Zaloguj
Parametry S opisują podstawowe cechy sieci RF, a ich główne typy obejmują parametry S dla małego sygnału, dużego sygnału, sygnału impulsowego (odpowiedź impulsowa), zbierane w trybie zimnym i mieszanym. W poniższym artykule opisane zostaną najbardziej podstawowe pojęcia, które należy znać, aby opisać dowolny komponent radiowy za pomocą parametrów rozpraszania, czyli parametrów S (Scattering – rozpraszanie). W przeciwieństwie do innych artykułów na ten temat, oprócz omówienia podstawowych definicji parametrów S, zostaną także wskazane kluczowe typy parametrów powszechnie stosowane w praktyce.
Podstawowe definicje
Parametry S określają ilościowo, w jaki sposób energia RF rozchodzi się w systemie, a tym samym zawierają informacje o jego podstawowych właściwościach. Używając parametrów S, można opisać nawet najbardziej złożone urządzenie RF jako prostą N-portową sieć. Rysunek 1 pokazuje przykład dwuportowej, niesymetrycznej sieci, która może być używana do reprezentowania wielu standardowych komponentów RF, takich jak wzmacniacze, filtry czy tłumiki.
Wielkości falowe aX, schematycznie pokazane na rysunku1, są złożonymi amplitudami fal napięcia, które padają na Port 1 i Port 2 urządzenia. Jeśli jeden port w danym momencie jest pobudzany pewną mocą – a1 lub a2, gdy drugi port jest podłączony do dopasowanego obciążenia, można zdefiniować odpowiedź układu do przodu i do tyłu (względem urządzenia) w postaci fal oznaczonych odpowiednio b1 oraz b2. Wielkości te reprezentują fale radiowe odbite lub przesyłane przez porty sieci. Jeśli obliczymy stosunek wynikowych odpowiedzi złożonych i początkowych wielkości bodźca, możemy zdefiniować parametry S komponentu dwuportowego, jak pokazano w równaniu 1.
Wewnętrzna odpowiedź sieci może być następnie wyrażona przez grupowanie parametrów S razem w macierz rozpraszania (macierz S), która wiąże złożone wielkości fal na wszystkich portach analizowanego układu. Dla sieci dwuportowej niezrównoważonej relacja bodziec–odpowiedź przyjmie postać, jaką pokazano w równaniu 2.
Macierz parametrów S może być zdefiniowana w analogiczny sposób dla dowolnego N-portowego komponentu radiowego.
Typy parametrów S
Jeśli wyraźnie nie zaznaczono inaczej, termin parametry S zwykle odnosi się do parametrów S mierzonych dla małego sygnału. Reprezentują one odpowiedź sieci RF na mały bodziec sygnałowy, określając ilościowo jego charakterystykę odbicia i transmisji w funkcji częstotliwości w liniowym trybie pracy układu. Używając parametrów S dla małego sygnału, można określić podstawowe charakterystyki RF, w tym współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR), straty odbiciowe, tłumienie lub wzmocnienie przy danych częstotliwościach dla danego układu.
Jeśli jednak zwiększamy ustawicznie poziom mocy sygnału przechodzącego przez urządzenie RF, często powoduje to pojawienie się efektów nieliniowych. Efekty te można określić ilościowo przy użyciu innego rodzaju parametrów rozpraszania, zwanych parametrami S mierzonymi dla dużego sygnału. Różnią się one nie tylko dla różnych częstotliwości, ale także dla różnych poziomów mocy sygnału bodźca. Ten typ parametru rozpraszania może być używany do określenia nieliniowych charakterystyk urządzenia, takich jak parametry kompresji.
Zarówno mało-, jak i wielkosygnałowe parametry S są zwykle mierzone za pomocą sygnałów bodźca o fali ciągłej (CW) i stosując wykrywanie odpowiedzi na detektorze wąskopasmowym. Jednak wiele komponentów RF jest zaprojektowanych do pracy z sygnałami impulsowymi, które mają szeroką odpowiedź w dziedzinie częstotliwości. To sprawia, że trudno jest dokładnie scharakteryzować komponent RF przy użyciu standardowej metody wykrywania wąskopasmowego. Dlatego do charakteryzowania urządzeń w trybie impulsowym stosuje się zwykle parametry S mierzone w trybie impulsowym. Te parametry rozpraszania uzyskuje się za pomocą specjalnych technik pomiaru odpowiedzi impulsowej.
Innym szczególnym rodzajem parametrów S, o którym rzadko się mówi, ale który czasami może stać się ważny do rozważenia, są parametry S mierzone na zimno. Termin „zimny” w tym przypadku oznacza, że parametry rozpraszania są uzyskiwane dla urządzenia aktywnego, ale będącego w trybie nieaktywnym (to znaczy, że wszystkie jego elementy aktywne są nieaktywne, na przykład złącza tranzystorów są odwrócone lub spolaryzowane zerowo i nie płyną prądy w układzie). Ten typ parametrów S może być używany na przykład w celu poprawy dopasowania segmentów łańcucha sygnału ze składnikami w stanie wyłączonym, co powoduje wysokie odbicia w ścieżce sygnału.
Do tej pory parametry S definiowane były dla typowego przykładu pomiaru układu z sygnałami asymetrycznymi (common). W układach takich sygnał bodźca, jak i odpowiedzi odnoszą się do poziomu masy. Jednak dla komponentów symetrycznych (differential), które wyposażone są w porty różnicowe, ta definicja nie jest wystarczająca. Zrównoważone sieci wymagają szerszego podejścia do charakteryzowania, które muszą być w stanie w pełni opisać ich odpowiedzi w pomiarze różnicowym i we wspólnym. Można to osiągnąć za pomocą parametrów S trybu mieszanego. Rysunek 2 pokazuje przykład parametrów rozpraszania mierzonych w trybie mieszanym zgrupowanych razem w rozszerzoną macierz S reprezentującą typowy dwuportowy komponent różnicowy.
Indeksy dolne parametrów S trybu mieszanego w tej macierzy używają konwencji nazewnictwa, gdzie po kolei opisano: tryb b, tryb a, port b i port a, czyli dwa pierwsze znaki opisują tryby pomiaru/wymuszenia portu odpowiedzi (tryb b) i portu bodźca (tryb a), a dwa dalsze znaki określają numery indeksów tych portów, gdzie port b odpowiada odpowiedzi, a port a odpowiada portowi sygnału wzbudzającego. W naszym przykładzie tryby działania portów są zdefiniowane przez indeks dolny d – różnicowy – lub c – tryb współbieżny.
Jednak w bardziej ogólnym przypadku komponentu, który ma zarówno porty zbalansowane, jak i niezbalansowane, macierz S w trybie mieszanym będzie również miała dodatkowe elementy z indeksami dolnymi opisującymi wielkości uzyskane dla portów z wyjściem asymetrycznym. Parametry rozpraszania mierzone w trybie mieszanym pozwalają określić nie tylko podstawowe parametry komponentu radiowego, takie jak tłumienie, odbicie czy wzmocnienie, ale także kluczowe wartości użyte do charakteryzowania parametrów obwodów różnicowych, takie jak współczynnik odrzucenia sygnału współbieżnego (CMRR), niezrównoważenie wielkości i nierównowaga faz.
Podsumowanie
W artykule omówiono podstawowe definicje i krótko omówiono kluczowe typy parametrów rozpraszania. Parametry S mogą być użyte do opisania podstawowych charakterystyk komponentów radiowych przy różnych częstotliwościach i dla różnych poziomów mocy sygnału. Rozwój aplikacji RF w dużej mierze opiera się na wykorzystaniu danych parametrów S opisujących integralne struktury i elementy składowe projektów RF. Inżynierowie elektronicy mierzą lub polegają na już istniejących danych parametrów S, które są zwykle przechowywane w standardowych plikach tekstowych znanych jako pliki Touchstone lub SnP (formaty standardowo używane do zapisu parametrów S oraz do wczytywania ich np. do oprogramowania do symulacji). Pliki te są często dostarczane bezpłatnie dla najpopularniejszych komponentów RF dostępnych obecnie na rynku.
Nikodem Czechowski, EP
Bibliografia:
https://bit.ly/3rqERSE
