一篇文章了解S參數(shù)的相關(guān)應(yīng)用背景

在EDA仿真結(jié)果中，S參數(shù)是一個(gè)經(jīng)常被提及的結(jié)果，關(guān)于S參數(shù)詳細(xì)內(nèi)容，其實(shí)不管是網(wǎng)上還是教科書都有較規(guī)范的介紹，但是大多數(shù)并不適用沒有EDA背景的讀者。

本文就S參數(shù)的相關(guān)應(yīng)用背景，具體內(nèi)容做一下介紹，主要針對(duì)沒有任何EDA行業(yè)背景的朋友，EDA工程師可忽略。

S意為Scatter/Scattering，字面意思為散射。S參數(shù)也就是散射參數(shù)。

1.S參數(shù)計(jì)算方法

2. 差分線****和多端口

3.S參數(shù)文件

1.S參數(shù)計(jì)算方法：

一般書上用電壓，電流來描述信號(hào)，為了方便理解，這里用能量來描述。

如下圖微帶線，假設(shè)有100單位能量進(jìn)入端口1，然后從端口2出來。在傳輸過程中種種原因，能量并不能全部到達(dá)端口2，部分會(huì)反射。

情形1：假設(shè)有5單位能量反射。

則S參數(shù)計(jì)算如下：

S11 = 5/100=0.05

S12 = 95/100 = 0.95

S11表示反射比例，學(xué)名回波損耗(Return Loss)，簡(jiǎn)寫RL

S12表示傳送到比例，學(xué)名插入損耗(Insertion Loss)，簡(jiǎn)寫IL

對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò) ： S11=S22

S22 = 5/100 = 0.05

S21 = 95/100 = 0.95

情形2：如果反射值為0.01，則

S11=0.01/100=0.0001

S12-99.99/100=0.9999

因?yàn)檫@種計(jì)算數(shù)據(jù)跨度較大，通常習(xí)慣取20*log10(S11)，其中l(wèi)og10表示取以10為底的對(duì)數(shù)，也就是log10(10)=1，單位dB

上述情形1：

S11=20*log10(0.05)=-26.021dB

S12=20*log10(0.95)=-0.4455dB

上述情形2：

S11=20*log10(0.0001)=-80dB

S12=20*log10(0.9999)=-8.68e-3dB

幾組dB值對(duì)應(yīng)百分比

至此計(jì)算出的是一個(gè)頻點(diǎn)的S參數(shù)值。我們通常要考慮頻率范圍內(nèi)的S參數(shù)，比如從1GHz-10GHz。方法是采樣取一定頻率值，然后計(jì)算出每個(gè)頻率的S參數(shù)，再進(jìn)行插值；采樣越多，精度越高，但計(jì)算量越大。

比如針對(duì)情形1，我們從1G到10G取10個(gè)頻率，分別計(jì)算S參數(shù)

如下表

基于上表我們就可以畫出S11參數(shù)圖了，如下：

通常S參數(shù)是有連續(xù)性的曲線，在折線的基礎(chǔ)上要再進(jìn)行插值，插值擬合后的S11參數(shù)圖類似如下圖：

類似的，S12也可以畫出。

采樣計(jì)算S參數(shù)的操作也叫掃頻操作

(Frequency Sweep)。

采樣除了平均采樣外，根據(jù)求解頻率特點(diǎn)還有基于AWE

(Asymptotic Waveform Evaluation)和

ALPS(Adaptive Lanczos-Pade Sweep)

的快速掃頻以及基于二分法的插值掃頻。

2 . 差分線****和多端口

通常兩根傳輸線如果間隔太近，互相會(huì)造成干擾，用兩條平行的，等長(zhǎng)的走線傳輸相位差180°的同一信號(hào)。即一根線傳輸正信號(hào)，一根線傳輸負(fù)信號(hào)。正信號(hào)減去負(fù)信號(hào)，得到2倍強(qiáng)度的有用信號(hào)。而兩根線路上的干擾信號(hào)是一樣的，相減之后干擾信號(hào)就沒了。這是差分線。

一個(gè)差分對(duì)包括兩條信號(hào)線四個(gè)端口，S參數(shù)包括：

S11 S12 S13 S14

S21 S22 S23 S24

S31 S32 S33 S34

S41 S42 S43 S44

可以看出4端口可以構(gòu)成一個(gè)4*4的矩陣數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步推廣可以得知：N端口的數(shù)據(jù)可以構(gòu)成一個(gè)N*N的矩陣數(shù)據(jù)。

差分線的S參數(shù)涉及到近端串?dāng)_，遠(yuǎn)端串?dāng)_，差模，共模等處理，在信號(hào)完整性中是個(gè)單獨(dú)的話題，作為S參數(shù)基礎(chǔ)入門這里就不展開。

3.S參數(shù)文件

TouchStone文件是一種被用于各種仿真軟件的標(biāo)準(zhǔn)格式的文件，仿真軟件中調(diào)用此文件來代表一個(gè)器件或電路。TouchStone文件名都是以.snp為后綴名，n表示端口數(shù)， .s2p即表示一個(gè)2端口網(wǎng)絡(luò)， .s4p表示4端口網(wǎng)絡(luò)。

*.snp文件是一個(gè)純文本文件，可直接用記事本打開。

如下s2p文件為例

第一行中的

1.HZ表示頻率的單位，可以是如下值：

HZ，MHZ，KHZ，GHZ

2.S表示參數(shù)類型，可以是如下值：

S--散射參數(shù)

Y--導(dǎo)納參數(shù)

Z--阻抗參數(shù)

H/G--混合參數(shù)

以上參數(shù)可以相互轉(zhuǎn)換

3.RI，可以是如下數(shù)值

DB--角度

MA--幅度-角度

RI--實(shí)部-虛部

4.R 端口阻抗

R50表示匹配的參考電阻是50歐姆。

上例中，2端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)總共有 1 + 222 = 9列，

按頻率，幅值S11，相位S11，幅值S21，相位S21，幅值S12，相位S12，幅值S22，相位S22排列。

4端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)總共有 1 + 442 = 33 列

以上對(duì)S參數(shù)做了簡(jiǎn)要介紹，實(shí)際工程中可以通過S參數(shù)，結(jié)合眼圖，Smith圓圖等工具，得到更多的電路特性，指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

文中所有標(biāo)紅的字是跟S參數(shù)以及信號(hào)完整性相關(guān)的內(nèi)容，有興趣的朋友可以自行查閱。