利用S參數對RF開(kāi)關(guān)模型進(jìn)行高頻驗證

另一種有用的VNA校準技術(shù)是TRL（透射、反射、線(xiàn)路）校準。該技術(shù)僅基于短傳輸線(xiàn)路的特征阻抗。利用兩條傳輸線(xiàn)路彼此相差較短長(cháng)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(shù)消除傳輸線(xiàn)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(dòng)到DUT引腳。

以上兩種校準技術(shù)各有長(cháng)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(xiàn)路設計和目標頻率下的精確TRL標準元件，因此更難以實(shí)施。SOLT的實(shí)施則相對簡(jiǎn)單，因為大多數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(shí)現

為了正確校準VNA，適當的PCB設計至關(guān)重要。TRL等技術(shù)可以補償PCB設計的誤差，但無(wú)法完全消除誤差。例如，設計采用TRL校準的PCB時(shí)，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，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(wú)論PCB走線(xiàn)的設計多么好，總是存在一定程度的不匹配。大多數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(huì )導致VNA指示的插入損耗大于實(shí)際存在的插入損耗，因為VNA“認為”它向DUT發(fā)送了比實(shí)際發(fā)送量更大的功率。
隨著(zhù)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(diǎn)。

要減少TRL設計的校準標準的回損，有幾點(diǎn)需要特別注意。首先，傳輸線(xiàn)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(lái)實(shí)現所需的阻抗與頻率曲線(xiàn)。連接器件的選擇至關(guān)重要，必須能夠在相關(guān)范圍內滿(mǎn)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(diǎn)設計良好，如若不然，它可能會(huì )破壞同軸電纜與PCB傳輸線(xiàn)路之間所需的50 阻抗，導致系統回損增大。許多連接器制造商都會(huì )提供高頻連接器的正確布局布線(xiàn)圖紙，以及預設計的傳輸線(xiàn)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(jiǎn)化PCB設計工作。
其次需要考慮PCB的裝配。連接器與PCB傳輸線(xiàn)路之間的結點(diǎn)至關(guān)重要，因此連接器的焊接會(huì )對過(guò)渡產(chǎn)生重大影響。連接不良或未對齊的連接器會(huì )破壞電感和電容之間的微妙平衡，從而影響結點(diǎn)的阻抗。圖5是一個(gè)焊接不良的連接器結點(diǎn)示例。

圖5. 連接不良的SMA
如果設計程序沒(méi)有考慮阻焊膜涂層的介電常數，則它也可能會(huì )對傳輸線(xiàn)路的阻抗產(chǎn)生不利影響。在低頻PCB中，這不是一個(gè)大問(wèn)題，但隨著(zhù)頻率提高，阻焊膜可能會(huì )帶來(lái)麻煩。
為了確保透射走線(xiàn)的回損是可接受的，有必要利用VNA測量回損。因為系統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(xiàn)。一旦確定透射走線(xiàn)的回損性能，就可以通過(guò)在走線(xiàn)上執行TDR來(lái)監視缺陷。TDR會(huì )顯示系統與目標阻抗偏差最大的區域。
在TDR曲線(xiàn)上，應當可以標出系統中對偏差貢獻最大的具體部分。圖6所示為一條傳輸線(xiàn)路走線(xiàn)及其對應的TDR曲線(xiàn)?？梢栽赥DR曲線(xiàn)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(xiàn)路之間的結點(diǎn)偏離50 ，并且傳輸線(xiàn)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(shuō)的一些措施。

圖6. PCB與TDR曲線(xiàn)

使用S參數

在某一頻率范圍內表征一個(gè)DUT時(shí)，S參數可以提供許多好處。除了顯示某一頻率時(shí)的增益、損耗或阻抗匹配以外，還可以用Y參數（導納參數）等其它形式替換S參數，以便計算電容等物理參數。Y參數與S參數的唯一區別在于：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參數進(jìn)行實(shí)際測量，但它比S參數更難以記錄，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，然后將S參數轉換成Y參數。大部分現代RF軟件包都可以實(shí)現這一點(diǎn)。

計算物理參數

下面舉一個(gè)利用S參數來(lái)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(kāi)路（即斷開(kāi)）時(shí)，為了計算繼電器到地的電容，首先必須將S參數記錄轉換為Y參數，也就是將50 環(huán)境下的數據轉換為短路端接情況下的數據。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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，至地的電容可以通過(guò)檢查Y11參數而得知，Y11衡量送回信號源的功率量。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，所有功率都應被反射回信號源，但實(shí)際上，某些功率會(huì )到達接地（Y參數定義的要求）的輸出端口，該功率通過(guò)電容傳輸到地。因此，將Y11參數的虛部除以2πf便得到目標頻率時(shí)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(lèi)似的方法，但此時(shí)需要用Z（阻抗）參數代替Y參數。Z參數與S參數和Y參數相似，不過(guò)它不是使用阻抗匹配或短路，而是使用開(kāi)路來(lái)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。

匹配網(wǎng)絡(luò )

S參數的另一個(gè)應用是匹配網(wǎng)絡(luò )的設計。許多應用要求阻抗匹配以確保在某一頻率實(shí)現最佳的功率傳輸。利用S參數，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，并設計適當的匹配網(wǎng)絡(luò )。

為客戶(hù)提供模型

如上所述，由于S參數廣泛適用，因此可以利用S參數文件向用戶(hù)提供線(xiàn)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(wú)需披露復雜或者專(zhuān)有的設計?？蛻?hù)可以按照與上面所述類(lèi)似的方法，利用S參數在其系統中構建器件模型。

結束語(yǔ)

S參數是創(chuàng )建和驗證寬帶寬的高頻模型的有用工具。一旦記錄下來(lái)，便可以利用S參數計算許多其它電路特性，以及創(chuàng )建匹配網(wǎng)絡(luò )。然而，設計測量系統時(shí)，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(guò)采取本文所述的措施，可以避免某些潛在的問(wèn)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(jiǎn)介

Joseph Creech [joseph.creech@analog.com] 2005年畢業(yè)于愛(ài)爾蘭科克大學(xué)，獲工程學(xué)士學(xué)位。他已在A(yíng)DI公司RPS組的設計評估部門(mén)工作6年。