X參數(shù)的含義

在早期的年代人們?cè)?jīng)一度使用各種儀表以及由這些儀表測(cè)量得到的各種測(cè)量結(jié)果拼合的信息來(lái)設(shè)計(jì)線性元器件和線性系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法很快就被使用分布參數(shù)（S參數(shù)）的設(shè)計(jì)方法所取代。S 參數(shù)把使用多種儀表以及多種測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一起來(lái)，使得人們能夠只用一種儀表（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀），就可以通過(guò)儀表與被測(cè)器件的一次連接測(cè)量出諸如增益、隔離度和匹配等參數(shù)的值。在過(guò)去的40多年里，S參數(shù)一直占據(jù)著微波理論和技術(shù)全部基礎(chǔ)中最重要的位置，它們涉及的是一些我們非常熟悉的測(cè)量的量，例如輸入匹配（S11），輸出匹配（S22），增益或損耗（S21），以及隔離度（S12），這些測(cè)量的量還可以很容易地植入設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品所用的軟件仿真工具中。在今天，S 參數(shù)也還是對(duì)射頻和微波器件的線性特性進(jìn)行分析和建模的常用參數(shù)。但是我們也看到，不斷提高能源的使用效率、加大器件的輸出功率、不斷延長(zhǎng)靠電池供電的器件和設(shè)備在電池一次壽命內(nèi)的使用時(shí)間等工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)正推動(dòng)著許多線性器件在非線性的工作狀態(tài)下的應(yīng)用。當(dāng)在這種情況和條件下再來(lái)測(cè)量器件的特性時(shí)，就需要一種能夠得到更加確定性結(jié)果的測(cè)量解決方案。

雖然S 參數(shù)的功能極為強(qiáng)大和有用，但它的定義是基于對(duì)線性系統(tǒng)用小信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的情況。通信技術(shù)革命性的進(jìn)步和發(fā)展正在把像功率放大器這類的有源器件推向其非線性工作區(qū)域，以期在這個(gè)區(qū)域內(nèi)找到更加強(qiáng)大的應(yīng)用空間；工程師們也因此被迫再次使用新一代的各種儀表的組合來(lái)測(cè)量器件的非線性特性。他們基本的做法是通過(guò)取得S參數(shù)再施加一些品質(zhì)因數(shù)(例如鄰道功率抑制功能和增益壓縮特性等) 來(lái)對(duì)器件的總體特性做一些基于線性特性的推論。依賴這種不完善的信息集合意味著工程師們必須在他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大量進(jìn)行特別依賴于個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的高成本迭代試驗(yàn)，整個(gè)設(shè)計(jì)流程在時(shí)間上和成本上都大為增加。今天，為了在高頻領(lǐng)域更加快速、精確和確定性地設(shè)計(jì)出非線性器件，工程師們的確需要有對(duì)器件的非線性特性恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行測(cè)量，并獲得一個(gè)統(tǒng)一的器件模型，一個(gè)類似于S參數(shù)的適用于非線性器件和分量的模型的能力，從而能夠把這個(gè)模型所代表的完整的器件的信息應(yīng)用到仿真和設(shè)計(jì)的過(guò)程中去。

解決方案

就像S 參數(shù)表征器件的線性特征那樣，X 參數(shù)是用來(lái)表征器件和系統(tǒng)的非線性特性的參數(shù)，它為工程師們所遇到的麻煩找出了解決的辦法。X 參數(shù)所代表的是確定性地設(shè)計(jì)高頻器件所需要的新一類非線性網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，用來(lái)表征各種器件的非線性特性的幅度和相關(guān)的相位信息。與S參數(shù)所不同的是，它既適用于大信號(hào)的工作條件也適用于小信號(hào)的工作條件；既可以用于線性器件也可以用于非線性器件。它們正確地表征出了器件的阻抗匹配狀態(tài)和在非線性條件下的混頻特性，可以讓技術(shù)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中精確地仿真出幾個(gè)不同電路模塊的X參數(shù)級(jí)聯(lián)后的非線性X參數(shù)，例如放大器和混頻器等的級(jí)聯(lián)。
與S參數(shù)相比，X參數(shù)可以更為完整全面并且以不會(huì)失效的方式表示或分析射頻微波器件的非線性特性。作為S參數(shù)在大信號(hào)工作條件下的邏輯與數(shù)學(xué)范疇內(nèi)的擴(kuò)展，X 參數(shù)的獲取首先需要把被測(cè)器件驅(qū)動(dòng)到其飽和工作狀態(tài)，這是很多器件真實(shí)的工作狀態(tài)，然后再在這樣的條件下對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量X參數(shù)的時(shí)候，我們不使用或需要知道與被測(cè)器件(DUT)內(nèi)部集成電路有關(guān)的信息，我們所要做的是測(cè)量各種不同頻率的信號(hào)的電壓波形的激勵(lì)響應(yīng)模型，如圖1 所示。換句話說(shuō)，就是信號(hào)的基波和所產(chǎn)生的失真信號(hào)的絕對(duì)幅度、不同頻率信號(hào)的相對(duì)相位信息都可以被精確地測(cè)量出來(lái)，然后用X參數(shù)來(lái)代表這些幅度和相位信息的組合。從這些信息中我們建立起基于X參數(shù)的相應(yīng)的器件特性模型，然后這些模型可以與各種經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的測(cè)量工具一起使用來(lái)得到不同的品質(zhì)因數(shù)，例如 ACPR，增益壓縮和EVM 等，如圖2 所示。在這些快速得到的精準(zhǔn)模型當(dāng)中，我們還可以把更多的可變化的因素考慮進(jìn)去，其中就包括源和負(fù)載的阻抗?fàn)顟B(tài)、所施加的直流偏置的值、甚至溫度信息等。

圖1以這個(gè)多級(jí)放大器為例, 它的X參數(shù)是在頻域內(nèi)表達(dá)的并映射出各個(gè)頻率的入射波(A) 和各個(gè)頻率的
散布的波(B) 的關(guān)系。因?yàn)槿绻耆懒巳肷洳ê驮谒兄C波頻率上的散布的波的幅度和相位信息的話,
就相當(dāng)于也完全知道了信號(hào)時(shí)域波形的信息, 所以我們就可以知道器件非線性輸入- 輸出特性。

圖2 可以看到, 這里所顯示的X 參數(shù)完全覆蓋了功率放大器實(shí)際的電路級(jí)設(shè)計(jì)結(jié)果。正如這里所證明的
這樣, X 參數(shù)可以精確地與實(shí)際電路相關(guān)聯(lián)。