S參數究竟是什么？

現代高速模數轉換器（ADC）已經實現了射頻（RF）信號的直接采樣，因而在許多情況下均無需進行混頻，同時也提高了系統的靈活性和功能。

傳統上，ADC信號和時鐘輸入都采用集總元件模型來表示。但是對于RF采樣轉換器而言，其工作頻率已經增加至需要采用分布式表示的程度，那么原有的方法就不適用了。

本系列文章將從三個部分入手，說明如何將散射參數（也稱為S參數）應用于直接射頻采樣結構的設計。

起決定性作用的S參數

S參數就是建立在入射微波與反射微波關系基礎上的網絡參數。它對于電路設計非常有用，因為可以利用入射波與反射波的比率來計算諸如輸入阻抗、頻率響應和隔離等指標。而且由于可以用矢量網絡分析儀（VNA）直接測量S參數，因此無需知曉網絡的具體細節。

圖1所示的是一個雙端口網絡的例子，其入射波量為ax，反射波量為bx，其中x是端口。在該討論中，我們假設被測器件是線性網絡，因此適合采用疊加法。

圖1：雙端口網絡波量

通常情況下，在測量所有端口上的反射波時，VNA一次只刺激一個端口（通過將入射波推到該端口）。而且所測量的這些波量是非常復雜的，因為每個波量都有相應的振幅和相位。因此，這個過程需要針對每個測試頻率下的每個端口不斷重復。

對于雙端口器件，我們可以從測量數據中形成四個有意義的比率。這些比率通常用sij表示，其中i表示反射端口，而j表示入射端口。正如上文提到的，假設一次只刺激一個端口，那么其他端口的入射波為零（用系統的特性阻抗Z0來表示終止）。

方程式1至4適用于四個雙端口S參數。S11和 S22分別表示端口1和端口2的復阻抗。S21表示傳輸特性，端口1為輸入，端口2為輸出（S12與之相同，但端口2為輸入，端口1為輸出）。

S11= b1/a1，a2= 0 (1)

S21= b2/a1，a2= 0 (2)

S12= b1/a2，a1= 0 (3)

S22= b2/a2，a1= 0 (4)

對于單向器件而言，如放大器（端口1為輸入，端口2為輸出），可以用S11表示輸入阻抗，用S21表示頻率響應，用S12表示反向隔離，用S22表示輸出阻抗。數據轉換器也是一種單向器件，但其端口2通常為數字輸出，這對測量和解讀都會產生一定的影響。

將S參數擴展到多端口器件和差分器件

可以將S參數框架擴展到任意數量的端口，有意義的參數數量為2N，其中N表示端口數量。許多集成電路由于振蕩和共模抑制能力增強而具有差分輸入和輸出。射頻采樣ADC（如TI的ADC12DJ5200RF）通常具有差分射頻輸入和差分時鐘輸入。我們還可以進一步擴展S參數框架，以支持差分端口。

如圖2所示，對于差分端口來說，我們必須區分共模波和差模波。兩種模式具有相同的入射振幅，但差模入射波具有180度的相移，而共模入射波具有相同的相位。

圖2：差模波和共模波

對于端口之間沒有反饋的線性器件來說，可以采用疊加法，根據單端S參數測量（在任何給定時間內，只有一個端口具有處于活動狀態的入射波）來計算出差共混合模式S參數。現代高性能VNA還支持用差模或共模波同時刺激兩個端口。

測量數據轉換器S參數所面臨的挑戰

數據轉換器的半模擬半數字特性給測量S參數帶來了挑戰。VNA不能直接與數據轉換器的數字總線相連接，因此需要采用專門的方法來進行測量。