利用S參數(shù)對RF開關模型進行高頻驗證

另一種有用的VNA校準技術是TRL（透射、反射、線路）校準。該技術僅基于短傳輸線路的特征阻抗。利用兩條傳輸線路彼此相差較短長度的兩組雙端口測量結果及兩組反射測量結果，就可以確定完整的12項誤差模型?？梢栽贒UT的PCB上設計TRL校準套件，以便利用該校準技術消除傳輸線路設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。

以上兩種校準技術各有長處，但TRL可以消除更多誤差源，因而能夠為高頻測量提供更高的精度。然而，TRL需要精確的傳輸線路設計和目標頻率下的精確TRL標準元件，因此更難以實施。SOLT的實施則相對簡單，因為大多數(shù)VNA都帶有可以在寬頻率范圍內使用的SOLT標準套件。

PCB設計和實現(xiàn)

為了正確校準VNA，適當?shù)腜CB設計至關重要。TRL等技術可以補償PCB設計的誤差，但無法完全消除誤差。例如，設計采用TRL校準的PCB時，S21（如RF繼電器的插入損耗等）的值必須很低，為了精確測量S參數(shù)，需要考慮透射標準的回損(S11、S22)?；負p是指阻抗不匹配導致反射回信號源的輸入功率。無論PCB走線的設計多么好，總是存在一定程度的不匹配。大多數(shù)PCB制造商只能保證5%的阻抗匹配精度，甚至達到這一精度也是勉為其難。這種回損會導致VNA指示的插入損耗大于實際存在的插入損耗，因為VNA“認為”它向DUT發(fā)送了比實際發(fā)送量更大的功率。
隨著要求的插入損耗水平的降低，將有必要減少透射標準貢獻給校準的回損量。而測量頻率越高，就越難以做到這一點。

要減少TRL設計的校準標準的回損，有幾點需要特別注意。首先，傳輸線路設計非常重要，需要與PCB制造商密切協(xié)調，確保使用正確的設計、材料和工藝來實現(xiàn)所需的阻抗與頻率曲線。連接器件的選擇至關重要，必須能夠在相關范圍內滿意地工作。選定連接器件后，還有必要確保連接器與PCB之間的結點設計良好，如若不然，它可能會破壞同軸電纜與PCB傳輸線路之間所需的50 阻抗，導致系統(tǒng)回損增大。許多連接器制造商都會提供高頻連接器的正確布局布線圖紙，以及預設計的傳輸線路設計和PCB堆疊。找到一家能按此設計生產(chǎn)的PCB制造商可以大大簡化PCB設計工作。
其次需要考慮PCB的裝配。連接器與PCB傳輸線路之間的結點至關重要，因此連接器的焊接會對過渡產(chǎn)生重大影響。連接不良或未對齊的連接器會破壞電感和電容之間的微妙平衡，從而影響結點的阻抗。圖5是一個焊接不良的連接器結點示例。

圖5. 連接不良的SMA
如果設計程序沒有考慮阻焊膜涂層的介電常數(shù)，則它也可能會對傳輸線路的阻抗產(chǎn)生不利影響。在低頻PCB中，這不是一個大問題，但隨著頻率提高，阻焊膜可能會帶來麻煩。
為了確保透射走線的回損是可接受的，有必要利用VNA測量回損。因為系統(tǒng)的參考平面是從連接器到連接器，所以SOLT校準應當足以測量透射走線。一旦確定透射走線的回損性能，就可以通過在走線上執(zhí)行TDR來監(jiān)視缺陷。TDR會顯示系統(tǒng)與目標阻抗偏差最大的區(qū)域。
在TDR曲線上，應當可以標出系統(tǒng)中對偏差貢獻最大的具體部分。圖6所示為一條傳輸線路走線及其對應的TDR曲線?？梢栽赥DR曲線上定位某些部分的阻抗，從而明白哪些部分造成了最大的回損。從圖中可以看出，SMA與傳輸線路之間的結點偏離50 ，并且傳輸線路本身的阻抗也不是很接近50 。為了改善該PCB的性能，需要采取上面所說的一些措施。

圖6. PCB與TDR曲線

使用S參數(shù)

在某一頻率范圍內表征一個DUT時，S參數(shù)可以提供許多好處。除了顯示某一頻率時的增益、損耗或阻抗匹配以外，還可以用Y參數(shù)（導納參數(shù)）等其它形式替換S參數(shù)，以便計算電容等物理參數(shù)。Y參數(shù)與S參數(shù)的唯一區(qū)別在于：前者是在目標引腳短路(0 )情況下導出的（公式5到8），而后者則是在匹配50 端接阻抗情況下導出的?？梢詫參數(shù)進行實際測量，但它比S參數(shù)更難以記錄，因為在寬頻率范圍內造成真正的短路非常困難。由于寬帶50 匹配更容易做到，因此更好的方法是記錄S參數(shù)，然后將S參數(shù)轉換成Y參數(shù)。大部分現(xiàn)代RF軟件包都可以實現(xiàn)這一點。

計算物理參數(shù)

下面舉一個利用S參數(shù)來計算目標頻率范圍內電容的例子，考慮圖1所示的RF繼電器。當繼電器開路（即斷開）時，為了計算繼電器到地的電容，首先必須將S參數(shù)記錄轉換為Y參數(shù)，也就是將50 環(huán)境下的數(shù)據(jù)轉換為短路端接情況下的數(shù)據(jù)。從繼電器的物理結構可以明顯看出，當輸出端口接地并且開關斷開時，至地的電容可以通過檢查Y11參數(shù)而得知，Y11衡量送回信號源的功率量。當開關斷開時，所有功率都應被反射回信號源，但實際上，某些功率會到達接地（Y參數(shù)定義的要求）的輸出端口，該功率通過電容傳輸?shù)降?。因此，將Y11參數(shù)的虛部除以2πf便得到目標頻率時RF繼電器到地的電容。
若要計算RF繼電器的電感，可以使用類似的方法，但此時需要用Z（阻抗）參數(shù)代替Y參數(shù)。Z參數(shù)與S參數(shù)和Y參數(shù)相似，不過它不是使用阻抗匹配或短路，而是使用開路來定義端接。略加考慮便可將此方法應用于所有器件，以計算多種不同的物理參數(shù)。

匹配網(wǎng)絡

S參數(shù)的另一個應用是匹配網(wǎng)絡的設計。許多應用要求阻抗匹配以確保在某一頻率實現(xiàn)最佳的功率傳輸。利用S參數(shù)，可以測量器件的輸入和輸出阻抗，然后可以在史密斯圖上顯示S參數(shù)，并設計適當?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡。

為客戶提供模型

如上所述，由于S參數(shù)廣泛適用，因此可以利用S參數(shù)文件向用戶提供線性電路的輸入輸出信息，并完整描述寬頻率范圍內器件的特性，而無需披露復雜或者專有的設計?？蛻艨梢园凑张c上面所述類似的方法，利用S參數(shù)在其系統(tǒng)中構建器件模型。

結束語

S參數(shù)是創(chuàng)建和驗證寬帶寬的高頻模型的有用工具。一旦記錄下來，便可以利用S參數(shù)計算許多其它電路特性，以及創(chuàng)建匹配網(wǎng)絡。然而，設計測量系統(tǒng)時，必須考慮一些必要的注意事項，其中最重要的是校準方法的選擇和PCB設計。通過采取本文所述的措施，可以避免某些潛在的問題。
References
參考文獻
Rako, Paul. “TDR: taking the pulse of signal integrity.” EDN, September 3, 2007.
Bowick, Chris, John Blyler, and Cheryl Ajluni. RF Circuit Design. Newnes. 2007.
作者簡介

Joseph Creech [joseph.creech@analog.com] 2005年畢業(yè)于愛爾蘭科克大學，獲工程學士學位。他已在ADI公司RPS組的設計評估部門工作6年。