S參數(shù)應(yīng)用技巧-正確分配端口號(hào)

元器件通過(guò)互連線組建成電路，常見(jiàn)的互連線包括電纜、PCB走線、接插件、芯片封裝等等。當(dāng)信號(hào)頻率比較低時(shí)，這些互連線對(duì)信號(hào)是透明的。當(dāng)互連線的物理尺寸大于1 / 4信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，它對(duì)信號(hào)的反射和相位時(shí)延已不能忽略，需要將其視為傳輸線(Transmission Line)。S參數(shù)是描述傳輸線電氣特性的理想模型，已成為射頻領(lǐng)域、信號(hào)完整性領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。S參數(shù)可以由仿真軟件產(chǎn)生，也可以由儀器對(duì)實(shí)物測(cè)量得到，比如力科公司的信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ。無(wú)論何種途徑得到的S參數(shù)文件，都是Touchstone格式的數(shù)據(jù)矩陣。

用S參數(shù)描述互連線，首先需要定義互連線的端口號(hào)。例如一條電纜被視為兩端口，電纜兩端分別標(biāo)注為端口1和端口2，那么描述它的S參數(shù)包含4組數(shù)據(jù)：

S11：端口1的回波損耗

S21：從端口1到端口2的插入損耗

S12：從端口2到端口1的插入損耗

S22：端口2的回波損耗

無(wú)源的互連線兩端是對(duì)稱的，所以S11=S22,S12=S21.

圖1 插入損耗S21和回波損耗S11

從圖1可以看出這樣一個(gè)明顯的特點(diǎn)：插入損耗S21在低頻段接近于0dB，回波損耗S11在低頻段是比較大的負(fù)值(分貝表示)。這符合互連線的物理特點(diǎn)：低頻信號(hào)的大部分能量都能通過(guò)互連線，被反射的能量很小。這個(gè)特點(diǎn)能夠幫助我們從S參數(shù)數(shù)據(jù)中快速辨認(rèn)出插入損耗。

Touchstone標(biāo)準(zhǔn)定義了S參數(shù)的數(shù)據(jù)格式，但卻沒(méi)有定義如何對(duì)端口編號(hào)。對(duì)于兩端口無(wú)所謂，對(duì)于多端口，則有多種編號(hào)方式。例如用四端口S參數(shù)來(lái)描述一對(duì)PCB差分走線，有下面兩種編號(hào)方式：

在方式1下，S21是插入損耗，S31是近端串?dāng)_。在方式2下則反過(guò)來(lái)了，S21是近端串?dāng)_，S31是插入損耗。無(wú)論按哪種編號(hào)方式產(chǎn)生的S參數(shù)文件都是可用的，但卻容易對(duì)使用者造成困惑。工程師可能使用來(lái)源不同的S參數(shù)文件來(lái)做電路仿真。這些S參數(shù)的編號(hào)方式如果不統(tǒng)一，端口很可能被錯(cuò)誤連接。仿真結(jié)果自然完全錯(cuò)誤。雖然可以按前文所述特點(diǎn)來(lái)辨認(rèn)插入損耗，但很麻煩。

另一種可能的情況是，工程師更愿意以差分的視角來(lái)描述一對(duì)走線，因此利用軟件將4端口單端S參數(shù)轉(zhuǎn)換為2端口混合模式S參數(shù)也是常事。混合模式S參數(shù)含有兩組主要的數(shù)據(jù)：

SDD11 (SD1D1)：1端口的差分回波損耗

SDD21 (SD2D1)：1端口到2端口的差分插入損耗

如果是按方式2編號(hào)的單端S參數(shù)，很多軟件轉(zhuǎn)換得到的混合模式S參數(shù)，其SDD11為差分插入損耗，SDD21為差分回波損耗。這和傳統(tǒng)習(xí)慣不符，更容易引起混亂。

因此，我們建議，無(wú)論是用仿真軟件生成，還是用信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ測(cè)量S參數(shù)，統(tǒng)一將左側(cè)端口用奇數(shù)編號(hào)，右側(cè)用偶數(shù)編號(hào)，如下圖：

圖3 正確的編號(hào)規(guī)則

這種編號(hào)方式也便于擴(kuò)展。例如上圖是三對(duì)差分線，如果要補(bǔ)上第四對(duì)差分線，只需要增加編號(hào)13 到16，不影響以前的端口編號(hào)。

用力科信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ 測(cè)量一對(duì)差分線的混合S 參數(shù)，按我們建議的端口分配方法，設(shè)置界面 如圖 4:

圖4 在SPARQ 軟件中分配混合模式S 參數(shù)端口

由此測(cè)量得到的混合模式S 參數(shù)矩陣按圖5 所示?？煞譃樗膫€(gè)象限，左上和右下象限分別描述了互連線對(duì)差分信號(hào)和共模信號(hào)的行為，右上和左下象限描述了互連線對(duì)差分和共模信號(hào)的模式轉(zhuǎn)換行為。統(tǒng)一按此規(guī)則排列，方便工程師快速解讀混合模式S參數(shù)。

圖5 混合模式S 參數(shù)矩陣的四個(gè)象限

如果你獲取到的S 參數(shù)文件已經(jīng)是容易引起困惑的編號(hào)方式，可以從力科公司網(wǎng)站上免費(fèi)下載SPARQ軟件，將S 參數(shù)的端口重新分配，也能在單端和混合模式之間轉(zhuǎn)換。如下圖：

圖6 利用SPARQ軟件轉(zhuǎn)換S參數(shù)文件的端口號(hào)和模式

正確地為S參數(shù)端口編號(hào)能提高工作效率，用力科信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ能快速準(zhǔn)確地測(cè)量S參數(shù)、處理S參數(shù)文件。為提升產(chǎn)品的信號(hào)完整性提供最大幫助。