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S参数的基础知识简介

冬至配饺子 来源:信号完整性学习之路 作者:广元兄 2022-08-16 10:05 次阅读

射频微波行业,相关高速产品,很多硬件工程师,很多实际工作,哪一个不拿S参数说事?基础知识有很多健忘了,温故知新。话不多说,直接上思维导图:

pYYBAGL6-i-AEfvqAABn3zDdtnQ999.png

1、定义

S参数最新应用于射频和微波领域,起源于频域的分析技术。S参数作为互连行为的通用基准,相关的原理和公式也应用于时域。这里的互连行为包含线性的和无源的。

S参数中的S,是单词Scattering的简写,表示散射的意思。所以,S参数代表是一种行为模型,即互连如何与一个标准的入射波之间的相互作用。

在频率描述时,这个标准波形是正弦波。时域描述时,这个标准波形可以是阶跃或者冲激波形。

入射波散射回源端的波称为反射波,通过元器件散射出去的波形称为传输波。

关于入射波,反射波,传输波,端口比值等,可以参考下图:

poYBAGL6-kCAGC-dAAC3ZEecqdg339.png

时域反射计(TDR)测量时域的反射响应。矢量网络分析仪(VNA) 测正弦波的反射响应和传输响应,这里的矢量是指正弦波的幅度和相位。

2、作用

S参数包含着大量的信息,这些信息描述了互连的一些特性,比如阻抗曲线、串扰大小和差分信号衰减。

使用仿真软件,对互连的行为进行搭建,拟合出基于电路拓扑的互连模型,如走线、连接器、过孔或整个背板模型。所有链路中的模型都可以用S参数来包含。

对于所有线性无源元件而言,散射波的频率和入射波的频率完全一样。正弦波唯一可以改变的两个属性就是散射波的幅度和相位。

为了区别每个S参数所涉及的端口组合,看下标值,第一个下标值对应输出端口,而第二个下标值对应输入端口。比如S21,代表从端口1进入并从端口2输出的正弦波的S参数,这和我们预想的相反,即S out in。

pYYBAGL6-leAYvjPAAA-y5n2Sm0438.png

有时候,搞不懂有些厂商就喜欢不一样,非要随意指派,这就为下游厂商的仿真带来不必要的麻烦。

实际工作中,互连不是对称的,S11和S22就不相等。但对于所有线性无源元件而言,总有S21=S12,所以在4个元素的S参数矩阵中,实际只有3个独立项。

S11 称为反射系数,幅度的绝对值称为返回损耗(单位为dB),S21 称为传输系数,幅度的绝对值称为插入损耗(单位为dB)。

反射系数与返回损耗,传输系数与插入损耗,这个对应关系是相反的。

能量守恒定律对于S参数,也是遵守的,所以返回损耗和插入损耗有着千丝万缕的联系。

如果不考虑电磁辐射,耦合等损耗,那么互连的能量就等于反射能量与传输能量之和,公式表示为:

poYBAGL6-maAC2ztAAAL4nnbKyM030.png

对于给定的返回损耗,插入损耗为:

poYBAGL6-nWAYdbaAAANcIQ-TEw548.png

举例,某处的互连阻抗为50Ω,有一处阻抗突变为60Ω或者70Ω,这种情况下的返回损耗为:

pYYBAGL6-oSAF45-AABC-KcyvT8698.png

根据dB = 10log (P1/P2)= 20 log (V1 / V2)(P代表功率,V代表电压)推出。

dB表示时,返回损耗越小,负dB值越大。列两个算式,是让大家有个直观印象。

插入损耗:

poYBAGL6-pKAUVLOAAAw60D1Wmg868.png

经验值:返回损耗不高于-20 dB ,则相应的插入损耗将会非常小,几乎等于0 dB。

这里面详细列举,也是想着大家算一算,之前的笔者对这个是有点一知半解。

讲到能量守恒,想到之前与网友有过交流,为什么现有很多资料把插入损耗看成总损耗?

如果说插入损耗是对由导体损耗和介质损耗所引起衰减的度量,也就是互连中热能的损耗,这个没问题。但不可以理解为总和,除了互连中热能量的损耗,还有辐射能量,耦合能量等。

现有的技术文档或者产品,为什么把插入损耗当做一个重要参考指标,甚至让人有总和的感觉,是因为其他损耗影响较小,也不好测量得出,被忽略不计。

3、耦合谐振

不同于LC振荡串并联电路电磁波辐射频率,即谐振频率:

pYYBAGL6-qWAP5M-AAALfk3YSDc446.png

耦合谐振除了传输线之间还有平面之间。平面之间的谐振是由于返回电流在返回平面之间的切换,会耦合到腔内,形成谐振耦合。

对于100 cm线长的传输线,介电常数取值为4,谐振最低频率为半波长。

pYYBAGL6-rOATBBxAAAeyg-2tEk113.png

平面耦合谐振的解决就是无外乎不要在不同返回平面之间切换信号,或者在每个信号过孔处增加返回地孔,以抑制谐振。

平面耦合谐振,关于这种现象,之前也做过相关的仿真

写到这,笔者有两个疑惑:

1.之前的消费类产品,有些高速信号选择包地,方式如下:

poYBAGL6-s2ABMkXAABLz2uxbc4786.png

这个地孔之间的长度是有要求的?印象中是1/4波长。后来有去面试,面试官也提到过地孔打法的问题。

关于半波长或1/4波长的选择,不知道有哪位朋友能给讲讲。私聊。

2.考虑没有转换参考层的情况下,返回地孔的问题。

4、单端&混模S参数

前面我们所说的都是针对两个独立且相互耦合的传输线,两条互连之间串扰,近端串扰是S31和S42,远端串扰是S41和S32。近端和远端噪声会随着线间距、耦合长度及是带状线还是微带线的拓扑而不同。

当用一个差分对对两条相同的互连加以描述,当S参数用于描述互连的差分特性时,有很多种叫法,最常用为混模S参数。

单端转混模的公式:

pYYBAGL6-tuAYkkRAAAtM6zTRu4233.png

采用混模S参数,存在的信号类型只包括差分信号和共模信号。实际工作中,使用字母D和C分别差分信号和共模信号。SDD用来表示差分信号输入、差分信号输出。SCC用来表示共模信号输入、共模信号输出。顺序也是相反的。

pYYBAGL6-vOABvgoAACQbkNToIc498.png

关于混模S参数一些下标,想通上图就可以了。

阻抗的问题。假设单端阻抗是50Ω,差分信号是双端口驱动,以串联形式,差分信号阻抗是100Ω。共模信号驱动双端口,端口阻抗是并联方式,共模信号阻抗是25Ω。这个阻抗和之前的差分对基础知识一致。

差分通道性能的一个指标就是差分插入损耗。实际工作中,很多高速串行链路中,都会传输差分信号。S参数元素中,相位包含了差分信号的延时和散射信息,幅度包含了由于损耗和其他因素所引起的衰减信息。高速串行链路中,链路的任何不对称,都会引起模态转化,比如过孔,连接器,走线转换层等,都会使差分信号转成共模信号,造成电磁干扰。

消费类产品都会进行电磁辐射测试,所以一般会对其链路进行管控,增加CMC或者屏蔽双绞线等方式保证FCC认证。还有一个UL认证,负责安规方面的。

至于S参数其他的深入知识,后面再说。



审核编辑:刘清

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