S參數是表征高速互聯行為特性的標準參數,參數具有完整的數學定義,這沒有歧義。但是,當要將S參數的數學定義轉換為互連電氣特性的實際解釋時,會出現一些容易疑惑的地方。
在本文中,我們了總結S參數容易出現疑惑的六個地方,并給出了詳細解釋。
疑惑1
S參數的適用對象
S參數是“散射"參數的縮寫,是對進入被測器件(DUT)的散射電壓波與入射電壓波之比的度量。S參數源自頻域中的網絡分析方法,在頻域中電壓波指的是正弦波。
輸出與輸入之比是一個傳遞函數,它描述了系統對輸入正弦波的響應。
正弦波只有三個參數:
頻率
幅度
相位
當我們測量高速互連對正弦波的響應時,我們假設互連滿足三個重要特征:
無源的-沒有增益,只有損耗
線性的-互聯不改變輸入正弦波的頻率
時間不變的-靜態的,在測量過程中幾何形狀和其他特征未發生變化
這意味著當我們發送1 GHz的正弦波給DUT時,我們得到的也只是正弦波,唯一改變的是幅度和相位,在頻域中對正弦波的描述是一個復數,具有實部和虛部或幅值和相位。它們的復雜性質和用來描述它們的復雜數學公式有時也會引起混亂。
疑惑 2
S參數的適用對象
以兩個相同頻率的正弦波相比得到一個復數,幅度是輸出波與輸入波的幅度之比,相位是輸出波與輸入波之間的相位差。 我們可以使用以下三種方式中的任何一種,在整個頻率范圍內繪制復數的值:實數和虛數、極坐標以及幅度和相位。這三種方式的示例如圖1所示,三者的本質內容是完全相同的,只是顯示方式不同,這有時這也會引起混亂。
疑惑3
端口阻抗的理解
端口是到DUT的連接,我們在其中測量正弦波信號,考慮端口的方法是將它理解為具有特定特性阻抗的同軸電纜連接器,并且既連接到的信號又連接到返回路徑,如圖2所示。
如果不設計與返回路徑的連接,則信號將自己找到一條路徑,你可能不喜歡它找到的路徑。
疑惑 4
端口阻抗的設定和影響
端口是測量或仿真的系統的一部分,入射信號和可能的反射信號將同時在同一端口中傳播,并且不會相互影響。提取S參數的系統將分離出入射和反射的信號。
端口阻抗與DUT一樣重要,都會影響S參數,除非有很強的合理理由,否則請始終使用50歐姆。如果使用其他的端口阻抗,它將會在Touchstone文件中標識,但是S參數的形狀和樣式將有所不同。
疑惑5
S參數的端口標識
S參數是“散射"參數的縮寫,是對進入被測器件(DUT)的散射電壓波與入射電壓波之比的度量。S參數源自頻域中的網絡分析方法,在頻域中電壓波指的是正弦波
當有多個連接到DUT的端口時,我們會使用從開始的唯一連續索引號來標識它們。原則上,只要標識的方式保持一致,連接到DUT的端口的索引號就不重要,但在實踐中,我發現這一問題是錯誤解釋的根源
端口索引號很重要,因為這是我們標記每個S參數元素的方式。例如,在DUT上有四個端口,進出端口共有16種組合。
我們使用分配給端口的索引號作為唯一標識每個S參數元素的方式。由于每個 S參數元素。
按照一般的理解,將進入端口1并從端口 S參數稱為S12,不是合理的嗎?
但是由于S參數背后的矩陣數學運算,這不是標記S參數元素的正確方式。輸出端口是第一個索引,輸入端口是第二個索引。此此S參數應該被標識為S21。
疑惑 6
如何識別S參數的端口分配
如果DUT有一個或兩個端口,則只有一種分配端口的方法。但是,如果有四個端口,則會有多個可能的分配方案,圖3顯示了4端口DUT兩種可能的端口分配方式。
所使用的端口分配不同,對S參數的解釋就會不同, 如果使用方法A,則插入損耗為S21。如果使用方法B,則插入損耗為S31。如果S參數模型用于電路仿真中,而不查看文件,則會得到錯誤的仿真結果,如果注意到仿真看起來不對勁,可能會浪費大量的時間來試圖使結果合理化。
判斷S參數模型使用的端口分配的方法是查看S參數,圖4顯示了性能很差的互連的示例,此互連具有不同的端口分配。如果S21看起來像插入損耗,從低頻0 dB開始單調下降,則端口分配為方法(右)。如果是S31是這樣的狀況,則為方法B(左),無論哪種方式,插入損耗都很容易識別。
原文標題:【行業知識】S參數理解中常見的六個疑惑
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