德州仪器：S参数究竟是什么？

北京2019年6月4日 /美通社/ -- 近日，德州仪器对散射参数（S参数）进行了深入研究及分析。现代高速模数转换器（ADC）已经实现了射频（RF）信号的直接采样，因而在许多情况下均无需进行混频，同时也提高了系统的灵活性和功能。

传统上，ADC信号和时钟输入都采用集总元件模型来表示。但是对于RF采样转换器而言，其工作频率已经增加至需要采用分布式表示的程度，那么原有的方法就不适用了。

本系列文章将从三个部分入手，说明如何将散射参数（也称为S参数）应用于直接射频采样结构的设计。

起决定性作用的S参数

S参数就是建立在入射微波与反射微波关系基础上的网络参数。它对于电路设计非常有用，因为可以利用入射波与反射波的比率来计算诸如输入阻抗、频率响应和隔离等指标。而且由于可以用矢量网络分析仪（VNA）直接测量S参数，因此无需知晓网络的具体细节。

图1所示的是一个双端口网络的例子，其入射波量为a_x，反射波量为b_x，其中x是端口。在该讨论中，我们假设被测器件是线性网络，因此适合采用叠加法。

图1：双端口网络波量

通常情况下，在测量所有端口上的反射波时，VNA一次只刺激一个端口（通过将入射波推到该端口）。而且所测量的这些波量是非常复杂的，因为每个波量都有相应的振幅和相位。因此，这个过程需要针对每个测试频率下的每个端口不断重复。

对于双端口器件，我们可以从测量数据中形成四个有意义的比率。这些比率通常用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，假设一次只刺激一个端口，那么其他端口的入射波为零（用系统的特性阻抗Z₀来表示终止）。

方程式1至4适用于四个双端口S参数。S₁₁ and S₂₂ 分别表示端口1和端口2的复阻抗。S₂₁表示传输特性，端口1为输入，端口2为输出（S₁₂ 与之相同，但端口2为输入，端口1为输出）。

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

对于单向器件而言，如放大器（端口1为输入，端口2为输出），可以用S₁₁表示输入阻抗，用S₂₁表示频率响应，用S₁₂表示反向隔离，用S₂₂表示输出阻抗。数据转换器也是一种单向器件，但其端口2通常为数字输出，这对测量和解读都会产生一定的影响。

将S参数扩展到多端口器件和差分器件

可以将S参数框架扩展到任意数量的端口，有意义的参数数量为2^N，其中N表示端口数量。许多集成电路由于振荡和共模抑制能力增强而具有差分输入和输出。射频采样ADC（如TI的ADC12DJ5200RF）通常具有差分射频输入和差分时钟输入。我们还可以进一步扩展S参数框架，以支持差分端口。

为满足严苛的应用要求而设计？

使用超高速ADC以满足未来测试和测量应用的需求

如图2所示，对于差分端口来说，我们必须区分共模波和差模波。两种模式具有相同的入射振幅，但差模入射波具有180度的相移，而共模入射波具有相同的相位。

图2：差模波和共模波

对于端口之间没有反馈的线性器件来说，可以采用叠加法，根据单端S参数测量（在任何给定时间内，只有一个端口具有处于活动状态的入射波）来计算出差共混合模式S参数。现代高性能VNA还支持用差模或共模波同时刺激两个端口。

测量数据转换器S参数所面临的挑战

数据转换器的半模拟半数字特性给测量S参数带来了挑战。VNA不能直接与数据转换器的数字总线相连接，因此需要采用专门的方法来进行测量。

本系列文章的第二部分将介绍测量德州仪器射频采样数据转换器S参数的方法。第三部分将讨论如何在射频采样数据转换器系统的设计中使用S参数。