La Fondazione LTI: Perché i parametri S funzionano così bene

[LT] [LT] [[L]] [[L]]] [L'elemento] [FLT]] [[L]] [[L]]] [[L]]] [[L]] [L'elemento] [FLT]] [[L]]] [[L]]]] [[L'elemento]] [[L'elemento]]] [FLT]]]] [[[[[[[[[[[[[[L]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[

Tre ipotesi implicite critiche applicano la validità di questa rappresentazione:

  • Linearità e Superposizione:[[] L'ampiezza del segnale di uscita è strettamente proporzionale all'ampiezza del segnale di ingresso. Se due segnali, A e B, vengono applicati simultaneamente, il componente di uscita a qualsiasi frequenza è la somma dei componenti prodotti da A e B singolarmente. La S-matrix non contiene informazioni sull'intermodulazione o sulla generazione armonica, perché un sistema lineare è ritenuto di generare nessuna nuova frequenza.
  • Time-Invariance:[ I parametri di rete— le sue resistenze, capacità, induttanze e transconduttanze— non cambiano come funzione del tempo. Un sistema che viene periodicamente commutato, orologio o modulato da un oscillatore locale non soddisfa questa condizione, quindi il suo comportamento dipende dalla relazione di fase tra il segnale e il segnale.
  • Steady-State Operation:[] Le misurazioni dei parametri S presumono che la rete si sia stabilita in una condizione sinusoidale a stato costante. Effetti transitori, come quelli che si verificano quando una tensione di polarizzazione si dilaga o quando viene applicato un segnale pulsato, devono essere catturati utilizzando diversi approcci di misura o simulazione.

Quando una rete soddisfa tutte e tre le condizioni, il framework S-parametro è compatto e potente, consente una conversione semplice ad altri parametri di rete (impedenza, ammessa, ibrida) e supporta l'analisi diretta delle cascate utilizzando matrici di trasferimento (T-parametri).

Sistemi non lineari e limiti della matrice scattering

Un transistor bipolare o un transistor effetto campo si avvicina solo al comportamento lineare su una gamma limitata di tensioni e correnti. Le deviazioni da linearità si manifestano come compressione di guadagno, distorsione armonica, prodotti di intermodulazione, e conversione di ampiezza-to-fase (AM-PM) .

Impedenza e compressione dipendenti dall'ampiezza

In un tipico transistor di potenza, il comportamento di ingresso C]gs (o C]be) è altamente dipendente dalla tensione.

Generazione armonica e intermodulazione

[LT] quando un dispositivo non lineare è guidato con un singolo tono a f0[FLT1] [FLT]], l'uscita contiene componenti a più interi di f [FLT] significa che il sistema di conversione [FLT] [[7] non è sufficientemente efficace[f]

Effetti della memoria e loro impatto sui dati misurati

Oltre a una semplice dipendenza da ampiezza, molti circuiti non lineari espongono effetti di memoria & n. 8212; l'uscita a un dato istante dipende non solo dall'ingresso corrente ma anche da input passati.

La sfida di progettazione dell'amplificatore di potenza

Considerare un amplificatore di potenza Doherty da 100 W progettato per 5G NR con 100 MHz di larghezza di banda modulata. Il vettore e i transistor di picco ogni mostrano un comportamento fortemente non lineare. Il combinatore Doherty si basa sulla modulazione del carico, dove l'impedenza presentata al dispositivo di vettore cambia dinamicamente con il livello di azionamento di ingresso.

Sistemi di tempo di navigazione: conversione di frequenza intenzionale

Mentre la non linearità genera nuove frequenze attraverso la distorsione, i circuiti di tempo-varia generano nuove frequenze attraverso l'azione parametrica di un segnale di controllo periodico. Un mixer, ad esempio, moltiplica un ingresso RF con una forma d'onda oscillatore locale (LO), traducendo lo spettro a una frequenza intermedia (IF). Il dispositivo non è necessariamente non lineare nel senso convenzionale— può essere costruito con le proprietà perfettamente lineari di cambiamento di tempo

Convertitori di miscelatori e frequenza

Il mixer di downconversion prende un input RF alla frequenza f RF e un forte impulso LO al f] , che produce un'uscita IF al f conversione = |f

Filtri a catena e filtro N-Path

I filtri NLT e i circuiti di controllo a distanza sfruttano la frequenza temporale per ottenere un filtro ad alta selettività senza induttori ingombranti. Un filtro a quattro vie, ad esempio, ruota una banca di condensatori attraverso più fasi al tasso LO, sintetizzando una risposta a banda passante la cui frequenza centrale è impostata dall'orologio di commutazione.

Considerazioni di stabilità modulate

L'analisi della stabilità lineare tradizionale con gli indirizzi S-parametri e i criteri di stabilità Nyquist valuta il comportamento di un circuito a un punto di polarizzazione fisso sotto l'eccitazione infinitesimale. Per un circuito di tempo-varying, l'immagine di stabilità è più complessa.

Approcci alternativi di modellazione per reti non lineari e di tempo-sbriganti

La tecnologia di simulazione e misurazione RF si è evoluta per gestire la complessità che non possono essere i parametri tradizionali S. La scelta dell'approccio dipende dal tipo di non linearità, dalle frequenze di interesse e dall'obiettivo di progettazione.

Simulazione di bilanciamento armonica e corsa

L'equilibrio armonico (HB) è la tecnica di simulazione dominante per i circuiti a microonde non lineari che operano in stato costante. Divide il circuito in una subnetwork lineare, rappresentata nel dominio di frequenza, e una subnetwork non lineare, rappresentata nel dominio di frequenza.

Per i segnali modulati, la simulazione della busta del circuito (o della busta transitoria) estende HB rappresentando il vettore come un insieme armonico e la modulazione come una busta di base di tempo-varying. Questo permette al progettista di calcolare metriche come l'entità del vettore di errore (EVM), il rapporto di potenza del canale adiacente (ACPR), e l'effetto degli effetti della memoria senza simulare ogni ciclo di vettore.

Strumenti EDA come Keysight PathWave ADS e [MathWorks RF Toolbox[[ offrono sia funzionalità di bilanciamento armonico che di busta di circuito, permettendo agli ingegneri di passare senza soluzione di continuità dall'analisi di piccolo segno S-parametro alla simulazione non lineare di grandi dimensioni all'interno di unificato ambiente di progettazione.

X-Parametri e modelli di distorsione poliarmonica

Il modello X-parametro è un dispositivo di misura di tipo S-parametrico che si estende al dominio di grandi dimensioni e non lineari. Se misurato con un analizzatore di rete non lineare (NVNA), i parametri X catturano il rapporto tra le onde incidente e riflesse alla frequenza fondamentale e] a tutte le armoniche significative.

Serie Volterra per sistemi non lineari

Per i circuiti che sono solo deboli non lineari, come gli amplificatori a basso rumore (LNA) e i mixer passivi lineari, la serie Volterra fornisce un rigoroso quadro analitico.

Misure di grande dimensione: NVNA e carico-Pull

La tecnologia di misura[LT] ha avanzato per supportare direttamente la caratterizzazione dei dispositivi non lineari. Un analizzatore di rete non lineare (NVNA) misura l'ampiezza assoluta e la fase delle onde di viaggio alle tecniche fondamentali e armoniche, dando un'immagine inequivocabile del dispositivo’ il comportamento di grandi dimensioni.

Implicazioni pratiche per la progettazione di sistemi multistadio

In un sistema di misurazione multistadio o ricevitore, l'interazione tra le fasi può amplificare i limiti dei parametri S in modi inaspettati. Un amplificatore driver che è solo leggermente non lineare può generare armoniche che corrompono il funzionamento di una fase successiva, anche se quella fase è perfettamente lineare.

Selezione dello strumento giusto per il compito di progettazione

Riconoscere il dominio in cui i parametri S sono validi e passare ad una tecnica più generale quando necessario è un segno distintivo di un designer RF esperto.Per i passivi lineari e gli amplificatori di piccole insegne, i parametri S rimangono lo standard d'oro.Per qualsiasi circuito che coinvolge compressione aggressiva, conversione di frequenza, o componenti di tempo-varying, devono essere applicati metodi alternativi.

  • Blocchi di segnale, filtri, reti corrispondenti e LNA lineari:[] Usa parametri S dalla simulazione EM o dalla misurazione VNA.
  • Amplificatori di potenza e circuiti ad alta velocità:[] Utilizzare la simulazione di equilibrio armonico con modelli di dispositivi di fonderia, supportati da misurazioni NVNA o load-pull.
  • Mixers e circuiti di commutazione:[] Utilizzare l'equilibrio armonico o l'analisi periodica dello stato costante.
  • Verifica del segnale modificato:[] Utilizzare busta del circuito o simulazione transitoria per valutare gli effetti di EVM, ACPR e memoria.
  • Analisi di stabilità in unità di grandi dimensioni:[ Complemento cerchi di stabilità di piccolo segno con analisi periodica di stabilità o analisi transitoria busta per rilevare oscillazioni parametriche.

Conclusioni

I parametri S-parametrici sono una parte indispensabile del vocabolario di ingegneria RF, fornendo una descrizione concisa e rigorosa di qualsiasi rete lineare time-invariant. Le loro limitazioni, tuttavia, non sono un difetto nel quadro ma una definizione del suo dominio di applicabilità.