述評(píng)SPARQ系列網(wǎng)絡(luò)分析儀之四：關(guān)于S參數(shù)(下)

三, 直接用于仿真的S參數(shù)的特性

不是任何S參數(shù)文件都可以直接用于仿真軟件。 SPARQ區(qū)別于VNA的一點(diǎn)是,SPARQ測(cè)量出來的S參數(shù)可以直接用于仿真軟件。 我們知道，可直接用于仿真軟件的S參數(shù)需要具備以下特點(diǎn)：1，遵循三大S參數(shù)特性原則:無源性（Passivity），互易性（Passivity），因果性（Causality）。VNA產(chǎn)生的S參數(shù)由于不遵循這三個(gè)特性的原則,需要另外的軟件來做這三個(gè)原則的檢查驗(yàn)證之后才能用于仿真。 2，有DC點(diǎn)。 VNA產(chǎn)生的S參數(shù)不帶有DC點(diǎn),需要另外的方法測(cè)量出DC時(shí)的S參數(shù)值。 3，對(duì)于差分信號(hào)系統(tǒng),需要混合模式S參數(shù)。VNA不能直接產(chǎn)生混合模式S參數(shù)。 4，S參數(shù)以touchstone文件格式保存。作為世界上第一臺(tái)信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ產(chǎn)生的S參數(shù)具備以上這些特點(diǎn)，可以“拿來就用”，直接用于仿真。

· 無源性（Passivity）

對(duì)于一個(gè)無損網(wǎng)絡(luò)，S矩陣是一個(gè)單位矩陣，因此，對(duì)于二端口網(wǎng)絡(luò)存在下面的關(guān)系式：

由于沒有損耗，所有散射的總量應(yīng)是100%。當(dāng)S21（S11）大的時(shí)候，S11（S21）就會(huì)小一些，這從前面的S參數(shù)曲線可以看出來。
對(duì)于無源的二端口網(wǎng)絡(luò)，因此，一個(gè)無源器件的S參數(shù)不會(huì)大于1（0dB）。VNA測(cè)量的S參數(shù)結(jié)果如果沒有經(jīng)過軟件進(jìn)行無源性驗(yàn)證，其S參數(shù)值會(huì)出現(xiàn)出現(xiàn)大于0dB的情形，不能直接用于仿真軟件。
表示為功率散射比，這個(gè)值越小,說明損耗越大。

· 互易性（Passivity）

如果一個(gè)器件是可交換方向使用，而不是單相的如隔離器、環(huán)行器，S矩針是對(duì)稱的，因此，Sij=Sji。

· 因果性（Causality）

所謂因果性就是先有激勵(lì)才有輸出。對(duì)于無源系統(tǒng)S參數(shù)，由于信號(hào)的傳輸一定會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)，因此無源系統(tǒng)的S參數(shù)應(yīng)該是符合因果性原理的，但實(shí)際測(cè)得的S參數(shù)往往會(huì)由于種種原因產(chǎn)生一定的非因果性。很多信號(hào)完整性仿真軟件需要符合因果性特征的S參數(shù)，否則仿真時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象，導(dǎo)致不正確的仿真結(jié)果。

四，混合模式的S參數(shù)

差分傳輸系統(tǒng)早已成為高速信號(hào)系統(tǒng)傳輸?shù)闹髁?。如果差分傳輸線的距離很近，差分線之間能很好的耦合，差分信號(hào)是完全對(duì)稱, 任何引入的噪聲對(duì)兩條差分傳輸線的的影響是相同的,那么在芯片的接收端,由于減法運(yùn)算，引入的共模噪聲就被消除了。然而，實(shí)際的差分系統(tǒng)并不是完美的,構(gòu) 成差分信號(hào)的兩個(gè)單端信號(hào)本身的不平衡，兩個(gè)通道的長(zhǎng)度不相等,耦合不緊密等都會(huì)導(dǎo)致能量由差模向共模轉(zhuǎn)換。由于實(shí)際的差分信號(hào)總是由差模信號(hào)和共模信號(hào) 組成（）,單端的四端口S參數(shù)矩陣并不能提供關(guān)于差模和共模匹配和傳輸?shù)挠卸床炝Φ男畔ⅰＲ虼耍?995年提出的混合模式S參數(shù)成為評(píng)價(jià)差分傳輸系統(tǒng)的重要工具。
我常說,各種各樣的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述的都是關(guān)于“兩根線”的故事。如果不是用來傳輸差分信號(hào)，這“兩根線”組成的是一個(gè)單端四端口的網(wǎng)絡(luò)，單端四端口S參數(shù)矩陣描述了每個(gè)端口受到激勵(lì)分別有什么樣的響應(yīng)。如果是用來傳輸差分信號(hào)，這個(gè)單端四端口網(wǎng)絡(luò)就可以理解為了一個(gè)差分二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖十所示，混合模式S參數(shù)從物理意義上理解正是描述了成對(duì)的兩根線對(duì)兩個(gè)信號(hào)之和（共模）和兩個(gè)信號(hào)之差（差模）的分別有什么樣的響應(yīng)。

圖十 混合模式S參數(shù)測(cè)量

單端四端口S參數(shù)和混合模式S參數(shù)之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，如圖十一所示。因此通過測(cè)量單端四端口的S參數(shù)來推導(dǎo)出混合模式的S參數(shù)。

圖十一 單端四端口S參數(shù)和混合模式S參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

混合模式S參數(shù)矩陣四個(gè)象限中包含了四種類型的混合模式S參數(shù)。第一象限以Scc開頭的表示共模S參數(shù)，第四象限以Sdd開頭的表示差模S參數(shù)。 其它兩象限的Sdc表示差模向共模的轉(zhuǎn)換，Scd分別共模向差模的轉(zhuǎn)換。如果這兩根線有很好的對(duì)稱性,Sdc和Scd為零,表示差模和共模是完全獨(dú)立的。 Sdd21表示差分端口1到差分端口2的差模增益，其它符號(hào)的含義類推。

用混合模式S參數(shù)表示兩端口差分系統(tǒng)的輸出和輸入之間的關(guān)系式如下：bd1表示1端口的差分輸出，ad1表示1端口的差分輸入。

五，S參數(shù)的測(cè)量方法

S參數(shù)的測(cè)量方法有兩種，一種是基于掃頻測(cè)量的原理（VNA）,另外一種是基于快沿階躍響應(yīng)的原理（TDR，SPARQ）。

圖十二是VNA的原理框圖，主要包括以下部分: （1）激勵(lì)信號(hào)源：提供感興趣的頻率范圍內(nèi)的入射信號(hào)；（2）信號(hào)分離裝置：含功分器和定向耦合器，分離出入射，反射和傳輸信號(hào)；（3）接收機(jī)：對(duì)被測(cè)件的入射，反射和傳輸信號(hào)進(jìn)行測(cè)試；（4）處理顯示單元：對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

圖十二 VNA的原理框圖

VNA的測(cè)量過程中會(huì)產(chǎn)生六大系統(tǒng)誤差：（1）與信號(hào)泄露相關(guān)的方向誤差;(2)與信號(hào)泄露相關(guān)的串?dāng)_誤差; (3)與反射相關(guān)的源失配;（4）與反射相關(guān)的負(fù)載阻抗失配; (5)由測(cè)試接收機(jī)內(nèi)部的反射引起的頻率響應(yīng)誤差; (6)由測(cè)試接收機(jī)內(nèi)部的傳輸跟蹤引起的頻率響應(yīng)誤差。因此在使用前需要進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)。正確的校準(zhǔn)是使用VNA的一個(gè)難點(diǎn)。 VNA測(cè)量出來的S參數(shù)是否有錯(cuò)誤并不能通過VNA直接能檢查出來，只有導(dǎo)入仿真軟件仿真出結(jié)果發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)可能會(huì)懷疑是S參數(shù)測(cè)量有問題,再返回來檢查 VNA校準(zhǔn)，VNA測(cè)量時(shí)的操作有沒有錯(cuò)誤。但SPARQ由于有時(shí)域分析能力，可以立即查看當(dāng)前測(cè)量出的S參數(shù)的時(shí)域響應(yīng)是否合理。

理論上來說, 任何信號(hào)在時(shí)域和頻域上是一一對(duì)應(yīng)的，而且是可以相互轉(zhuǎn)換的。這為基于階躍響應(yīng)的時(shí)域TDR/TDT方法測(cè)量S參數(shù)提供了可能。圖十三表示采用TDR /TDT方法測(cè)量S21，S12的原理。ST-20是力科公司采樣示波器件WE100H上的TDR模塊,可以產(chǎn)生ps級(jí)的快沿并可作為20GHz帶寬的采 樣頭。假設(shè)Channe2為端口1，Channle3為端口2，Channel 1產(chǎn)生快沿信號(hào)作為入射波經(jīng)過PCB走線后由Channel3接收該信號(hào)。入射的快沿信號(hào)和采樣到的信號(hào)都可經(jīng)過FFT變換分解成從一定頻率范圍的信號(hào)， 經(jīng)過計(jì)算得到頻域的S參數(shù)。

圖十三 基于TDR/TDT方法測(cè)量S參數(shù)

其實(shí)在談到VNA和TDR兩種方法測(cè)量S參數(shù)的區(qū)別時(shí)，我們會(huì)自然聯(lián)系到示波器的前端頻率響應(yīng)曲線的測(cè)量方法。 我們可以通過傳統(tǒng)的掃頻描點(diǎn)的方法（調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)源的頻率，然后分別測(cè)量不同頻率時(shí)示波器測(cè)量到的峰峰值）來測(cè)量頻響曲線，但也可以通過快沿信號(hào)輸入到示波器,對(duì)采樣到的快沿信號(hào)做FFT的方法來快速簡(jiǎn)便地測(cè)量頻響曲線。 這兩種方法測(cè)量示波器頻響曲線的原理上的區(qū)別和測(cè)量S參數(shù)的兩種方法的區(qū)別是一個(gè)道理。

近些年來三個(gè)儀器廠商基于TDR 原理測(cè)量S參數(shù)的實(shí)踐證明了兩種測(cè)量方法的符合度非常高，如圖十四所示為兩種方法測(cè)量的S參數(shù)的結(jié)果對(duì)比。但基于TDR的方法存在有動(dòng)態(tài)范圍不太高的缺 點(diǎn)。SPARQ測(cè)量S參數(shù)源于TDR的原理，但通過專利算法在提高動(dòng)態(tài)范圍上獲得突破，而且在一鍵操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)方面的創(chuàng)新，具備時(shí)域分析能力和S參 數(shù)文件可以直接被SI仿真軟件調(diào)用等特點(diǎn)使得SPARQ成為信號(hào)完整性工程師測(cè)量S參數(shù)的首選儀器。

圖十四 VNA和TDR方法測(cè)量的S參數(shù)一致性很好