Vakıf: Frekans Domaininde S-Parametreleri Anlayın

Frekans destekli bir yükseltici yükselteç tasarlayın – bir dar bant düşük çözünürlükli yükselteç (LNA) bir alıcı ön uç için, bir melodi güç yükselticisi veya bir bandpass kazanır - her porta doğrudan frekans aralığındaki RF davranışı ölçmeden hassas bir kontrol sağlar.S-parametreler (scattering parametreler) RF ve mikrodalga frekanslarında lineer ağları karakterize etmek için endüstri standart bir çerçeve haline gelir.

S-parameters olayı (a) ve yansıma arasındaki ilişkiyi tanımlar (b) lineer bir ağ limanlarında dalgalar. Bir yükseltici gibi iki kanal cihazı için, S-parameter matrisi:

[FONT:0]b1 = S11 a1 + S12 a2
).

Bir1 ve a2 port 1 ve port 2'ye giren dalgalar ve b1, b2, bu portları terk eden dalgalardır.Her S-parametre frekansı ve önyargı koşulları ile değişir; çünkü onlar yüksek tanımlı son koşulları (tipik olarak 50 ULLAH), S-parametreler cihazın davranışının tekrarlanabilir bir açıklamasıdır.

S-parametrelerin önemli bir avantajı, iletim hattı yansımaları, parasitik kapasitanslar ve paketin birkaç yüz megahertz'ın üzerinde belirgin hale gelmesi gibi dağıtılmış etkileri yakalama yeteneğidir. Düşük frekanslı parametrelerin aksine (h-, y-parametreler), S-parametreler bile, bileşenin elektrik büyüklüğü dalga boyun eğlendirici boyutu büyük ölçüde yüksek olduğunda bile iyi kalır.

Dört Sparametreler doğrudan VNA'yı limanlarda ideal kısa veya açık koşullar olmadan kullanarak sigortalanabilir. Bu, ideal kısalar ve açılırlar, parasitik indüksiyon ve kapasitance nedeniyle yüksek frekanslarda fark etmek imkansızdır. Bunun yerine VNA, her parametrenin boyutunu ve kalibrasyon rutinlerini (Plat veya TRL gibi) normalleştirmek için her iki katına çıkarır.

SParametreleri Frekans Seçici Amplifier Design için Temeldir

Geleneksel küçük imzalı parametreler frekans artışı olarak geçerliliğini kaybeder çünkü parasitik etkiler, iletim hattı etkileri ve dağıtılmış fenomenler hükmedilir. S-parameters, tam olarak, cihazın frekansın ölçülebilir olduğunu gösterir. Frekans destekli bir yükseltici yükseltici bir yükselteç bağlamında, istenen filtre profili fark eden belirli bir grubu şekillendirmeniz gerekir.

S21 (eski kazanç) ve S11, S22 (port yansımaları), hemen bant genişliğini değerlendirebilir, düzlüğü, giriş geri kaybı ve çıkış geri dönüş kaybını ortaya koyar. Dahası, S12 geri dönüşümlülüğü ortaya çıkarır ve yerel osilatör sızıntısını karıştırmak için kritiktir. Tüm bu yönleri doğrudan yükselticiliği ve sadakati doğrudan değerlendirebilir.

Bir alıcı ön uç LNA'yı göz önünde bulundurmak için 100 MHz çapında WCDMA bandında 100 MHz- çapında bir araya gelmeniz gereken bir alıcıyı düşünün, güçlü bant bloklarını reddetmesi durumunda S11, frekans arsasının size giriş ve potansiyel olarak olumsuzlukta ne kadar iyi bir şekilde karşılandığını gösterir.Sparametreler olmadan bu tezgah etkileşimlerin sabitlenmesini gerektirir.

Amplifier Analizi için Anahtar S-Parametreleri Yasaklayın

  • [[D:0)S11 - Giriş Yansıtıcı Coaktif: Liman 1'deki bir olayın sinyalin geri yansıttığını gösteriyor. Frekans destekli bir yükseltici, S11'in mümkün olduğunca düşük olmasını istediğiniz (tipik olarak daha az) bir giriş bandında, iyi bir giriş maçı ve minimum sinyal kaybı ifade ediyor. Yüksek S11 dışarıdaki frekanslar cihazından uzak sinyalleri yansıtarak filtre yanıtını şekillendirmeye yardımcı olabilir.
  • [FONT:0)S21 - İleri Transim (Gain): ) Bu, 50 ULL'de sona erdiğinde ileri gerilim kazançtır. S21 büyüklüğü doğrudan yükselticinin kazanç profili gösterir.
  • [FONT:0]S12 - Ters Transmission (Isolation): ), Çıktıdan sonra gelen sızıntıların girdiye geri döndükleri ve gürültünün geri dönüştüğünü belirten küçük bir S12, stabiliteyi artıran ve geri bildirimde bulunulan oscillations.
  • [FONT:0]S22 - Çıkış Yansıma Coive: S11'e benzer ama çıktıda iyi bir işlem sinyal yansımasını azaltır ve bir sonraki aşamaya veya antene maksimum güç transferini sağlar.

Tüm dört Sparametre karmaşık ve frekans bağımlı, genellikle Smith grafikler ve dikdörtgen arsaları üzerinde görüntülenir. aralarındaki Interplay -özellikle S11, S22 ve istikrar faktörü arasında - yükseltici tasarımın temelini oluşturur. Örneğin, geniş bantlarda çok düşük bir S11 ile bir cihaz, olumsuz bir direnç bölgesine iyi bir şekilde uyum sağlayabilir.

S-parameters ile çalışırken, transkript dosyalarına saygı ile tanımlandıklarını anlamak önemlidir, bu yüzden referansı değiştirmek (örneğin, 50 ULL 75 {{) tekrar normalleştirme gerektirir. Çoğu simülasyon araçları, transkript dosyalarına atıfta bulunarak referansı belirtmek için size izin verir, böylece her zaman bu ayarı ince hatalardan kaçınmanız için doğrulayın.

Frekans-Seçici Amplifier için tasarım Hedefleri

S-parametre verilere girmeden önce, özellikleri açıklayın. Tipik frekans-selective yükseltici hedefleme:

  • Merkez frekansı: f0
  • Band genişlik: e.g., 2.4-2.5 GHz (ISM grubu)
  • In-band kazanır: 15-20 dB
  • Düzlik Kazanın: ±0.5 dB
  • Giriş/ ⁇ geri dönüş kaybı: >10 dB (S11, S22 < –10 dB)
  • Gürültü rakam: <1.5 dB (For LNA)
  • Stability: tüm frekanslarda koşulsuz istikrar (K > 1, | {{| < 1)
  • Outofband reddedilmesi: - 20 dBc- f0 ± 200 MHz

Sparametreler sadece gürültü rakamını doğrudan tahmin edemez, ancak gürültü parametreleri ile birlikte kullanılır (F)), ⁇ )opt[D][D][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D ) yük-p>, yüksek çözünürlükte bir görüntü oluşturabilir.

Adım Adım -Adım Tasarım Akışı S-Parametreleri kullanarak

1. Güvenilir S-Parametre Data

Kontrollü veya amplifiklü bir S-parametre verileri, Anahtarsal Gelişmiş Tasarım Sistemi (ADS) veya Cadence AWR Mikrodalga Ofisi gibi yazılımda aktif bir cihaz modeli kullanıyorsanız, aynı zamanda bir S-parametre simülasyonunu aynı noktada gerçekleştirir.If you are using an active device model in software like Keysight Advanced Design System (ADS) or Cadence AWR Mikrodalga Office, the negative point.Use an S-parameter simulation at the data as a Touchstone file ().

S-parameter verilerini bir üreticiden talep ettiğinde, her zaman frekans aralığı, önyargı koşulları ve sıcaklık belirt. Birçok RF transistör veri sayfası, doğrudan indirilebilecek S-parameter tablolarını tam olarak temsil edemez.2p dosyaları için, gerçek cihazları bilinen parasitics ile ölçmek için planlayın; üretici verileri tamamen küme varyasyonunu temsil edemez.

2. Intuition için S-Parameters Görselleştir

Tüm dört S-parametreleri büyüklüğü (dB) vs. frekansı. Overlay S21 ve S12'yi frekans üzerinden elde etmek ve tersine çevirmek için.S21 zirveleri nerede bulduğunu gösterir. Plot S11 ve S22, bir Smith grafiğinde, daha yüksek frekanslarda yuvarlandığını görmek için, ancak giriş ve çıkışların frekansta 50 {{'den nasıl askıya alındığını ortaya çıkarır.

Smith grafiğini grup merkezinde ve grup kenarlarında dikkat etmek için kullanın. Örneğin, eğer merkez frekansında S11 Z = 30 - j20 Ω, bu imkansızlığı dönüştürmek için 50 Ω ihtiyacınız var, ancak dışsal frekanslarda, ağ grubun dışındaki yüksek yansımaları sağlamalıdır.

3. Kontrol Stability

Ampirik stabilite, S-parametreleri kullanarak, Rollet stabilite faktörü (K) ve yardımcı koşulu (|345| < 1, {{ = S11S22 - S12S21). Eğer K > 1 ve |345| < 1 her frekansta, cihazın geçici olarak istikrarlı bir şekilde yüklenmesi gerekir.Eğer bu çevreleri otomatik olarak dengelemek için geri yüklemeniz gerekir, geri bildirim veya dikkatli bir şekilde S. Stability Circles S11S22 - S12S21).If K > 1 ve | {{| < 1, yükselticimleri otomatik olarak koruyacaktır.

Planlanan işletim bandında istikrar analizi sınırlamaz. Birçok cihaz, transistörün ftlarının hala büyük olduğu düşük frekanslarda yüksek kazanç elde eder ve uygun bir şekilde sona ermeden, kHz'ye mm aralığına kadar kombinasyon bilgilerini kullanın. 100 kHz (veya en düşük frekansta) K ve {{'yi hesaplamak için.

Başka bir yararlı ölçüm, K ile ilgili olan Stern istikrar faktörüdür, ancak bazen de yorum yapmak daha kolaydır. Hem K > 1 ve | {{| < 1 isteğe bağlı istikrar için gereklidir; eğer durum başarısız olursa, cihaz potansiyel olarak dengesizdir ve dengesiz bölgenin dışına yalan söyleyen yansıma katları ile sona ermelidir.

4. Tasarım Girişi ve Çıktısı Maksimum Fırsat ve Seçiciliğe Eşleşiyor

Stabilite garantisi ile, hem de eşleme ve frekans seçiciliği sağlayan uyumlu ağ tasarlayabilirsiniz. hedef, en iyi kaynak yansıma katsayısı ( ⁇ ) ve yansıma katsayısı ( ⁇ ) ile en yüksek çözünürlükte cihaza genellikle konjugate eşleştirme ile başlayacaksınız: ⁇ )[FLT)

Sparametreleri kullanarak, uyumlu ağları bandpass filtreleri olarak tasarlayabilirsiniz. Örneğin, tek bir soru veya çift kişilik bir LC merdiven ağı kullanarak, 50 {{'yi ⁇ ) eşleştirme ağının seçimine dönüştürmeniz çok daha yüksek bir şekilde ayarlandığında, yüksek çözünürlükte artış sağlar.In the passband, network provides the network provides the group provides the impedance; out of band, it becomes highly reflective, attenuating signal.[DDDD)

Modern RF CAD araçları, S-parameter verilerinin otomatik olarak eşleşen ağlarını sentezlemenize izin verir, ancak Smith grafiğinin derin bir anlayışı ve sürekliQ çevrelerinin paha biçilmez olduğunu gösterir. Smith grafiğindeki sürekli-Q çevreleri, basit bir L-parat ağına rehberlik eder, size dar bant veya geniş bant topolojilere rehberlik eder. İki aşamalı bir filtre etkisi için, giriş ağı ikinci bir sipariş grubu olarak tasarlayabilirsiniz.

5.Instri Gürültü veya Güç Performansı (Oygun)

LNA'lar için, genellikle minimum gürültü rakamını elde etmek için maksimum kazanç feda edersiniz. Cihazın gürültü parametrelerini (minimum gürültü rakam F)) kullanarak giriş ağı tasarlayabilirsiniz.)., ve gürültü direnci R, ve / 4 )

[FONT=0) · F[DÜDÜT:2) ⁇ [Üye: 2) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [DÜye ait olan ⁇ [DÜye ait)[Üye/Üye ait olan ⁇ [Üye/Üye ait)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)

İşte Z0 referansı (50 ULL) ⁇ [DÜDÜ:0)[DÜDÜT:0) ⁇ [DÜDÜ:2)opt[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜye Olmayanlar İçin Daha İyidir, çünkü bu, gürültü rakam daha iyi olur.

Güç yükselteçleri için, yük-pull verileri üstündür, ancak S-parametreleri hala ilk küçük imzalı ayar için kullanılabilir ve S-parametreleri ile tasarlanmış temel eşleştirme ağı genellikle en iyi ikinci sıraya yakın kalırsa, çıkış gücü 1-dB sıkıştırma noktası altında.

6. Entire Network'ü optimize edin ve Verify Entire Network

Eşleştirme ağları sentezlendikten sonra, cihazı S-parametreleri kullanarak birleştirilmiş devreyi simüle eder ve ağ bileşenleri. cascaded yapısını test edin.Tune bileşeni değerleri istenen merkezi frekansı, bant genişliği ve S22'yi takip ederken, gerçek bileşenlerinin parasitics ve toleransları vardır, mümkün olursa Monte Carlo veya verim analizini kullanın.

Ne zaman memnun olursa olsun, VNA ile bir prototip inşa edin ve ölçüm yapın. S-parametreleri simdi edilenlere kıyasla ölçtü. Gerekirse, yeni ölçülen verileri rafineriye temel olarak kullanarak.Orta bir sorun, ölçümleme noktaları ve yönetim kurulu parasitics için ölçülen bir ayarlayıcı için ölçeklendirme planıdır.

Çalışma Örnek: 2.4 GHz Narrowband LNA Design

S21'den 6 GHz'ye kadar 1 GHz'ye kadar, S11 büyüklüğü -5 dB (parametreleri) S22 -6 dB (ayrıca kapasiteye sahip) Stability K, 6 GHz'de, potansiyel bir istikrarsızlık kazanır. İlk olarak, küçük bir seri direnç ekler (örneğin, 2.45 GHz, 5 dB) kapıda veya bir dB (parat) her türlü frekansta K.

2.4-2.5 GHz ile seçici bir yükselteç için, Smith grafiğinde bir giriş eşleştirme ağı tasarlayın)) = S11 * 2.45 GHz. S11'den beri, 50 hong'dan fazla bir seri şarj cihazı kullanın ve bir taksit şarj cihazı kullanarak, Smith grafiğinde manevra yapan bir giriş yapın, sonra bir çeyrek dalga dönüştürücü veya bir bant şekli elde etmek için ek bir LC bölümü.

Daha keskin reddedilmeye göre, üçüncü siparişli bir filtre yapısını grup dışı olarak yanlışlıkla eşleştirebilirsiniz. Bu yaklaşım, eşleşen ve filtrelemeyi birleştirir, genellikle "seçici girişli" olarak adlandırılır.Son tasarım bir kaset ve doğrulama sistemi oluşturabilir.Bu örnekte, giriş eşleştirme ağı, 0,9 nH ve bir dizi kapasitör C1 = 1.2 pF to resonate with the son tasarım şarj cihazını kullanarak şarj eder.

Ticaret Araçları

Çeşitli yazılım platformları S-parameter tabanlı tasarım verimli hale getiriyor:

  • [FOS) [FOS) [FONT, sentez ve düzen ortamı.
  • [FONT:0)Cadence AWR Mikrodalga Ofisi) – yerleşik sentez ile sezgisel doğrusal ve doğrusal olmayan simülasyon.
  • [FONT:0)NI (eski Ulusal Aletler) VNAs ve LabVIEW) - gerçek zamanlı ölçüm ve parametre ekstraksiyon için.
  • [0]Mikro dalgalar101 S-parametre ansiklopedi[Dönetici: 1) zengin bir eğitim kaynağı.
  • [FONT:0]RF simülasyon hesaplayıcıları ve Smith grafik araçları[Dönetici:0) - hızlı eşleştirme ağ tasarımı için online hizmetler.

Bunlar arasında ADS ve AWR, karmaşık / mikro dalga endüstrisine, süreç tasarım kitleri (PDKs) ve elektromanyetik çözücüler ile sıkı entegrasyon nedeniyle hükmedmektedir. hobiler ve küçük şirketler için, algFLT gibi açık kaynak araçları:0QucsStudio[FLT]

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

[FONT:0] Düşük frekanslı stabiliteyi görmezden gelir: Birçok cihaz, işletim bandının altındaki frekanslarda titrer, çünkü kazanç yüksek.Her zaman DC'den f) düşük frekanslı stabilizasyon ağları (örneğin, düşük frekanslılar için stabilizasyon ağları (örneğin, kapı ve boşaltma dirençleri) ile ilgili bir süre ile kapıda basit bir RC ağı yüksek.

[FONT:0) İdeal bileşenlere genel olarak dikkat edin:[Dönetici:0) Real inductors'un kendi kendine ait olması, kapasitörler bu frekansın üzerinde şarj edici olması için parasitik.Bu, tasarlanmış grup şeklini tamamen yok edebilir.

[FONT:0]Narrow-matching odak: Sadece merkez frekansında mükemmel bir maç tasarlarken, grup kenarlarında kötü iade kaybına yol açabilir. Tüm gruptaki performansı doğrulamak için S-parameter analizi kullanın. Plot S11, S22 ve geçiş boyutunun korunması için.

[FONT:0]Disregarding düzen parasitics: RF'de, birkaç milimetre bir ileti hattı olarak hareket eder.Indüksiyon hattı olarak yeniden yükleme işlemine ek olarak, EMPro veya Sonnet) tekrar giriş yapmak için.Rezonans ve parasitic resonances. Post-layout S-parameters genellikle şematik seviye simülasyondan farklı olarak fark eder. Ground vias, for example, add inductance that can change resonant frequency.Use multiple vias in parallel to reduce viaductance.

[[Döncüm ağlarını incelemek: [Dönetici:0] Bias tees ve dekoupling bileşenleri istenmeyen rezonansları tanıtabilir. Farklı değerlerin S-parametre erkenden kaçınmak için onları ekleyin. 100 pF kapasitor, 1 nF öncülüğü, birkaç tane dahaki DC'den geri çekilmeye neden olabilir.

Linear S-Parameters'ın Ötesinde: Büyük Bir Kayıt ve Doğru Olmayan Düşünmeler

Sparametreleri kesinlikle küçük imzalayıcı parametreleri olsa da, tüm yükseltici sınıf A, AB veya B amplifikleri, S-parametreleri temel noktada inşa eden küçük imzalı kazanç ve yansıma özellikleri sağlar. Sürücü seviyesi arttıkça, büyük sinyale kadar Xparametreleri veya yük-parametreleri içerir.

Frekanslı yükseltici yükselteçler genellikle küçük imzalı modunda çalışır (LNAs, IF yükselteçleri), S-parametrelerin (veya güç bağımlısı Sparametreleri) başlangıçta S-parametreleri kullanılarak tasarlanabilir. Bu, doğrusal olmayan etkiler yalnızca bir şekilde şarj edilir ve doğrusal olmayan bir ağ analiz edildiğinde anlamlı hale gelir (NVNA).

Ek olarak, geri bildirimli yükselteçler için (örneğin, genişbanlı operasyon için direnç geri bildirim), geri bildirim ağının S-parametrelerinin genel iki işlem gösterimine dahil edilmesi gerekir.SQparametreleri geri bildirim ağı ve iki-port ağı teorisini kullanarak sabit bir şekilde hesaplayabilirsiniz.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sparametreleri, bir koherent iş akışında zarif, ölçülebilir ve evrensel olarak kabul edilen bir dil sunar. Frekans destekli yükseltici yükselteçleri tasarlayarak, ileri kazancı yorumlayarak, ters izolasyon ve yansıma katlarını yorumlayabilirsiniz, Sparametreleri ile uyumlu bir şekilde ayarlayabilirsiniz. Smith grafik sezgi, modern simülasyon araçları ve dikkatli bir ölçüm için kombinasyonlar oluşturmak için her zaman doğrulanmış fiziksel tasarıma başlayın.