(dǎo)。使用物理參數(shù)， 例如從走線到接地層的距離， 走線寬度， 和PCB基板的介電常數(shù)， 可以平衡電感和電容以提供所需的阻抗.設(shè)計傳輸線阻抗的最簡單方法是使用眾多可用的阻抗設(shè)計程序之一。

測量阻抗

一旦設(shè)計和生產(chǎn)了傳輸線，就必須測量阻抗以驗證設(shè)計和執(zhí)行是否正確。測量阻抗的一種方法是使用時域反射計（TDR）。TDR 測量提供了 PCB 走線信號完整性的表示。TDR沿信號線發(fā)送快速脈沖并記錄反射，然后用于計算距源特定距離處的路徑阻抗。然后，該信息可用于查找信號路徑中的開路或短路，或分析傳輸線在特定點的阻抗。

TDR基于這樣的原則：在不匹配的系統(tǒng)中，發(fā)生的反射將在信號路徑上的各個點增加或減少信號源（建設(shè)性和破壞性干擾）。如果系統(tǒng)（在本例中為傳輸線）匹配到50 Ω，則信號路徑上不會發(fā)生反射，并且信號保持不變。但是，如果信號遇到開路，反射會增加信號，使其加倍;如果信號遇到短路，反射通過減法將其歸零。

如果信號遇到值略高于正確匹配電阻的終端電阻，則TDR響應(yīng)中將出現(xiàn)凸起;略低的端接電阻將導(dǎo)致TDR響應(yīng)下降。電容或電感端接的響應(yīng)相當(dāng)，因為電容器在高頻下短路，電感在高頻下開路。

在影響TDR響應(yīng)精度的因素中，最重要的因素之一是沿信號路徑發(fā)送的TDR脈沖的上升時間。脈沖上升時間越快，TDR可以解析的特征越小。

根據(jù)TDR設(shè)備的設(shè)定上升時間，系統(tǒng)在兩個不連續(xù)性之間可以檢測到的最小空間距離為：

(9)

其中：

lmin = 不連續(xù)性與源的最小空間距離。

c0= 真空中的光速。

t上升= 系統(tǒng)的上升時間。

εeff= 波傳播介質(zhì)的有效介電常數(shù)。

為了檢查相對較長的傳輸線長度，20 ps至30 ps的上升時間就足夠了;然而，需要更快的上升時間來檢查集成電路器件的阻抗。

可以記錄TDR阻抗測量值，以幫助解決傳輸線設(shè)計的各種問題，例如阻抗不正確，連接器結(jié)引起的不連續(xù)性以及與焊接相關(guān)的問題。

準(zhǔn)確記錄 S 參數(shù)

設(shè)計和制造PCB和系統(tǒng)后，必須使用經(jīng)過校準(zhǔn)的VNA在設(shè)定功率范圍內(nèi)記錄S參數(shù)，以確保準(zhǔn)確記錄。校準(zhǔn)技術(shù)的選擇將取決于目標(biāo)頻率范圍和被測器件（DUT）的必要參考平面等因素。

校準(zhǔn)技術(shù)

圖 4 顯示了完整的 12 項誤差模型，其中包含雙端口系統(tǒng)的系統(tǒng)效應(yīng)和誤差源。測量頻率范圍會影響校準(zhǔn)選擇：頻率越高，校準(zhǔn)誤差越大。隨著越來越多的項變得重要，校準(zhǔn)技術(shù)必須改變以適應(yīng)高頻效應(yīng)。

圖4.完整的雙端口、12 項誤差模型。

一種廣泛使用的VNA校準(zhǔn)技術(shù)是SOLT（短路，開路，負(fù)載，直通）校準(zhǔn)，也稱為TOSM（直通，開路，短路，匹配）。它易于實現(xiàn)，只需要一組已知的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)在正向和反向方向上都進(jìn)行測量。這些可以通過 VNA 或其他制造商購買。測量這些標(biāo)準(zhǔn)后，可以通過確定測量響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)已知響應(yīng)之間的差異來計算系統(tǒng)誤差。

SOLT校準(zhǔn)將VNA測量的參考平面定位在校準(zhǔn)過程中使用的同軸電纜的末端。SOLT校準(zhǔn)的一個缺點是參考平面之間引入的任何互連，包括例如SMA（超小型A版）連接器和PCB走線，都會影響測量;隨著測量頻率的增加，這些將成為更大的誤差源。SOLT校準(zhǔn)僅消除了圖4所示的6個誤差項，但它可以為低頻測量提供準(zhǔn)確的結(jié)果，并且具有易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

另一種有用的VNA校準(zhǔn)技術(shù)是TRL（直通，反射，線）校準(zhǔn)。該技術(shù)僅基于短傳輸線的特性阻抗。使用兩組雙端口測量（傳輸線長度不同）和兩個反射測量，可以確定完整的12項誤差模型。TRL校準(zhǔn)套件可以在DUT的PCB上設(shè)計，允許校準(zhǔn)技術(shù)消除由于傳輸線設(shè)計和互連引起的誤差，并將測量的參考平面從同軸電纜移動到DUT引腳。

兩種校準(zhǔn)技術(shù)都有其優(yōu)點，但TRL消除了更多的誤差源，因此它可以為高頻測量提供更高的精度。然而，它可能更難實現(xiàn)，因為它需要在目標(biāo)頻率下進(jìn)行精確的傳輸線設(shè)計和精確的TRL標(biāo)準(zhǔn)。SOLT 更容易實現(xiàn)，因為大多數(shù) VNA 都附帶可在寬頻率范圍內(nèi)使用的 SOLT 標(biāo)準(zhǔn)套件。

電路板設(shè)計與實現(xiàn)

為了正確校準(zhǔn) VNA，正確的 PCB 設(shè)計至關(guān)重要。TRL等技術(shù)可以補(bǔ)償PCB設(shè)計中的誤差，但不能完全消除它們。例如，在設(shè)計具有TRL校準(zhǔn)功能的PCB時，精確的S參數(shù)測量，其中低值S21（如射頻繼電器的插入損耗）是必要的，需要考慮回波損耗（S11,S22）的直通標(biāo)準(zhǔn)?；夭〒p耗是由于阻抗不匹配而反射回源的輸入功率。而且，無論PCB走線設(shè)計得多么好，總會有一定程度的不匹配。大多數(shù)PCB制造商只能保證阻抗匹配到所需阻抗的±5%，甚至很難.此回波損耗導(dǎo)致 VNA 指示的插入損耗大于實際存在的插入損耗，因為 VNA “認(rèn)為”它通過 DUT 發(fā)送的功率比實際存在的要多。

隨著所需插入損耗水平的降低，有必要降低直通標(biāo)準(zhǔn)對校準(zhǔn)的回波損耗。隨著測量頻率的增加，這變得越來越困難。

改善TRL設(shè)計校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的回波損耗涉及許多關(guān)鍵考慮因素。首先，傳輸線設(shè)計至關(guān)重要，需要與PCB制造商密切協(xié)調(diào)，以確保使用正確的設(shè)計，材料和工藝來實現(xiàn)所需的阻抗與頻率曲線。選擇能夠在該范圍內(nèi)令人滿意地運行的連接器組件至關(guān)重要。一旦選擇了組件， 還需要確保連接器和PCB之間的連接設(shè)計良好;否則，它可能會破壞同軸電纜和PCB傳輸線之間所需的50 Ω阻抗，從而降低系統(tǒng)回波損耗。許多連接器制造商提供了高頻連接器正確布局的圖紙，以及預(yù)先設(shè)計的傳輸線設(shè)計和PCB堆疊。尋找可以生產(chǎn)這種設(shè)計的PCB制造商大大簡化了PCB設(shè)計工作.

其次，考慮PCB的組裝。由于連接器和PCB傳輸線之間的連接至關(guān)重要，因此連接的焊接對過渡有很大的影響。連接不良或未對準(zhǔn)的連接器會破壞定義結(jié)阻抗的電感和電容之間的微妙平衡。圖5顯示了一個焊接不良的連接器結(jié)的示例。

圖5.連接不良的 SMA。

如果設(shè)計程序未考慮阻焊層的介電常數(shù)，則阻焊涂層也會對傳輸線的阻抗產(chǎn)生不良影響。雖然在低頻PCB中不是主要考慮因素， 隨著頻率的增加， 阻焊層可能會變得麻煩.

為了確保直通跡線的回波損耗是可接受的，有必要使用VNA對其進(jìn)行測量。當(dāng)系統(tǒng)的參考平面從一個連接器到另一個連接器時，SOLT校準(zhǔn)應(yīng)該足以測量直通跡線。一旦確定了直通的回波損耗性能，就可以通過對走線執(zhí)行TDR來監(jiān)控缺陷。TDR將顯示系統(tǒng)偏離所需阻抗最大的區(qū)域。

在TDR圖上，應(yīng)該可以標(biāo)記出導(dǎo)致大部分偏差的系統(tǒng)特定組件。圖6顯示了傳輸線走線及其相應(yīng)的TDR圖?？梢栽赥DR圖上定位某些元件的阻抗，以查看哪些元件貢獻(xiàn)了大部分回波損耗。從該圖中可以看出，SMA與傳輸線之間的結(jié)偏離了50 Ω，傳輸線本身的阻抗并不令人滿意地接近50 Ω。為了提高該PCB的性能， 有必要努力實現(xiàn)其中一些考慮因素.

圖6.PCB到TDR圖。

使用 S 參數(shù)

S 參數(shù)在表征 DUT 的頻率范圍內(nèi)具有許多優(yōu)勢。除了顯示特定頻率下的增益、損耗或阻抗匹配外，還可以通過將 S 參數(shù)替換為其他形式（如 Y 參數(shù)）（導(dǎo)納參數(shù)）來計算電容等物理參數(shù)。Y 參數(shù)的不同之處僅在于它們是根據(jù)目標(biāo)端子的短路 （0 Ω） 推導(dǎo)的（公式 5-8），而不是像 S 參數(shù)那樣以匹配的 50 Ω端接推導(dǎo)。Y參數(shù)可以物理測量，但它們比S參數(shù)更難記錄，因為在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生真正的短路是困難的。由于更容易進(jìn)行寬帶 50 Ω匹配，因此最好記錄 S 參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為 Y 參數(shù)。大多數(shù)現(xiàn)代射頻軟件包都可以做到這一點。

計算物理參數(shù)

有關(guān)使用S參數(shù)計算所需頻率范圍內(nèi)電容的示例，請考慮圖1所示的RF繼電器示例。要計算繼電器開路（即關(guān)閉）時繼電器對地的電容，首先需要將 S 參數(shù)記錄更改為 Y 參數(shù)，這會將數(shù)據(jù)從 50 Ω環(huán)境轉(zhuǎn)換為短路端接。從繼電器的物理結(jié)構(gòu)可以明顯看出，當(dāng)輸出端口端接至地且開關(guān)關(guān)閉時，通過檢查Y11參數(shù)，衡量發(fā)回電源的功率量。當(dāng)開關(guān)打開時，預(yù)計所有功率都會被反射。但是，部分電源將通向接地的輸出端口（根據(jù) Y 參數(shù)的定義）。功率通過電容傳遞到地。因此，劃分虛部Y112πf 的參數(shù)將使射頻繼電器的電容在所需頻率下接地。

為了計算RF繼電器的電感，使用了類似的方法，但使用Z-（阻抗）參數(shù)代替Y參數(shù)。Z 參數(shù)類似于 S 和 Y 參數(shù)，但不是電阻匹配或短路，而是使用開路來定義端接。稍加思考，這種方法可以應(yīng)用于所有設(shè)備來計算各種物理參數(shù)。

匹配網(wǎng)絡(luò)

S參數(shù)的另一個用途是設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。許多應(yīng)用需要阻抗匹配，以確保在特定頻率下實現(xiàn)最佳功率傳輸。使用S參數(shù)，可以測量器件的輸入和輸出阻抗。然后可以將 S 參數(shù)顯示在史密斯圖上，并可以設(shè)計適當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)。

為客戶提供模型

如前所述，由于其通用性，S參數(shù)文件可用于向客戶提供線性電路的輸入輸出信息，因為可以在大頻率范圍內(nèi)完整描述零件，而無需披露復(fù)雜（或可能是專有）的設(shè)計?？蛻艨梢园凑涨懊婷枋龅念愃品绞绞褂?S 參數(shù)對系統(tǒng)中的零件進(jìn)行建模。

結(jié)論

S 參數(shù)是用于在大帶寬上創(chuàng)建和驗證高頻模型的有用工具。一旦記錄下來，它們就可以用來計算許多其他電路特性并創(chuàng)建匹配的網(wǎng)絡(luò)。但是，在設(shè)計測量系統(tǒng)時，必須考慮一些必要的預(yù)防措施。最重要的是校準(zhǔn)方法和PCB設(shè)計的選擇。通過遵循此處概述的措施，可以避免一些潛在的陷阱。