מבוא ל Scattering Parameters בעיצוב גבוה-Frequency

רדיו מוגדר תוכנה (SDR) מציין שינוי מכריע בחומרה קבועה לפלטפורמות מבט ניתנות להגדרה מחדש שבו רוב עיבוד אותות חיים בתוכנה. גמישות זו דורשת חזית אנלוגית המקיימת נאמנות גבוהה לאורך פני טווחי תדר רחבים ותחת שינוי תנאי הפחתת הפרמטרים של ספירה (S-S-paras) - בתנאי מדידה-ידידותיים חיוניים לתכנון, בדיקות, שילוב אלה בתדרים אנלוגיים בתדרים בתדרים בתדרים בתדר נמוך (SZ) ומדגישים).

כאשר SDRs לדחוף לעבר הדבקה של נושא ופעולה רב-band מעשרות מגה-הרץ לכמה ג'יגההרץ, אופי פס רחב מדויק הופך חובה.ללא S-parameters, מהנדסים היו פונים למשפט-וטרור כוונון או מודלים של קלטות בולטות כי נכשלים בתדרים גבוהים יותר עקב פיתוי קצבי קצבי וכניעה.

Defining S Parameters: The Travel Wave Concept

מטריצה S-parameter מתייחסת לאמפליטודו ולשלב של גלים שנכנסים למכשיר תחת בדיקה (DUT) לאלו העוזבים אותו.עבור חסימת הבנייה הנפוצה ביותר, רשת דו-פורט, מערכת היחסים באה לידי ביטוי:

(ב) ויקרא י"א:2 ויקרא י"ד): "ב"ה' (ב) ,"ב)" (ב) ויקרא י"ד:2 ).

(ב) ב[[1924]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]] ו[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] ו[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

  • (ב) ⁇ :0.S11 (Input Reflection Coefficient) Reph:1: היחס של הגל המשקף לגל האירוע בנמל 1 כאשר נמל 2 הוא סיים במערכת האופיינית Z0 (בדרך כלל 50 הומסים) ערך קרוב ל-0 (below -20 dB) מצביע על התאמה טובה; קרוב 1 dB) כמעט כל הכוח הוא משתקף.
  • (FLT:0S21 (Forward Transmission Coefficient)cioFLT:1: היחס של הגל המועבר בנמל 2 לגל האירוע בנמל 1, עם פורט 2 הסתיים.Represents רווח או הפסד (אובדן אינפלציה) בכיוון קדימה, בדרך כלל בא לידי ביטוי ב dB.
  • (FLT:0S12 (Reverse Transmission Coefficient)cioFLT:1: השידור הפוך, או בידוד. עבור מגבר, פרמטר זה מציין כמה אותות דולפים לאחור מהתפוקה לקלט.
  • (ב) ⁇ :0S22 (Output Reflection Coefficient) Reph:1: Theהשתקפות coefficient מסתכל לתוך נמל 2 עם נמל 1 הסתיים Z0.

הגדרות אלה משתרעות למכשירי N-port. An N-port מתוארות על ידי מאטריקס N×N S-parameter. עבור מערכת SDR, זה יכול לכלול זוג בכיוון שישה-פורט ב מכוונן מבוסס רפלקטיבי או מערך אנטנה רב-הזנת. במערכות גדולות מודרניות עם 64 או יותר אלמנטים אנטנה, מלא S-meter - נקרא לעתים קרובות הפיכה מ"מריצה"מ - חיוני לחיזוי ביצועים חיוניים להפרעה מעגלית.

חשיבותה של אימפולס ההכוונה

כל S-parameters מוגדרים יחסית למניעה ההתייחסות Z0, בדרך כלל 50 הוממים עבור רוב מערכות RF ומיקרוגל.אם DUT נמדד עם Z0 שונה, ערכי S-parameter משתנים. מנתחי רשת מודרני וקטור (VNAs) ותוכנה של עומס סימולציה יכולים להתאים באופן מתמטי S-פרמטרים לכל דבר אמיתי או מורכב.

(ב) מעצבים SDR עובדים עם אנאנטנות, מסננים או רכיבים על לוחות מעגלים מודפסים עם עקבות מבוקרים של יותר מ-50 אומס (למשל, 75-ohm ממשקי וידאו או קווים שונים 100-ohm), טיפול נכון בסתירה הוא קריטי (SDR) פלטפורמות SDR רבות כוללות מחסניות עבור אותות שונים; המרת בין חד-צדדיים מעורבבים ומורכבים:

תפקיד ה-S Parameters ב-SDR Front-End Architecture

קו החזית של SDR טיפוסי מורכב אנטנה, מסנן קבוצתי-select, LNA, Mixer, oscillator המקומי, מסנן נגד-aliasing, ו- ADC כל רכיב - ובמיוחד את החיבורים שלהם - יכול להיות מאופיין במלואו על ידי S-parameters. ביצועי ה- cascade אינה רק סכום של רווחים בודדים; הוא מושפע מאוד על ידי אינטראקציות מורכבות בין שלבים מורכבים.

שקול את הממשק בין מסנן פסיבי ו- LNA. השתקפות הפלט של מסנן coefficient (S22) לבין ה- LNA של השתקפות השתקפות השתקפות של השתקפות השתקפות של LNA (S11) לקבוע את יחס הגל עומד של המתח (VSWR) ומכאן הכוח בפועל מועבר לדרג. גישה מדרגר כי רק מבט על אובדן החדרת ההפחתה ממות עני: פס, רעש מוגבר עקב הדמות של אובדן דלקתי, ואפקטיבי, לפני שגיאציה פיזית, יכול להיות מסוגל לדגימה, לפני השבר, אפילציה, על ידי מודלים של מעצב יעיל, אפילציה, אפילציה, לפני שגיאת השבר, לפני שגיאת השבר, יכול להיות מסוגל, על ידי תאים פגומים, מסוגל לדגמיית, אפילציה, לפני שגיאת השבר, על ידי תאים פגומים, פגום, פגום, פגום, על ידי תאים לא יציב, פגום, לפני שגיאת חומר יעיל.

המונחים: Direct-Conversion and Impedance Sensitivities

קידוד ישיר (אפס-IF) ארכיטקטורות SDR רגישים במיוחד לשיבושים של חוסר התאמה.כל השתקפות בין LNA לבין המיקסר עלולה לגרום לחלק מהאות המוזנח ל-Re-radiate, להרהר שוב, ולשלב שנית, לייצר גרסה מאוחרת שמפחיתה את גודל השגיאה (EVM) של המודלים המפורטים ב-Spara-RRA-meter של ה-LV, כולל קידודים מורכבים, כדי לשפר את העלולים, או להפחתה של תאים מורכבים, כולל , או ל-Lintatives, או ל-Lintatives-LVer, כולל , כדי לשפר את ה-Lintatives-Lintatives-Lintatives-astrance, כדי לשפר את ה-astrance, כדי לשפר את ה-Lintatives-astrance, כדי לשפר את גודל ה-Lintatives-astrance, כולל , כולל , כדי ל-astrating , כדי ל-astrating , כדי לשפר את גודל ה-Lintupance, כדי לנטראקטיביים את גודל ה-astrance, כדי לנטראקטיביים מורכבים, כדי ל-Linttenating

במקלטי שכנוע ישירים, דליפת אוסטר מקומיים יכולה לשקף את נמלי אנטנה שלא תואמים וליצור DC offsets. סימולציה מלאה S-parameter של נתיב ההדלפה הטרנספורמטיבי מסייע לכמת אפקט זה ואת לולאות ביטול העיצוב. מודרני SDRs לעתים קרובות כוללים פיצוי דיגיטלי עבור I / QQ וחוסר איזון, אבל התחום האנלוגי עדיין צריך להיות מאופיין כדי להבטיח את טווח התיקון הוא מספיק.

שיטות מדידה ו- Vector Network Analyzers

נתוני S-parameter מתחילים עם מנתח רשת וקטור (VNA), כלי שבו זמנית מודד גודל ושלב. העיקרון הבסיסי כרוך מקור RF סחף, נופי כיוון כדי להפריד את האירוע ולהביע גלים, ומקבלים כי לנטרל אותות RF לתדירות בינונית לדיגיטליזציה ולעיבוד. במהלך העשור האחרון, VNAs הפכו מהר יותר, זול יותר, משולב יותר, עם כמה דגמים עכשיו מתאימים לגורם אידיאלי של פריסה של מערכות SDR אידיאליות.

המונחים: Correcting systematic Errors

מדידה VNA גולמית מכילה שגיאות שיטתיות בשל ישירות, התאמה מקור, העלאה ותגובה לתדירות. Calibration מסיר שגיאות אלה, הקמת מטוס התייחסות במחברים של DUT.האלגוריתם הנפוץ ביותר הוא קצר-פתוח-Load-Thru (SOLT), המשתמש בתקנים מוכרים.עבור סביבות לא-אקוקסיאליות כמו מעגלים על לוח SDR, תבעה-זיכרון (R) הוא לעתים קרובות מדידות-קלציה (Ric-Ric-Ric-Cli-R) עם טכניקות) מורכבות.

De-Embedding and Fixture Removal

עבור עיצוב SDR, מיומנות קריטית היא de-embedding: מבחינה חישובית הסרת ההשפעות של מחברים, קטעי קו שידור או תיקון מבחן, העברת מטוס ההתייחסות למדידה ישירות ל pins של IC או צומת של קו מיקרו סטריפ.זה מבטיחה כי ה-S-meters המשמש בסימולציה מייצגים את הרכיב עצמו, לא את לוח הבדיקה. יצרניות IC רבות לספק אינדקסים בקבצי דואר רוחב פס רחב (R).

המונחים: noise Measurement

מעבר ל- S-parameters ליניארי, VNAs מצוידת באפשרות של דמות רעש יכול למדוד את הפרמטרים הרעש של DUT: מינימום רעש, התנגדות שווה ערך, ואפקט השתקפות מקור אופטימלי ( ⁇ FLT:0optphtFLT:1) עבור מדדי SDR LNA, פרמטרים אלה חיוניים לתכנון רשת התאמת קלט אשר משיגה את המספר הנמוך ביותר האפשרי של רעש מערכת, ישירות טווח תקשורת ועדכונים באמצעות פורמט זה.

S Parameters ו- Simulation-Driven SDR Design

כלים מודרניים כגון Keysight PathWave ADS, Cadence AWR מיקרוגל Office, ו- MathWorks MATLAB RF Toolbox הפכו את אבן הפינה מבוססת S-paraWave של פיתוח SDR.פלטפורמות אלה מאפשרות לך לייבא מדד או מוכר-supplied .sNp, לחבר אותם ב-schematic, לרוץ ליניארי, ללא לינארי (עם X-paras או נזקי), ו-Verton (EMimulations) ו-cosophulations-cookies).

קואר קזיד ניתוח

אחד השימושים החזקים ביותר של S-parameters בהקשר SDR הוא חישוב של רווח קזד, דמות רעש, נקודת יירוט ההזמנה השלישית (IP3) בעוד פשוט פרייס קיימות, הם מניחים התאמה אידיאלית ורווחי אחדות עם מטענים מושלמים. A-שלב מלא S-meter, כגון זה מבוצע על ידי נוסחאות RFNA תקציבי אנליז ב MATL או אפקט של קידוד מדויק עבור אפקט של פיזור של מערכת פילטרים.

ניתוח יכולת

התקנים פעילים יכולים לבודד אם מוצגים עם המקור הלא נכון או לטעון אימפולסים (S-parameters) לאפשר ניתוח מעגל יציבות באמצעות גורם היציבות רולט (K) ומדד היציבות העזר ( ⁇ ) A שני-port יציב ללא תנאי אם K > 1 ו- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ :0maxFLT:1) ו- תוספות שללכאורה הרסניות יכולות להופיע כטכניקות נחות או ספקטרום שלילי, אך ורקמות, אך הן נוגדות, או ספקטרום, או ספקטרום שלילי, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או סימולציה ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום שלילי, או סימולציה, או ספקטרום, או ספקטרום, או סימולציה ספקטרום, או סימולציה ספקטרום, או ספקטרום, או ספקטרום, או ⁇ סימולציה סימולציה ⁇ .

אלקטרומגנטי קו-סימציה

מבנים פאסיביים כמו מסננים מיקרו-סטריפ, מתפצלים או רשתות הזנה אנטנה מתוכננים לעתים קרובות ב 3D אלקטרומגנטיים פותרים (למשל, Ansys HFSS או Keysight EMPro) כלים אלה לייצאים S-parameter ממטרים שניתן להכניס ישירות לתוך מערכת-שלב סימולציות של SDR-SDR, במיוחד כדי לדגום את ה-S-Ratesend של תוכנית-F-F-F-F-F-S, ולאחר מכן, כדי לחבר את אותה קבוצה של סימולציה ברמת מערכת.

קישור לתוכנה: מודלים בסיסיים

בעוד S-parameters הם חד-פעמיים יחסית לינארי, הם מהווים את הבסיס לדגמי תזמון של בסיס זמן-דומיין המשמשים לפיתוח אלגוריתם SDR. התגובה האימפולסית של רשת פסיבית ניתן להשיג באמצעות שינוי פורה הפוכה של הנתונים S21 שלה, בתנאי שהמידע מכסה טווח תדר מספיק ויש לו שלב מתאים.

יישום מעשי: התאמת רשתות עבור SDR Transmitters

שקול את העיצוב של מגבר כוח (PA) שלב תפוקת של SDR משדרטר.ההתנהגות הגדולה של Transistor מתוארת לעתים קרובות על ידי מדידות עומס, אשר למעשה S-parameters נלקח נקודות אימפולס רבים כדי למפות ספקטרום של פלט חשמל ויעילות על תרשים סמית '.העומס האופטימלי עבור יעילות מקסימלית של כוח-החלמה (E) הוא לעתים רחוקות סימולציה CMRI- C.

עבור רחבת היקף SDRs, התאמה קבועה הופכת ללא די.המעצב רשאי להשתמש בנתונים S-parameter של בנק של capacitors החלפה או רשת טונה מבוססת Varactor כדי ליצור ארכיטקטורה מתאימה שניתן להתאים מחדש ל תצורה של 30 שגרה המותאמים לתדירות התפעולית.S-parameter של כל מדינה שעוברת יכול להיות נמדד ומאוחסן בטבלת מבט, המאפשרת לתוכנה של SDR תצורה דומה ל- 1 תצורה של 1 קיבולת הפעלה.

Beyond Linear: Hot S Parameters ו- X-Parameters

(ה-S-parameters הקלאסי מניח מצב ליניארי, קטן-חתים.עם זאת, רכיבי SDR כמו מגברי חשמל וממזגנים פועלים גם במשטר לא ליניארי.רחבים כגון "חם S-parameters" (מחושים עם כונן גדול של חשבון לכידתי כוח יחיד) תוך יישום הפרעות לא-סימנים קטנים באחרים) או מסגרת כללית יותר של X-DV (שלב מתמטי של תגובה דיגיטלית קפדנית של טופס X-Fid) אשר כולל X-Funulating 17D) אשר כולל אפקט X-Fid)

הופעתה של 5G NR גלפורציות עם מודלים גבוהים של כוח שיא עד ממוצע (PAPR) דורש כי משדרי SDR להיות ליניארים על פני רוחב פס רחב של מודולציה. X-parameter הכוללים אפקטים זיכרון (למשל, נמדד עם טון או WCDMA stulus) ניתן להשתמש כדי לעצב טבלאות DPDup כי להסתגל לתדירות לא תלויה, ספקטרום מינימלי ולהבטיח כוונון כוונון.

S Parameters עבור MIMO ו-שלב Array SDR Systems

פלטפורמות SDR מרובות אינץ 'מספר רב- ⁇ (MIMO) להוסיף שכבה נוספת של מורכבות: אנטנות הפיכה.הבידוד בין אלמנטים מתואר על ידי דיסגוניאל S-parameters (למשל, S21 בין אנטנה 1 ואנטנות 2) הפיכה הדדית גבוהה בין אלמנטים מתוארת על ידי פיזור חומרים קרינת קרינת CPTSD, מקטין את היעילות, ויוצרת בין הערוצים הפוגעים בנתוני MIMO-NA-R.

זה מבוסס S-parameter עיצוב משותף של RF ותחומים דיגיטליים אפיטמיזציה הפילוסופיה SDR, המאפשר פלטפורמה חומרה אחת לשרת מצבי הפעלה שונים באופן קיצוני על ידי פשוט עדכון מודל הערוץ של התוכנה והתאמה של תצורה רשת. MATLABFLT 1 ותיבת התקשורת שלה כלי RF לספק נתיב ישיר מערכים נמדדים ל- SMRIG, אשר מסייע לעתים קרובות ל-SPTGTUMT של פונקציות של SMRI.

בשלבי-array SDRs, ה- S-parameters של משמרות שלב ומשתנה לקבל מגבר (VGAs) חייב להיות מאופיין גם בכל המדינות.האינטראקציה בין שלב מעבר לאותב דפוס מערך ניתן להעריך על ידי cascading דגמי S-parameter של כל ערוץ, המאפשר למעצב לדמות את הכוח המואר (ERP) ואת רמות ייצור בצד לפני.

פיטולים נפוצים ופרקטיקה הטובה ביותר ב S-Parameter Usage

למרות כוחם, S-parameters מתפרשים בקלות.ההנחיות הבאות יכולות למנוע שגיאות תכנון יקרות בפיתוח SDR:

  • (FLT:0) פסיביות ושקיפות: FLT:1 תמיד לבדוק כי קבצים מיובאים S-parameter מייצגים רשת פסיבית, סיבתית אם הרכיב נועד להיות פסיבי.לא-causal נתונים (לעיתים קרובות בשל התערבות גרועה או ניתוק במהלך מדידה) יכול לגרום סימולציות של זמן כדי להיכשל או לייצר תוצאות לא פיזיקליות.
  • (FLT:0) שקיפות ספן ו-Sampling:cioFLT ( 1:1) להקת הריבית אינה מספיקה.כדי מודל מדויק של השתקפות בזמן-דומיין ועיכוב קבוצתי, הנתונים S-parameter חייבים להרחיב ל- DC (או תדר נמוך) ועד לתדירות גבוהה מספיק כדי ללכוד את האנרגיה של התגובה המודרנית.
  • (FLT:0) הקצאה של קונפורציות: ההרחבה של ההרחבה: מיקסום 1 (ב- 50-ohm S-parameters עם 100-ohm רכיבים שונים ללא שינוי הולם מובילה לאבחון שגוי מוחלט. השתמש ב- S-parameters שונים (משותף) עבור קווים מאוזנים, או להמיר עם כלי בעת שילוב של מרפסות בדרך מקלט.
  • (FLT:0)Quality of Calibration:FearLT:1) מדידות VNA מותאמות לעניים מציג שגיאות שיטתיות שיכולות להפוך עיצוב טוב להופיע נושאים שוליים או מסיכה אמיתיים.תמיד לאמת את ה calibration עם מכשיר אימות ידוע לפני שאפיין רכיבים קריטיים. Recalibrate אם סביבת המדידה משתנה (למשל, טמפרטורה, כבל).
  • (FLT:0) אי-אפשריות מ Cascaded S-parameters: FLT:1 גם אם המגברים בודדים יציבים ללא תנאי, ה- cascade שלהם יכול להיות בלתי יציב בגלל השפעות טעינה מחוץ לפס.ניתוח יציבות מלא של בלוק S-para המשולב הוא חובה. השתמש חישובים K-factor ו-Mo-mo-factor (μ) בכל התדרים, לא רק בפס.

מגמות מתפתחות: Vector Signal Analyzers ו- Real-Time Tuning

הקו בין VNA ורדיו מוגדר תוכנה הוא מטושטש.פלטפורמות SDR מהירות גבוהה, מצויד עם דואל ערוצים ADCs ו DACs, יכול לתפקד כמו מנתח אותות.עם calibration נאותה, SDR יכול למדוד את S21 של מכשיר תחת בדיקה על פני רוחב פס רחב, המאפשר עלות נמוכה או אנטנה בזמן אמת ניטור על ידי סימולציה של זוג סגור (R) עם השפעה משולבת לחלוטין על ידי סימולציה של כוח שלילי זה יכול לזהות את זה על ידי סימולציה או לחץ סביבתית (R) על ידי סימולציה סגורה על ידי סימולציה סגורה על ידי סימולציה של תפקוד זה על ידי סימולציה של תפקוד תקין של תפקוד מערכת ההפעלה של SDR).

מגמה נוספת היא השימוש של למידה עמוקה להאיץ אופטימיזציה S-parameter. רשתות נילי יכול להיות מאומן לחזות את ה- S-parameters של רשת התאמת טוטלי כתפקוד של ערכים ותדירות, המאפשר התכנסות מהירה באלגוריתמים כוונוטטיביים. קבוצות מחקר רבות הוכיחו סוכני למידה חיזוק כי רשת ההתאמה של SDR במליכי שניות, בהתבסס על מספר קטן של התנגשויות פיילוט זה מביא לפלטפורמות למידה סלולריות יותר.

מסקנה

פרמטרים Scattering הם הרבה יותר מאשר הערה תיאורטית; הם הנתונים התפעוליים כי גשרים רכיב פיזיקה, עיצוב מעגלים, סימולציה אלקטרומגנטית, עיבוד אותות דיגיטליים רדיו מוגדר תוכנה, מן הבחירה הראשונית של מגבר נמוך מגבר למערכת האחרונה של כוונון במערכת של מערך אנטנה הסתגלות, S-parameters לספק את הבסיס הכמותי לחיזוי וקידוד מערכת התנהגות.

בעוד SDRs ממשיכים להתפתח לעבר רוחב פס גבוה יותר, MIMO מסיבי, ופעולה קוגניטיבית, התפקיד של S-parameters יגדל רק. מהנדסים להשקיע הבנה של מושגים גל מסעות, ההרחבה VNA נאותה, והרחבות הלא לינאריות כמו X-parameters יהיה מאובזר לעצב את הדור הבא של מערכות רדיו אדפטיות.

(ב) לקריאה נוספת, התייחסה ל-FLT:0 [IEEE Xplore digital LibraryFLT:1 for article on SDR Front-end Design, and InvestigationFLT:2 National Instruments' VNA SolutionsFLT 3 המציע שילוב הדוק עם פלטפורמות מוגדרות תוכנה.