射頻技術：小信號種類之外的多種S參數

描述射頻網絡基本特征的散射參數（S 參數）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傳播，從而包含有關其基本特征的信息。

使用 S 參數，我們甚至可以將最復雜的射頻設備表示為簡單的 N 端口網絡。圖 1顯示了一個雙端口不平衡網絡示例，可用于表示許多標準射頻組件，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上的電壓波的復振幅。如果我們一次刺激一個端口，當另一個端口端接到匹配的負載時，用相應的波量a1或2刺激另一個端口，我們可以根據波量b來定義設備的正向和反向響應。這些量表示從網絡端口反射并通過網絡端口傳輸的電壓波。

圖1. 顯示的是一個雙端口不平衡射頻網絡，它可以代表許多射頻組件。

如果我們取得到的復雜響應和初始刺激量的比率，則可以定義雙端口組件的 S 參數，如公式 1 所示：

然后可以通過將 S 參數組合成一個散射矩陣（S 矩陣）來表示網絡的固有響應，該矩陣將其所有端口處的復波量聯系起來。對于雙端口不平衡網絡，激勵-響應關系將獲得公式 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 參數的類型

小信號

如果沒有明確說明，術語“S參數”通常是指小信號S參數。它們代表RF網絡對小信號激勵的響應，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，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備的信號的功率電平，通常會導致更明顯的非線性效應。這些影響可以使用另一種稱為大信號 S 參數的散射參數來量化。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可用于確定設備的非線性特性，例如其壓縮參數。

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

脈沖 S參數

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。這些散射參數是使用特殊的脈沖響應測量技術獲得的。

Cold S參數

另一種 S 參數，很少被提及，但有時可能變得很重要，它是Clod ?S 參數。術語“冷”是指在非活動模式下獲得有源器件的散射參數（即，當其所有有源元件都處于非活動狀態時；例如，晶體管結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 參數可用于改善信號鏈段與在信號路徑中引起高反射的關閉狀態組件的匹配。

混合模式

到目前為止，當激勵和響應信號以地為參考時，我們已經為典型的單端組件定義了 S 參數。但是，對于具有差分端口的平衡組件，這個定義是不夠的。平衡網絡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。

這可以通過使用混合模式 S 參數來實現。圖 2顯示了混合模式散射參數的示例，這些參數組合成一個擴展的 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絡及其混合模式散射矩陣。

此矩陣中混合模式 S 參數的下標使用命名約定 b-mode、a-mode、b-port 和 a-port。前兩個描述了響應端口（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對應響應，a-port對應激勵端口。

在我們的示例中，端口模式由下標 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s描述了為單端端口獲得的數量。

混合模式散射參數使我們能夠確定射頻組件的基本參數，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鍵品質因數，例如共模抑制比 (CMRR)、幅度不平衡和相位不平衡。

結論

本文介紹了基本定義并簡要討論了散射參數的關鍵類型。S 參數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。

射頻應用的開發依賴于使用描述射頻設計的整體結構和組成組件的 S 參數數據。RF 工程師測量或依賴現有的 S 參數數據，這些數據通常存儲在標準文本文件中，稱為 Touchstone 或 SnP 文件。這些文件通常免費提供給當今市場上最流行的射頻組件。

審核編輯：黃飛