单片微波集成电路(MMIC) 设计中的S 参数简介

2024-11-22 11:47:00 | 来源: 互联网整理

具有高吞吐率的MMIC 产品的设计需要在这些商业仿真模拟器中对MMIC 组件进行全面的表征和精确的建模。这是一项耗时且昂贵的活动，对于芯片代工厂来说是一项重大投资；但总的来说，芯片代工厂的模型库既不全面也不完善。虽然这些组件模型通常隐藏在其原理图符号后面，但了解芯片代工厂如何完成可能已生产的模型将有助于设计人员了解其局限性并谨慎使用它们。

s参数

MMIC 的微波性能仿真使用各个组件的电气模型或s 参数数据文件，并计算总体特性。这可以在线性或非线性设备上执行，并导出参数，例如输入和输出阻抗匹配、频域和时域中的信号损耗或增益。 3D 仿真CAD 工具还可用于仿真芯片上紧密相邻的组件之间的相互作用。

K. Kurokawa 首先讨论了散射参数或s 参数的概念。 S参数的目的是让设计人员更清楚、更直接地了解通过多端口网络连接的电路元件之间的电源关系。换句话说，s参数给出了信号入射到电路时如何分散的物理意义，即有多少信号功率被反射以及有多少功率从电路的其他端口传输， ETC。

图1. 施加到嵌入特性阻抗为Z0 的传输线中的二端口器件端口的信号

任意电路的s 参数表示称为散射矩阵，可以通过考虑行波的入射、反射和透射信号来理解散射参数。在图1中，信号被施加到嵌入特性阻抗为Z0的传输线上的二端口器件，并且输入传输线上存在入射波和反射波。该双端口器件的广义反射特性如图2所示，其中Vi1是端口1处的入射电压波，Vr1是端口1处的反射电压波。

图2. 嵌入特性阻抗为Z0 的传输线中的二端口器件的一般反射特性

图1中，Vi2为端口2的入射电压波，Vr2为端口2的反射电压波。

(1)中给出的端口1的电源事件可以用来定义一个新的变量a1；类似地，(2)中给出的从端口1反射的功率可以定义b1。同样，可以为端口2 定义变量a2 和b2。重新排列端口1 的这些变量即可得出端口1 的总电压和电流，如(3) 和(4) 所示。

在端口2 处重新排列这些方程，并将a1 和a2 作为自变量求解，将b1 和b2 作为因变量求解，得到双端口电路的散射矩阵解，如方程(5) 所示。每个散射元素Sij是与输入和输出信号电压的幅度和相位相关的复数。

该解基于任意电路的散射波，是适用于任意端口数量网络的通用解，如式(6)所示，矩阵[S]称为散射(S)网络矩阵。

散射矩阵中的每个单元都有明确的物理意义，黑川在文献中对此进行了讨论（即元素Sij给出了端口i输出的信号电压相对于端口j输入的信号电压的幅值和相位）。类似地，Sii是端口i的输出信号电压相对于端口i的输入信号电压。换句话说，它是从端口i反射的信号量，表明端口i与Z0的匹配程度。因此，对于在端口j 处与Z0 完全匹配的网络，s 参数Sjj 等于0。与一般化的那样，Sii 表示端口i 处的匹配，Sij 表示从端口j 到端口i 的电压增益或损耗。 Sji 表示端口i 和端口j 之间的电压增益或损耗。请注意，对于无源网络（即没有提供电压增益的组件的网络），所有Sij 的大小都小于1。

回到50 欧姆系统中双端口器件（例如放大器）的示例，S21 是传输/入射信号，称为电压增益，S11 是反射/入射信号（即输入）与输入匹配，S22是输出端/传入信号（即输出匹配），S12是从输出端传输到输入端的信号/输出端的输入信号，称为反向隔离，如图3所示。注意，S21是电压增益，功率增益是|S21|^2。

图3. 双端口器件的S 参数

s 参数相对容易测量，因为要求很简单，除了感兴趣的端口之外的所有波都等于0，并且所有端口都以特性阻抗Zo 终止。表1 显示了Touchstone 格式的S 参数数据文件示例，其中以“#”符号开头的行给出了数据的全局变量。