CN107390052B - 一种基于多端口abcd参数的系统特性分析方法 - Google Patents

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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere

Abstract

本发明提供一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该系统包括m个输入端口和n个输出端口，N＝m+n，具体为：测量多端口系统的Z参数MZ；基于所述Z参数，计算多端口系统的ABCD参数；基于所述ABCD参数分析多端口系统的特性。该方法以端口的电压和电流作为参量表征多端口系统的特性，克服了多端口T参数的应用局限，为涉及端口电压和电流的电子系统分析及设计提供了更准确、更有效的解决方案。

Description

一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法
技术领域
本发明属于电子系统分析及设计技术领域，具体涉及一种基于多端口ABCD 参数的系统特性分析方法。
背景技术
在电子系统设计领域，网络参数理论被广泛应用于系统分析，其中包括很多网络参数类型，如散射参数(S)、阻抗参数(Z)、导纳参数(Y)、传输参数(T)、 ABCD参数等。其中，S、T参数以端口入射波和反射波为关注参量，而Z、Y、 ABCD参数以端口的电压和电流为关注参量，这些参数采用不同参量、从不同角度对系统特性进行表征，为系统分析提供依据。
随着电子系统的复杂度不断提升，影响系统特性的因素变得错综复杂，使得通过整体分析获得系统特性变得异常艰难，取而代之的是将系统进行有效的分解并获取模块化特性，然后再重新组合获得系统特性。在这其中，去嵌入和级联技术是系统分解和模块组合的关键技术和难题。
对于双端口网络，利用双端口的T或者ABCD参数均可以实现去嵌入和级联，但是对于多端口网络，多端口的T参数几乎是实现去嵌入和级联的唯一手段。即便如此，多端口的T参数仍然存在一定的应用局限性，即T参数本身引用端口入射和反射波作为关注参量，因此在分析关注端口电压和电流的电子系统时需要进行繁琐的参量转换，从而增加运算复杂度和系统分析难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，其以端口的电压和电流作为参量，表征多端口系统的特性。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该系统包括m个输入端口和n个输出端口，N＝m+n，具体为：
测量多端口系统的Z参数MZ；
基于所述Z参数，根据式(5)计算多端口系统的ABCD参数；
基于所述ABCD参数分析多端口系统的特性。
一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该系统包括m个输入端口和n个输出端口，N＝m+n，具体为：
基于多端口系统的ABCD参数MABCD，根据所述式(7)计算表征多端口系统特性的Z参数
基于所述Z参数分析多端口系统的特性。
一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该方法所针对的系统为由多个输入输出子系统级联构成，包括m个输入端口和n个输出端口，N＝m+n，具体过程为：
步骤一：判断表征各子系统特性的ABCD参数是否已知，若是，进入步骤三，否则进入步骤二；
步骤二：测量未知ABCD参数的子系统的Z参数Mz，根据式(5)计算其对应的ABCD参数；
步骤三，根据各子系统对应的ABCD参数，通过级联计算多端口系统对应的ABCD参数，基于所述ABCD参数分析多端口系统的特性。
一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该方法所针对的系统为由多个输入输出的子系统构成，包括m个输入端口和n个输出端口，N＝m+n，具体过程为：
若只有一个子系统的ABCD参数未知，则根据全系统和已知ABCD参数的子系统的ABCD参数，采用去嵌入计算未知ABCD参数的子系统的ABCD参数，否则，测量未知ABCD参数的子系统的Z参数Mz，根据式(5)计算其ABCD 参数，
根据该子系统ABCD参数来分析该子系统的特性。
有益效果：
本发明的多端口ABCD参数为多端口系统的去嵌入和级联提供一种除多端口T参数外的有效途径。更重要的是，该参数以端口的电压和电流作为参量表征多端口系统的特性，克服了多端口T参数的应用局限，为涉及端口电压和电流的电子系统分析及设计提供了更准确、更有效的解决方案。
附图说明
图1为典型N端口系统示意图。
图2为6端口的左、右子系统的传输线参数示意图。
图3为6端口全系统的ABCD参数计算结果。
图4为4端口的左、中、右子系统的传输线参数示意图。
图5为4端口中间子系统的ABCD参数计算结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明的设计原理：以端口的电压和电流作为参量，表征多端口系统的特性。
图1示意了一个典型的N端口系统，其中包括m个输入端口和n个输出端口，端口的电压和电流分别定义为V1-VN和I1-IN，N＝m+n。本发明提供的多端口ABCD参数定义为：
其中
该多端口ABCD参数与多端口Z参数存在一定的转换关系。对于图1示意的N端口系统，其多端口Z参数表示为：
其中
多端口ABCD参数与Z参数可以进行如下互相转化：
根据式(5)由多端口Z参数计算ABCD参数，
其中Z(II,I)-1为矩阵Z(II,I)的逆矩阵，而
根据式(7)由多端口ABCD参数计算Z参数，
其中Csub -1为矩阵Csub的逆矩阵，而
在非对称输入输出(输入输出端口数量不同)的多端口系统中，公式(5) 和(7)中的逆矩阵需要通过伪逆矩阵运算实现，且存在两个局限：1)公式(5) 和(7)的转换过程将丢失部分参数信息，导致逆变换不准确；2)特定矩阵的伪逆矩阵运算将只存在左矩阵或者右矩阵，从而导致特定系统的去嵌入应用不可实现。
以端口的电压和电流作为参量表征多端口系统的特性，可用于多端口系统的去嵌入和级联技术，以下为两个具体实施例。
1)多端口系统的级联
以一个具有3条耦合传输线的6端口系统为例，系统包含3个输入和3个输出。该系统是由左、右两个6端口的子系统级联而成，子系统的传输线参数示意图如图2所示，其中(a)为侧视图，而(b)为俯视图。两个子系统实际的传输线参数值如表1所示，单位为mil，其中，W1、W2、W3为传输线的宽度，S1、S2为传输线间的间距、T为传输线和参考平面的铜箔厚度、H为传输线与参考平面间的介质厚度，L为传输线的线长。
表1左、右子系统传输线的参数值
子系统 W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> W<sub>3</sub> S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> T H L
左 25 15 15 8 12 0.7 3.937 5000
右 25 15 15 15 20 0.7 3.937 2000
根据本发明提供的多端口ABCD的参数定义及计算方法，全系统的ABCD 参数可由两种方式获得：
方式A：可由公式5计算得到，其中Z参数可由Agilent Technologies公司的Advanced Design System(ADS)软件仿真得出。
方式B：可由左、右两个子系统的ABCD参数，和级联而得，计算为：
上述两种方式的对比结果如图3所示，其中实线为方式A的结果，而圆圈线为方式B的结果，两者高度吻合，这不但验证了本发明提的ABCD参数的准确性，也验证其用于多端口系统级联的有效性。注意，图3仅给出了全系统ABCD 参数中的A1,1、B1,1、C1,1、D1,1四个参数的对比结果，由于其它剩余参数对比结果所得结论与当前结论一致，此处不再赘述。
2)多端口系统的去嵌入
以一个具有2条耦合传输线的4端口系统为例，系统包含2个输入和2个输出。该系统是由左、中、右三个4端口的子系统级联而成，子系统传输线参数示意图如图4所示，其中(a)为侧视图，而(b)为俯视图。三个子系统实际的传输线参数值如表2所示，单位为mil，其中，W1、W2为传输线的宽度，S1为传输线间的间距、T为传输线和参考平面的铜箔厚度、H为传输线与参考平面间的介质厚度，L为传输线的线长。
表2左、中、右子系统传输线的参数值
子系统 W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> S1 T H L
左 20 10 10 0.7 3.937 2000
中 20 30 20 0.7 3.937 1000
右 25 10 2 0.7 3.937 2000
根据本发明提供的多端口ABCD的参数定义及计算方法，中间子系统的 ABCD参数可由两种方式获得：
方式A：可由公式5计算得到，其中Z参数可由ADS软件仿真得出。
方式B：可通过将全系统进行左、右子系统去嵌入得到，即中间子系统的ABCD参数计算为：
其中分别为全系统、左子系统、右子系统的ABCD参数。上述两种方式的对比结果如图5所示，其中实线为方式A的结果，而圆圈线为方式B的结果，两者高度吻合，这不但验证了本发明提的ABCD参数的准确性，也验证其用于多端口系统去嵌入的有效性。注意，图5仅给出了中间子系统ABCD参数中的A1,1、B1,1、C1,1、andD1,1四个参数的对比结果，由于其它剩余参数对比结果所得结论与当前结论一致，此处不再赘述。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该系统包括m个输入端口和n个输出端口，N＝m+n，其特征在于，具体为：
基于多端口系统的ABCD参数MABCD，根据所述式(7)计算表征多端口系统特性的Z参数
基于所述Z参数分析多端口系统的特性。
2.一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该方法所针对的系统为由多个输入输出子系统级联构成，其特征在于，具体过程为：
步骤一：判断表征各子系统特性的ABCD参数是否已知，若是，进入步骤三，否则进入步骤二；
步骤二：测量未知ABCD参数的子系统的Z参数MZ，根据式(5)计算其对应的ABCD参数；
步骤三，根据各子系统对应的ABCD参数，通过级联计算多端口系统对应的ABCD参数，基于所述ABCD参数分析多端口系统的特性。
3.一种基于多端口ABCD参数的系统特性分析方法，该方法所针对的系统为由多个输入输出的子系统构成，其特征在于，具体过程为：
若只有一个子系统的ABCD参数未知，则根据全系统和已知ABCD参数的子系统的ABCD参数，采用去嵌入计算未知ABCD参数的子系统的ABCD参数，否则，测量未知ABCD参数的子系统的Z参数MZ，根据式(5)计算其ABCD参数，
根据该子系统ABCD参数来分析该子系统的特性。
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