S参数精讲.docx

1、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

2、，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VNA port也是50奥姆终端。所以，reference impedance of port的定义不同时，S参数值也不同，即S参数是基于一指定的port Zo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port 1量反射损失(return loss)，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(re

3、flection)越小，也称为输入反射系数(Input Reflection Coefficient)。S21表示讯号从port 1传递到port 2过程的馈入损失(insertion loss)，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(Forward Transmission Coefficient)。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Eric Bogatin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

4、意指Near End Cross-talk (NEXT)，S41意指Far End Cross-talk (FEXT).4、看不同模式的讯号成份：SDD、SCC、SCD、SDC以上谈的都是single ended transmission line (one or two line)，接着要谈differential pair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

5、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15M2GHz的史密斯图，S11会呈现螺旋状往圆心收敛，而这螺旋就是dielectric losses absorb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reference plane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Trace 1的S11、S21：S11从15GHz都维持在-35dB以下，表示反射成份很小；S21从1

6、5GHz都很接近0dB，表示大部分的讯号成份都完整的从port 1传到port 2。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microstrip on FR4，有效介電限數大約3.03.1，可以透過Design/Nexxim得到.6.2观察Trace 2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port 1传到port 2的过程中损耗。7.问题与讨论7.1 埠端阻抗是如

7、何影响S11参数的?Ans：端口阻抗(referenced impedance, Zport)会影响Zin，进而影响S11For the transmission line with characteristic impedance Zo, the max. impedance referenced to Zport is Zin=Zo*2/Zport ，S11=(Zin-Zport)/(Zin+Zport)在HFSS内，上式S11中的Zport以实数考虑(non-conjugate matched load for S-parameter)，而在Designer或一般电路仿真软件中，上式S1

8、1中的Zport以复数 考虑(conjugate matched load for S-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 Circuit Options，un-check Use circuit S-parameter definition。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dynamic link HFSS)去看，其值是一样的。7.2 Touchsto

9、ne file (.snp)跟S-parameter是什么关系?Ans：Touchstone file (.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TDRNEXTFEXT是否在T=0之前有响应。7.5 史密斯图(Smith Chart)与Causality、Passivity是否有关联性?Ans：有的7.5.1 满足Causality与Passivity传输线

10、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Smith Chart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loss tangent从0.02改0.06，发现Smith Chart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a bit violate Passivity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

11、低mesh performance(放大error percentage=0.1%)，低频DC0.1GHz刻意不求解，并且使用lossless介质。7.5.3 non-causality and non-passivity的史密斯图，相对于n*n matrix中不同矩阵区块内的violate程度，曲线可能会折弯 (低频violate passivity严重，在Smith Chart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-causal S参数的Smith Chart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-embedd

12、ed功能产生逆时针旋转的Smith Chart。8、Reference1 Chapter1 - 宜兰大学, 邱建文教授2 In-Situ De-embedding (ISD) p.68 from AtaiTec Corp. (推荐) 3 Power Integrity for I/O Interfaces: With Signal Integrity/ Power IntegrityIn a passive high-speed channel, the speedy way to check for causality is to examine the S-parameter Smith

13、Chart. If the data rotate clockwise, it has positive group delay; implying it to be causal. On the other hand, if the data rotates counterclockwise, this implies it is noncausal.4 一篇利用Smith Chart补偿Passivity与Causality的专利技术Smith Chart can be used to monitor the passivity and causality of networks unde

14、r study. For instance, Fosters reaction theorem dictates a general motion in the clockwise direction with frequency for the parameters of an arbitrary network.5 touchstone spec. 2.06 TS1.0 and TS2.0 (推荐)7 Converting S-Parameters from 50 to 75 Impedance8 Scattering Parameters：Concept, Theory, and Applications9 RF Matching Design10 Why have non-causality (推荐)