射頻技術(shù)：小信號種類之外的多種S參數(shù)

描述射頻網(wǎng)絡(luò)基本特征的散射參數(shù)（S 參數(shù)）有多種形式，包括小信號、大信號、脈沖、冷模式、混合模式。它們量化了射頻能量如何通過系統(tǒng)傳播，從而包含有關(guān)其基本特征的信息。

使用 S 參數(shù)，我們甚至可以將最復(fù)雜的射頻設(shè)備表示為簡單的 N 端口網(wǎng)絡(luò)。圖 1顯示了一個雙端口不平衡網(wǎng)絡(luò)示例，可用于表示許多標(biāo)準射頻組件，例如射頻放大器、濾波器或衰減器等。

圖1所示的波量（wave quantities）是入射到器件端口1和端口2上的電壓波的復(fù)振幅。如果我們一次刺激一個端口，當(dāng)另一個端口端接到匹配的負載時，用相應(yīng)的波量a1或2刺激另一個端口，我們可以根據(jù)波量b來定義設(shè)備的正向和反向響應(yīng)。這些量表示從網(wǎng)絡(luò)端口反射并通過網(wǎng)絡(luò)端口傳輸?shù)碾妷翰ā?/p>

圖1. 顯示的是一個雙端口不平衡射頻網(wǎng)絡(luò)，它可以代表許多射頻組件。

如果我們?nèi)〉玫降膹?fù)雜響應(yīng)和初始刺激量的比率，則可以定義雙端口組件的 S 參數(shù)，如公式 1 所示：

然后可以通過將 S 參數(shù)組合成一個散射矩陣（S 矩陣）來表示網(wǎng)絡(luò)的固有響應(yīng)，該矩陣將其所有端口處的復(fù)波量聯(lián)系起來。對于雙端口不平衡網(wǎng)絡(luò)，激勵-響應(yīng)關(guān)系將獲得公式 2 中的形式：

可以以類似的方式為任意 N 端口 RF 組件定義 S 矩陣。

S 參數(shù)的類型

小信號

如果沒有明確說明，術(shù)語“S參數(shù)”通常是指小信號S參數(shù)。它們代表RF網(wǎng)絡(luò)對小信號激勵的響應(yīng)，量化其在線性工作模式下隨頻率變化的反射和傳輸特性。使用小信號S參數(shù)，我們可以確定基本的RF特性，包括電壓駐波比（VSWR），回波損耗，插入損耗或給定頻率下的增益。

大信號

但是，如果我們不斷增加通過射頻設(shè)備的信號的功率電平，通常會導(dǎo)致更明顯的非線性效應(yīng)。這些影響可以使用另一種稱為大信號 S 參數(shù)的散射參數(shù)來量化。它們不僅在不同頻率上變化，而且在激勵信號的不同功率水平上變化。這種類型的散射參數(shù)可用于確定設(shè)備的非線性特性，例如其壓縮參數(shù)。

通常使用連續(xù)波 (CW) 激勵信號并應(yīng)用窄帶響應(yīng)檢測來測量小信號和大信號 S 參數(shù)。然而，許多射頻組件設(shè)計為使用具有寬頻域響應(yīng)的脈沖信號工作。這使得使用標(biāo)準窄帶檢測方法準確表征 RF 組件變得具有挑戰(zhàn)性。

脈沖 S參數(shù)

因此，為了在脈沖模式下表征器件，通常使用所謂的脈沖 S 參數(shù)。這些散射參數(shù)是使用特殊的脈沖響應(yīng)測量技術(shù)獲得的。

Cold S參數(shù)

另一種 S 參數(shù)，很少被提及，但有時可能變得很重要，它是Clod ?S 參數(shù)。術(shù)語“冷”是指在非活動模式下獲得有源器件的散射參數(shù)（即，當(dāng)其所有有源元件都處于非活動狀態(tài)時；例如，晶體管結(jié)為反向或零偏置并且沒有傳輸電流流動） . 例如，這種類型的 S 參數(shù)可用于改善信號鏈段與在信號路徑中引起高反射的關(guān)閉狀態(tài)組件的匹配。

混合模式

到目前為止，當(dāng)激勵和響應(yīng)信號以地為參考時，我們已經(jīng)為典型的單端組件定義了 S 參數(shù)。但是，對于具有差分端口的平衡組件，這個定義是不夠的。平衡網(wǎng)絡(luò)需要更廣泛的表征方法，該方法必須能夠充分描述它們的差模和共模響應(yīng)。

這可以通過使用混合模式 S 參數(shù)來實現(xiàn)。圖 2顯示了混合模式散射參數(shù)的示例，這些參數(shù)組合成一個擴展的 S 矩陣，代表典型的兩端口平衡組件。

圖2. 這是一個雙端口平衡射頻網(wǎng)絡(luò)及其混合模式散射矩陣。

此矩陣中混合模式 S 參數(shù)的下標(biāo)使用命名約定 b-mode、a-mode、b-port 和 a-port。前兩個描述了響應(yīng)端口（b-mode）和激勵端口（a-mode）的模式，后兩個指定了這些端口的索引號，其中b-port對應(yīng)響應(yīng)，a-port對應(yīng)激勵端口。

在我們的示例中，端口模式由下標(biāo) d（差分）或 c-共模定義。然而，在同時具有平衡和非平衡端口的組件的更一般情況下，混合模式S矩陣還將具有附加元件，其下標(biāo)s描述了為單端端口獲得的數(shù)量。

混合模式散射參數(shù)使我們能夠確定射頻組件的基本參數(shù)，例如回波損耗或增益。此外，它們還可以確定用于表征差分電路性能的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，例如共模抑制比 (CMRR)、幅度不平衡和相位不平衡。

結(jié)論

本文介紹了基本定義并簡要討論了散射參數(shù)的關(guān)鍵類型。S 參數(shù)可用于描述射頻組件在不同頻率和不同功率電平下的基本特性。

射頻應(yīng)用的開發(fā)依賴于使用描述射頻設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)和組成組件的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)。RF 工程師測量或依賴現(xiàn)有的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常存儲在標(biāo)準文本文件中，稱為 Touchstone 或 SnP 文件。這些文件通常免費提供給當(dāng)今市場上最流行的射頻組件。

審核編輯：黃飛