X參數的含義

在早期的年代人們曾經(jīng)一度使用各種儀表以及由這些儀表測量得到的各種測量結果拼合的信息來(lái)設計線(xiàn)性元器件和線(xiàn)性系統。這種設計方法很快就被使用分布參數（S參數）的設計方法所取代。S 參數把使用多種儀表以及多種測量結果統一起來(lái)，使得人們能夠只用一種儀表（矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀），就可以通過(guò)儀表與被測器件的一次連接測量出諸如增益、隔離度和匹配等參數的值。在過(guò)去的40多年里，S參數一直占據著(zhù)微波理論和技術(shù)全部基礎中最重要的位置，它們涉及的是一些我們非常熟悉的測量的量，例如輸入匹配（S11），輸出匹配（S22），增益或損耗（S21），以及隔離度（S12），這些測量的量還可以很容易地植入設計電子產(chǎn)品所用的軟件仿真工具中。在今天，S 參數也還是對射頻和微波器件的線(xiàn)性特性進(jìn)行分析和建模的常用參數。但是我們也看到，不斷提高能源的使用效率、加大器件的輸出功率、不斷延長(cháng)靠電池供電的器件和設備在電池一次壽命內的使用時(shí)間等工業(yè)發(fā)展趨勢正推動(dòng)著(zhù)許多線(xiàn)性器件在非線(xiàn)性的工作狀態(tài)下的應用。當在這種情況和條件下再來(lái)測量器件的特性時(shí)，就需要一種能夠得到更加確定性結果的測量解決方案。

雖然S 參數的功能極為強大和有用，但它的定義是基于對線(xiàn)性系統用小信號進(jìn)行測量的情況。通信技術(shù)革命性的進(jìn)步和發(fā)展正在把像功率放大器這類(lèi)的有源器件推向其非線(xiàn)性工作區域，以期在這個(gè)區域內找到更加強大的應用空間；工程師們也因此被迫再次使用新一代的各種儀表的組合來(lái)測量器件的非線(xiàn)性特性。他們基本的做法是通過(guò)取得S參數再施加一些品質(zhì)因數(例如鄰道功率抑制功能和增益壓縮特性等) 來(lái)對器件的總體特性做一些基于線(xiàn)性特性的推論。依賴(lài)這種不完善的信息集合意味著(zhù)工程師們必須在他們的產(chǎn)品設計中大量進(jìn)行特別依賴(lài)于個(gè)體經(jīng)驗的高成本迭代試驗，整個(gè)設計流程在時(shí)間上和成本上都大為增加。今天，為了在高頻領(lǐng)域更加快速、精確和確定性地設計出非線(xiàn)性器件，工程師們的確需要有對器件的非線(xiàn)性特性恰當地進(jìn)行測量，并獲得一個(gè)統一的器件模型，一個(gè)類(lèi)似于S參數的適用于非線(xiàn)性器件和分量的模型的能力，從而能夠把這個(gè)模型所代表的完整的器件的信息應用到仿真和設計的過(guò)程中去。

解決方案

就像S 參數表征器件的線(xiàn)性特征那樣，X 參數是用來(lái)表征器件和系統的非線(xiàn)性特性的參數，它為工程師們所遇到的麻煩找出了解決的辦法。X 參數所代表的是確定性地設計高頻器件所需要的新一類(lèi)非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )參數，用來(lái)表征各種器件的非線(xiàn)性特性的幅度和相關(guān)的相位信息。與S參數所不同的是，它既適用于大信號的工作條件也適用于小信號的工作條件；既可以用于線(xiàn)性器件也可以用于非線(xiàn)性器件。它們正確地表征出了器件的阻抗匹配狀態(tài)和在非線(xiàn)性條件下的混頻特性，可以讓技術(shù)人員在設計的過(guò)程中精確地仿真出幾個(gè)不同電路模塊的X參數級聯(lián)后的非線(xiàn)性X參數，例如放大器和混頻器等的級聯(lián)。
與S參數相比，X參數可以更為完整全面并且以不會(huì )失效的方式表示或分析射頻微波器件的非線(xiàn)性特性。作為S參數在大信號工作條件下的邏輯與數學(xué)范疇內的擴展，X 參數的獲取首先需要把被測器件驅動(dòng)到其飽和工作狀態(tài)，這是很多器件真實(shí)的工作狀態(tài)，然后再在這樣的條件下對被測器件進(jìn)行測量。在測量X參數的時(shí)候，我們不使用或需要知道與被測器件(DUT)內部集成電路有關(guān)的信息，我們所要做的是測量各種不同頻率的信號的電壓波形的激勵響應模型，如圖1 所示。換句話(huà)說(shuō)，就是信號的基波和所產(chǎn)生的失真信號的絕對幅度、不同頻率信號的相對相位信息都可以被精確地測量出來(lái)，然后用X參數來(lái)代表這些幅度和相位信息的組合。從這些信息中我們建立起基于X參數的相應的器件特性模型，然后這些模型可以與各種經(jīng)過(guò)校準的測量工具一起使用來(lái)得到不同的品質(zhì)因數，例如 ACPR，增益壓縮和EVM 等，如圖2 所示。在這些快速得到的精準模型當中，我們還可以把更多的可變化的因素考慮進(jìn)去，其中就包括源和負載的阻抗狀態(tài)、所施加的直流偏置的值、甚至溫度信息等。

圖1以這個(gè)多級放大器為例, 它的X參數是在頻域內表達的并映射出各個(gè)頻率的入射波(A) 和各個(gè)頻率的
散布的波(B) 的關(guān)系。因為如果完全知道了入射波和在所有諧波頻率上的散布的波的幅度和相位信息的話(huà),
就相當于也完全知道了信號時(shí)域波形的信息, 所以我們就可以知道器件非線(xiàn)性輸入- 輸出特性。

圖2 可以看到, 這里所顯示的X 參數完全覆蓋了功率放大器實(shí)際的電路級設計結果。正如這里所證明的
這樣, X 參數可以精確地與實(shí)際電路相關(guān)聯(lián)。