利用S参数对RF开关模型进行高频验证

2013-06-16 12:31:05来源: 互联网
PCB设计和实现

  为了正确校准VNA,适当的PCB设计至关重要。TRL等技术可以补偿PCB设计的误差,但无法完全消除误差。例如,设计采用TRL校准的PCB时,S21(如RF继电器的插入损耗等)的值必须很低,为了精确测量S参数,需要考虑透射标准的回损(S11, S22)回损是指阻抗不匹配导致反射回信号源的输入功率。无论PCB走线的设计多么好,总是存在一定程度的不匹配。大多数PCB制造商只能保证?5%的阻抗匹配精度,甚至达到这一精度也是勉为其难。这种回损会导致VNA指示的插入损耗大于实际存在的插入损耗,因为VNA“认为”它向DUT发送了比实际发送量更大的功率。

  随着要求的插入损耗水平的降低,将有必要减少透射标准贡献给校准的回损量。而测量频率越高,就越难以做到这一点。

  要减少TRL设计的校准标准的回损,有几点需要特别注意。首先,传输线路设计非常重要,需要与PCB制造商密切协调,确保使用正确的设计、材料和工艺来实现所需的阻抗与频率曲线。连接器件的选择至关重要,必须能够在相关范围内满意地工作。选定连接器件后,还有必要确保连接器与PCB之间的结点设计良好,如若不然,它可能会破坏同轴电缆与PCB传输线路之间所需的50 Ω阻抗,导致系统回损增大。许多连接器制造商都会提供高频连接器的正确布局布线图纸,以及预设计的传输线路设计和PCB堆叠。找到一家能按此设计生产的PCB制造商可以大大简化PCB设计工作。

  其次需要考虑PCB的装配连接器与PCB传输线路之间的结点至关重要,因此连接器的焊接会对过渡产生重大影响。连接不良或未对齐的连接器会破坏电感和电容之间的微妙平衡,从而影响结点的阻抗。图5是一个焊接不良的连接器结点示例。

  

  图5. 连接不良的SMA

  如果设计程序没有考虑阻焊膜涂层的介电常数,则它也可能会对传输线路的阻抗产生不利影响。在低频PCB中,这不是一个大问题,但随着频率提高,阻焊膜可能会带来麻烦。

  为了确保透射走线的回损是可接受的,有必要利用VNA测量回损。因为系统的参考平面是从连接器到连接器,所以SOLT校准应当足以测量透射走线。一旦确定透射走线的回损性能,就可以通过在走线上执行TDR来监视缺陷。TDR会显示系统与目标阻抗偏差最大的区域。

  在TDR曲线上,应当可以标出系统中对偏差贡献最大的具体部分。图6所示为一条传输线路走线及其对应的TDR曲线。可以在TDR曲线上定位某些部分的阻抗,从而明白哪些部分造成了最大的回损。从图中可以看出,SMA与传输线路之间的结点偏离50 Ω,并且传输线路本身的阻抗也不是很接近50 Ω。为了改善该PCB的性能,需要采取上面所说的一些措施。

  

  图6. PCB与TDR曲线

  使用S参数

  在某一频率范围内表征一个DUT时,S参数可以提供许多好处。除了显示某一频率时的增益、损耗或阻抗匹配以外,还可以用Y参数(导纳参数)等其它形式替换S参数,以便计算电容等物理参数。Y参数与S参数的唯一区别在于:前者是在目标引脚短路(0 Ω)情况下导出的(公式5到8),而后者则是在匹配50 Ω端接阻抗情况下导出的。可以对Y参数进行实际测量,但它比S参数更难以记录,因为在宽频率范围内造成真正的短路非常困难。由于宽带50 Ω匹配更容易做到,因此更好的方法是记录S参数,然后将S参数转换成Y参数。大部分现代RF软件包都可以实现这一点。
计算物理参数

  下面举一个利用S参数来计算目标频率范围内电容的例子,考虑图1所示的RF继电器。当继电器开路(即, 断开),时,为了计算继电器到地的电容,首先必须将S参数记录转换为Y参数,也就是将50 Ω环境下的数据转换为短路端接情况下的数据。从继电器的物理结构可以明显看出,当输出端口接地并且开关断开时,至地的电容可以通过检查Y11参数而得知,Y11 衡量送回信号源的功率量。当开关断开时,所有功率都应被反射回信号源,但实际上,某些功率会到达接地(Y参数定义的要求)的输出端口,该功率通过电容传输到地。因此,将Y11参数的虚部除以2πf便得到目标频率时RF继电器到地的电容。

  若要计算RF继电器的电感,可以使用类似的方法,但此时需要用Z(阻抗)参数代替Y参数。Z参数与S参数和Y参数相似,不过它不是使用阻抗匹配或短路,而是使用开路来定义端接。略加考虑便可将此方法应用于所有器件,以计算多种不同的物理参数。

  匹配网络

  S参数的另一个应用是匹配网络的设计。许多应用要求阻抗匹配以确保在某一频率实现最佳的功率传输。利用S参数,可以测量器件的输入和输出阻抗,然后可以在史密斯图上显示S参数,并设计适当的匹配网络。

  为客户提供模型

  如上所述,由于S参数广泛适用,因此可以利用S参数文件向用户提供线性电路的输入输出信息,并完整描述宽频率范围内器件的特性,而无需披露复杂或者专有的设计。客户可以按照与上面所述类似的方法,利用S参数在其系统中构建器件模型。

  结束语

  S参数是创建和验证宽带宽的高频模型的有用工具。一旦记录下来,便可以利用S参数计算许多其它电路特性,以及创建匹配网络。然而,设计测量系统时,必须考虑一些必要的注意事项,其中最重要的是校准方法的选择和PCB设计。通过采取本文所述的措施,可以避免某些潜在的问题。

关键字:S参数  RF开关  模型  高频验证

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0616/article_18792.html
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