S参数精讲.docx

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S参数精讲

S参数测量是射频设计过程中的基本手段之一。

S参数将元件描述成一个黑盒子，并被用来模拟电子元件在不同频率下的行为。

在有源和无源电路设计和分析中经常会用到S参数。

S参数是RF工程师/SI工程师必须掌握的内容，业界已有多位大师写过关于S参数的文章，即便如此，在相关领域打滚多年的人，可能还是会被一些问题困扰着。

你懂S参数吗?

请继续往下看...台湾同行图文独特讲解！

1、简介：

从时域与频域评估传输线特性

良好的传输线，讯号从一个点传送到另一点的失真（扭曲），必须在一个可接受的程度内。

而如何去衡量传输线互连对讯号的影响，可分别从时域与频域的角度观察。

S参数即是频域特性的观察，其中"S"意指"Scatter"，与Y或Z参数，同属双端口网络系统的参数表示。

S参数是在传输线两端有终端的条件下定义出来的，一般这Zo=50奥姆，因为VNAport也是50奥姆终端。

所以，referenceimpedanceofport的定义不同时，S参数值也不同，即S参数是基于一指定的portZo条件下所得到的。

2.看一条线的特性：

S11、S21

看一条线的特性：

S11、S21

如下图所示，假设port1是讯号输入端，port2是讯号输出端

S11表示在port1量反射损失（returnloss），主要是观测发送端看到多大的的讯号反射成份；值越接近0越好（越低越好，一般-25~-40dB），表示传递过程反射（reflection）越小，也称为输入反射系数（InputReflectionCoefficient）。

S21表示讯号从port1传递到port2过程的馈入损失（insertionloss），主要是观测接收端的讯号剩多少；值越接近1越好（0dB），表示传递过程损失（loss）越小，也称为顺向穿透系数（ForwardTransmissionCoefficient）。

3、看两条线的相互关系：

S31、S41

虽然没有硬性规定1、2、3、4分别要标示在线哪一端，但[EricBogatin大师]建议奇数端放左边，且一般表示两条线以上cross-talk交互影响时，才会用到S31。

以上图为例，S31意指NearEndCross-talk（NEXT），S41意指FarEndCross-talk（FEXT）.

4、看不同模式的讯号成份：

SDD、SCC、SCD、SDC

以上谈的都是singleendedtransmissionline（oneortwoline），接着要谈differentialpair结构。

5、以史密斯图观察S参数

因为S11、S22是反映传输线的reflection，不难理解S11其实也可以直接以反射系数表示。

既然是反射系数，那就可以用史密斯图来观察了，史密斯图可以想做是把直角坐标的Y轴上下尽头拉到X轴最右边所形成

水平轴表示实数R，水平轴以上平面表示电感性，水平轴以下平面表示电容性

以一条四英寸长，50欧姆的传输线为例，从15M~2GHz的史密斯图，S11会呈现螺旋状往圆心收敛，而这螺旋就是dielectriclossesabsorb造成，越高频loss越大。

6、仿真范例

取一条100mm长，线宽7mils、铜厚0.7mils、堆栈高4mils，特性阻抗50奥姆的microstrip，以下方referenceplane是否有被slot切开做比对。

Trace1的地回路是完整的，而Trace2的地有一个横切的slot造成地回路不连续。

6.1

观察Trace1的S11、S21：

S11从1~5GHz都维持在-35dB以下，表示反射成份很小；S21从1~5GHz都很接近0dB，表示大部分的讯号成份都完整的从port1传到port2。

一条良好的传输线，S11、S21会拉蛮开的，随着频率增加彼此才会慢慢靠近一些。

另外，从S11可以很清楚看到由线长所决定的共振频点.

一般50歐姆特性阻抗的microstriponFR4，有效介電限數大約3.0~3.1，可以透過Design/Nexxim得到.

6.2

观察Trace2的S11、S21：

S11在1GHz以上时，就超过-20dB了，表示反射成份很大；S21与Trace1比较起来，随频率降低的速度也大一倍，表示有较多讯号成份在port1传到port2的过程中损耗。

7.问题与讨论

7.1埠端阻抗是如何影响S11参数的?

Ans：

端口阻抗（referencedimpedance,Zport）会影响Zin，进而影响S11

ForthetransmissionlinewithcharacteristicimpedanceZo,themax.impedancereferencedtoZportisZin=Zo*2/Zport，S11=（Zin-Zport）/（Zin+Zport）

在HFSS内，上式S11中的Zport以实数考虑（non-conjugatematchedloadforS-parameter），而在Designer或一般电路仿真软件中，上式S11中的Zport以复数考虑（conjugatematchedloadforS-parameter）。

在一些天线或waveguide的应用中，如果埠端阻抗含虚部，而又希望可以在Designer内看到跟HFSS的S参数同样结果，可从以下设定[Tools]\[Options]\[CircuitOptions]，un-check[UsecircuitS-parameterdefinition]。

请注意：

这只是S参数埠端定义的不同，结果都是对的，所以不管哪一种定义下，如果转到Y或Z参数（或是从Designer透过dynamiclinkHFSS）去看，其值是一样的。

7.2Touchstonefile（.snp）跟S-parameter是什么关系?

Ans：

Touchstonefile（.snp）是基于每个频点的S参数，所定义的一种频域模型，其格式如下所示：

7.3为何端口阻抗会影响S参数，但不影响Z参数（Z11）?

Ans：

Z11=Vi/Iin与埠端阻抗无关。

7.4除了靠软件，还有其他方法检查Passivity、Causality吗?

Ans：

如图所示，透过观察TDR\NEXT\FEXT是否在T=0之前有响应。

7.5史密斯图（SmithChart）与Causality、Passivity是否有关联性?

Ans：

有的

7.5.1满足Causality与Passivity传输线的史密斯图，会呈现以顺时针方向往中心螺旋收敛的曲线。

将线长从10mm拉长一倍到20mm，发现越长的线，其SmithChart中随频率增加而顺时针向中心旋转收敛的步幅也会增加。

把介质losstangent从0.02改0.06，发现SmithChart中随频率增加而顺时针向中心旋转的收敛会加快。

顺时针向中心旋转与lossy有关。

7.5.2满足Causality但abitviolatePassivity传输线的史密斯图，会出现部份频段贴合，没有往中心旋转收敛。

近几年的HFSS性能一直提升，想要用简单的例子搞出non-passivity还不太容易。

本例是四条传输线（.s8p），故意降低meshperformance（放大errorpercentage=0.1%），低频DC~0.1GHz刻意不求解，并且使用lossless介质。

7.5.3non-causalityandnon-passivity的史密斯图，相对于n*nmatrix中不同矩阵区块内的violate程度，曲线可能会折弯（低频violatepassivity严重，在SmithChart也看到低频曲线有不规则的折弯），或是不往中心收敛

笔者还看不到HFSS产生的non-causalS参数的SmithChart会逆时针旋转，或其时域响应提前发生的现象。

但可以用Designer内的de-embedded功能产生逆时针旋转的SmithChart。

8、Reference

[1]Chapter1--宜兰大学,邱建文教授

[2]In-SituDe-embedding（ISD）p.6~8fromAtaiTecCorp.（推荐）

[3]PowerIntegrityforI/OInterfaces:

WithSignalIntegrity/PowerIntegrity

Inapassivehigh-speedchannel,thespeedywaytocheckforcausalityistoexaminetheS-parameterSmithChart.Ifthedatarotateclockwise,ithaspositivegroupdelay;implyingittobecausal.Ontheotherhand,ifthedatarotatescounterclockwise,thisimpliesitisnoncausal.

[4]一篇利用SmithChart补偿Passivity与Causality的专利技术

SmithChartcanbeusedtomonitorthepassivityandcausalityofnetworksunderstudy.Forinstance,Foster'sreactiontheoremdictatesageneralmotionintheclockwisedirectionwithfrequencyfortheparametersofanarbitrarynetwork.

[5]touchstonespec.2.0

[6]TS1.0andTS2.0（推荐）

[7]ConvertingS-Parametersfrom50Ωto75ΩImpedance

[8]ScatteringParameters：

Concept,Theory,andApplications

[9]RFMatchingDesign

[10]Whyhavenon-causality（推荐）