射頻微波行業(yè)，相關(guān)高速產(chǎn)品，很多硬件工程師，很多實(shí)際工作，哪一個(gè)不拿S參數(shù)說(shuō)事？基礎(chǔ)知識(shí)有很多健忘了，溫故知新。話不多說(shuō)，直接上思維導(dǎo)圖：

1、定義

S參數(shù)最新應(yīng)用于射頻和微波領(lǐng)域，起源于頻域的分析技術(shù)。S參數(shù)作為互連行為的通用基準(zhǔn)，相關(guān)的原理和公式也應(yīng)用于時(shí)域。這里的互連行為包含線性的和無(wú)源的。

S參數(shù)中的S，是單詞Scattering的簡(jiǎn)寫(xiě)，表示散射的意思。所以，S參數(shù)代表是一種行為模型，即互連如何與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的入射波之間的相互作用。

在頻率描述時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形是正弦波。時(shí)域描述時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形可以是階躍或者沖激波形。

入射波散射回源端的波稱為反射波，通過(guò)元器件散射出去的波形稱為傳輸波。

關(guān)于入射波，反射波，傳輸波，端口比值等，可以參考下圖：

時(shí)域反射計(jì)（TDR）測(cè)量時(shí)域的反射響應(yīng)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA） 測(cè)正弦波的反射響應(yīng)和傳輸響應(yīng)，這里的矢量是指正弦波的幅度和相位。

2、作用

S參數(shù)包含著大量的信息，這些信息描述了互連的一些特性，比如阻抗曲線、串?dāng)_大小和差分信號(hào)衰減。

使用仿真軟件，對(duì)互連的行為進(jìn)行搭建，擬合出基于電路拓?fù)涞幕ミB模型，如走線、連接器、過(guò)孔或整個(gè)背板模型。所有鏈路中的模型都可以用S參數(shù)來(lái)包含。

對(duì)于所有線性無(wú)源元件而言，散射波的頻率和入射波的頻率完全一樣。正弦波唯一可以改變的兩個(gè)屬性就是散射波的幅度和相位。

為了區(qū)別每個(gè)S參數(shù)所涉及的端口組合，看下標(biāo)值，第一個(gè)下標(biāo)值對(duì)應(yīng)輸出端口，而第二個(gè)下標(biāo)值對(duì)應(yīng)輸入端口。比如S21，代表從端口1進(jìn)入并從端口2輸出的正弦波的S參數(shù)，這和我們預(yù)想的相反，即S out in。

有時(shí)候，搞不懂有些廠商就喜歡不一樣，非要隨意指派，這就為下游廠商的仿真帶來(lái)不必要的麻煩。

實(shí)際工作中，互連不是對(duì)稱的，S11和S22就不相等。但對(duì)于所有線性無(wú)源元件而言，總有S21=S12，所以在4個(gè)元素的S參數(shù)矩陣中，實(shí)際只有3個(gè)獨(dú)立項(xiàng)。

S11 稱為反射系數(shù)，幅度的絕對(duì)值稱為返回?fù)p耗（單位為dB），S21 稱為傳輸系數(shù)，幅度的絕對(duì)值稱為插入損耗（單位為dB）。

反射系數(shù)與返回?fù)p耗，傳輸系數(shù)與插入損耗，這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系是相反的。

能量守恒定律對(duì)于S參數(shù)，也是遵守的，所以返回?fù)p耗和插入損耗有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

如果不考慮電磁輻射，耦合等損耗，那么互連的能量就等于反射能量與傳輸能量之和，公式表示為：

對(duì)于給定的返回?fù)p耗，插入損耗為：

舉例，某處的互連阻抗為50?，有一處阻抗突變?yōu)?0?或者70?，這種情況下的返回?fù)p耗為：

根據(jù)dB = 10log (P1/P2)= 20 log (V1 / V2)(P代表功率，V代表電壓)推出。

dB表示時(shí)，返回?fù)p耗越小，負(fù)dB值越大。列兩個(gè)算式，是讓大家有個(gè)直觀印象。

插入損耗：

經(jīng)驗(yàn)值：返回?fù)p耗不高于-20 dB ，則相應(yīng)的插入損耗將會(huì)非常小，幾乎等于0 dB。

這里面詳細(xì)列舉，也是想著大家算一算，之前的筆者對(duì)這個(gè)是有點(diǎn)一知半解。

講到能量守恒，想到之前與網(wǎng)友有過(guò)交流，為什么現(xiàn)有很多資料把插入損耗看成總損耗？

如果說(shuō)插入損耗是對(duì)由導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗所引起衰減的度量，也就是互連中熱能的損耗，這個(gè)沒(méi)問(wèn)題。但不可以理解為總和，除了互連中熱能量的損耗，還有輻射能量，耦合能量等。

現(xiàn)有的技術(shù)文檔或者產(chǎn)品，為什么把插入損耗當(dāng)做一個(gè)重要參考指標(biāo)，甚至讓人有總和的感覺(jué)，是因?yàn)槠渌麚p耗影響較小，也不好測(cè)量得出，被忽略不計(jì)。

3、耦合諧振

不同于LC振蕩串并聯(lián)電路電磁波輻射頻率，即諧振頻率：

耦合諧振除了傳輸線之間還有平面之間。平面之間的諧振是由于返回電流在返回平面之間的切換，會(huì)耦合到腔內(nèi)，形成諧振耦合。

對(duì)于100 cm線長(zhǎng)的傳輸線，介電常數(shù)取值為4，諧振最低頻率為半波長(zhǎng)。

平面耦合諧振的解決就是無(wú)外乎不要在不同返回平面之間切換信號(hào)，或者在每個(gè)信號(hào)過(guò)孔處增加返回地孔，以抑制諧振。

平面耦合諧振，關(guān)于這種現(xiàn)象，之前也做過(guò)相關(guān)的仿真

寫(xiě)到這，筆者有兩個(gè)疑惑：

1.之前的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，有些高速信號(hào)選擇包地，方式如下：

這個(gè)地孔之間的長(zhǎng)度是有要求的？印象中是1/4波長(zhǎng)。后來(lái)有去面試，面試官也提到過(guò)地孔打法的問(wèn)題。

關(guān)于半波長(zhǎng)或1/4波長(zhǎng)的選擇，不知道有哪位朋友能給講講。私聊。

2.考慮沒(méi)有轉(zhuǎn)換參考層的情況下，返回地孔的問(wèn)題。

4、單端&混模S參數(shù)

前面我們所說(shuō)的都是針對(duì)兩個(gè)獨(dú)立且相互耦合的傳輸線，兩條互連之間串?dāng)_，近端串?dāng)_是S31和S42，遠(yuǎn)端串?dāng)_是S41和S32。近端和遠(yuǎn)端噪聲會(huì)隨著線間距、耦合長(zhǎng)度及是帶狀線還是微帶線的拓?fù)涠煌?/p>

當(dāng)用一個(gè)差分對(duì)對(duì)兩條相同的互連加以描述，當(dāng)S參數(shù)用于描述互連的差分特性時(shí)，有很多種叫法，最常用為混模S參數(shù)。

單端轉(zhuǎn)混模的公式：

采用混模S參數(shù)，存在的信號(hào)類(lèi)型只包括差分信號(hào)和共模信號(hào)。實(shí)際工作中，使用字母D和C分別差分信號(hào)和共模信號(hào)。SDD用來(lái)表示差分信號(hào)輸入、差分信號(hào)輸出。SCC用來(lái)表示共模信號(hào)輸入、共模信號(hào)輸出。順序也是相反的。

關(guān)于混模S參數(shù)一些下標(biāo)，想通上圖就可以了。

阻抗的問(wèn)題。假設(shè)單端阻抗是50?，差分信號(hào)是雙端口驅(qū)動(dòng)，以串聯(lián)形式，差分信號(hào)阻抗是100?。共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)雙端口，端口阻抗是并聯(lián)方式，共模信號(hào)阻抗是25?。這個(gè)阻抗和之前的差分對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)一致。

差分通道性能的一個(gè)指標(biāo)就是差分插入損耗。實(shí)際工作中，很多高速串行鏈路中，都會(huì)傳輸差分信號(hào)。S參數(shù)元素中，相位包含了差分信號(hào)的延時(shí)和散射信息，幅度包含了由于損耗和其他因素所引起的衰減信息。高速串行鏈路中，鏈路的任何不對(duì)稱，都會(huì)引起模態(tài)轉(zhuǎn)化，比如過(guò)孔，連接器，走線轉(zhuǎn)換層等，都會(huì)使差分信號(hào)轉(zhuǎn)成共模信號(hào)，造成電磁干擾。

消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品都會(huì)進(jìn)行電磁輻射測(cè)試，所以一般會(huì)對(duì)其鏈路進(jìn)行管控，增加CMC或者屏蔽雙絞線等方式保證FCC認(rèn)證。還有一個(gè)UL認(rèn)證，負(fù)責(zé)安規(guī)方面的。

至于S參數(shù)其他的深入知識(shí)，后面再說(shuō)。



審核編輯：劉清