射頻微波行業(yè)，相關(guān)高速產(chǎn)品，很多硬件工程師，很多實際工作，哪一個不拿S參數(shù)說事？基礎(chǔ)知識有很多健忘了，溫故知新。話不多說，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)用于時域。這里的互連行為包含線性的和無源的。

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

在頻率描述時，這個標(biāo)準(zhǔn)波形是正弦波。時域描述時，這個標(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：

時域反射計（TDR）測量時域的反射響應(yīng)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA） 測正弦波的反射響應(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)_大小和差分信號衰減。

使用仿真軟件，對互連的行為進(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、過孔或整個背板模型。

對于所有線性無源元件而言，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屬性就是散射波的幅度和相位。

為了區(qū)別每個S參數(shù)所涉及的端口組合，看下標(biāo)值，第一個下標(biāo)值對應(yīng)輸出端口，而第二個下標(biāo)值對應(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不必要的麻煩。

實際工作中，互連不是對稱的，S11和S22就不相等。但對于所有線性無源元件而言，總有S21=S12，所以在4個元素的S參數(shù)矩陣中，實際只有3個獨立項。

S11 稱為反射系數(shù)，幅度的絕對值稱為返回?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，這個對應(yīng)關(guān)系是相反的。

能量守恒定律對于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，返回?fù)p耗越小，負(fù)dB值越大。列兩個算式，是讓大家有個直觀印象。

插入損耗：

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

這里面詳細(xì)列舉，也是想著大家算一算，之前的筆者對這個是有點一知半解。

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

如果說插入損耗是對由導(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，這個沒問題。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)做一個重要參考指標(biāo)，甚至讓人有總和的感覺，是因為其他損耗影響較小，也不好測量得出，被忽略不計。

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，會耦合到腔內(nèi)，形成諧振耦合。

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

平面耦合諧振的解決就是無外乎不要在不同返回平面之間切換信號，或者在每個信號過孔處增加返回地孔，以抑制諧振。

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

寫到這，筆者有兩個疑惑：

1.之前的消費類產(chǎn)品，有些高速信號選擇包地，方式如下：

這個地孔之間的長度是有要求的？印象中是1/4波長。后來有去面試，面試官也提到過地孔打法的問題。

關(guān)于半波長或1/4波長的選擇，不知道有哪位朋友能給講講。私聊。

2.考慮沒有轉(zhuǎn)換參考層的情況下，返回地孔的問題。

4、單端&混模S參數(shù)

前面我們所說的都是針對兩個獨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)端噪聲會隨著線間距、耦合長度及是帶狀線還是微帶線的拓?fù)涠煌?/p>

當(dāng)用一個差分對對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，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)，存在的信號類型只包括差分信號和共模信號。實際工作中，使用字母D和C分別差分信號和共模信號。SDD用來表示差分信號輸入、差分信號輸出。SCC用來表示共模信號輸入、共模信號輸出。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。

阻抗的問題。假設(shè)單端阻抗是50?，差分信號是雙端口驅(qū)動，以串聯(lián)形式，差分信號阻抗是100?。共模信號驅(qū)動雙端口，端口阻抗是并聯(lián)方式，共模信號阻抗是25?。這個阻抗和之前的差分對基礎(chǔ)知識一致。

差分通道性能的一個指標(biāo)就是差分插入損耗。實際工作中，很多高速串行鏈路中，都會傳輸差分信號。S參數(shù)元素中，相位包含了差分信號的延時和散射信息，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，鏈路的任何不對稱，都會引起模態(tài)轉(zhuǎn)化，比如過孔，連接器，走線轉(zhuǎn)換層等，都會使差分信號轉(zhuǎn)成共模信號，造成電磁干擾。

消費類產(chǎn)品都會進(jìn)行電磁輻射測試，所以一般會對其鏈路進(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，后面再說。


審核編輯：劉清