電子元器件S參數(shù)的含義和用途.doc

電子元器件S參數(shù)的含義和用途在進(jìn)行射頻、微波等高頻電路設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電路理論已不再適用，需要采用分布參數(shù)電路的分析方法，這時(shí)可以采用復(fù)雜的場(chǎng)分析法，但更多地時(shí)候則采用微波網(wǎng)絡(luò)法來(lái)分析電路，對(duì)于微波網(wǎng)絡(luò)而言，最重要的參數(shù)就是S參數(shù)。在個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)邁入 GHz階段之后，從計(jì)算機(jī)的中央處理器、顯示界面、存儲(chǔ)器總線到I/O接口，全部走入高頻傳送的國(guó)度，所以現(xiàn)在不但射頻通信電路設(shè)計(jì)時(shí)需要了解、掌握S參數(shù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)甚至消費(fèi)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師也需要對(duì)相關(guān)知識(shí)有所掌握。S參數(shù)的作用S參數(shù)的由來(lái)和含義在低頻電路中，元器件的尺寸相對(duì)于信號(hào)的波長(zhǎng)而言可以忽略(通常小于波長(zhǎng)的十分之一)，這種情況下的電路被稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)(Lump)電路，這時(shí)可以采用常規(guī)的電壓、電流定律來(lái)進(jìn)行電路計(jì)算。其回路器件的基本特征為：具體來(lái)說(shuō)S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)射頻和微波應(yīng)用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)進(jìn)行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS（Advanced Design System），ADS被許多射頻設(shè)計(jì)平臺(tái)所集成。在進(jìn)行需要較高頻率的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須利用參數(shù)曲線以及預(yù)先計(jì)算的散射參數(shù)（即S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來(lái)設(shè)計(jì)所有物理元件。電阻：能量損失（發(fā)熱）電容：靜電能量電感：電磁能量但在高頻微波電路中，由于波長(zhǎng)較短，組件的尺寸就無(wú)法再視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，某一瞬間組件上所分布的電壓、電流也就不一致了。因此基本的電路理論不再適用，而必須采用電磁場(chǎng)理論中的反射及傳輸模式來(lái)分析電路。元器件內(nèi)部電磁波的進(jìn)行波與反射波的干涉失去了一致性，電壓電流比的穩(wěn)定狀態(tài)固有特性再也不適用，取而代之的是“分布參數(shù)”的特性阻抗觀念，此時(shí)的電路被稱(chēng)為分布（Distributed） 電路。分布參數(shù)回路元器件所考慮的要素是與電磁波的傳送與反射為基礎(chǔ)的要素，即：反射系數(shù)衰減系數(shù)傳送的延遲時(shí)間分布參數(shù)電路必須采用場(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過(guò)于復(fù)雜，因此需要一種簡(jiǎn)化的分析方法。 微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場(chǎng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為路的問(wèn)題來(lái)解決。一般地，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來(lái)測(cè)量和分析，Y稱(chēng)導(dǎo)納參數(shù)，Z稱(chēng)為阻抗參數(shù)，S稱(chēng)為散射參數(shù)；前兩個(gè)參數(shù)主要用于節(jié)點(diǎn)電路，Z和Y參數(shù)對(duì)于節(jié)點(diǎn)參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便的測(cè)試；但在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得較抽象。與直接測(cè)量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。 S參數(shù)被稱(chēng)為散射參數(shù)，暗示為事務(wù)分散為不同的分量，散射參數(shù)即描述其分散的程度和分量的大小。具體來(lái)說(shuō)S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)。 同N端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗和導(dǎo)納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對(duì)N端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善的描述。阻抗和導(dǎo)納矩陣反映了端口的總電壓和電流的關(guān)系，而散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來(lái)計(jì)算。只要知道網(wǎng)絡(luò)的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。下面以二端口網(wǎng)絡(luò)為例說(shuō)明各個(gè)S參數(shù)的含義，如圖所示。 二端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)S參數(shù)，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測(cè)得的能量，如S11定義為從Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡(jiǎn)化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數(shù)的物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò)的特性如下：S11：端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12S21 對(duì)于對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)，有：S11S22對(duì)于無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，有：（S11）2（S12）21我們經(jīng)常用到的單根傳輸線，或一個(gè)過(guò)孔，就可以等效成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，一端接輸入信號(hào)，另一端接輸出信號(hào)，如果以Port1作為信號(hào)的輸入端口，Port2作為信號(hào)的輸出端口，那么S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個(gè)值越小越好，一般建議S110.7，即3dB。如果網(wǎng)絡(luò)是無(wú)耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S210.7的要求，但通常的傳輸線是有耗的，尤其在GHz以上，損耗很顯著，即使在Port1上沒(méi)有反射，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸線后，S21的值就會(huì)變得很小，表示能量在傳輸過(guò)程中還沒(méi)到達(dá)目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。S參數(shù)在電路仿真中的應(yīng)用S參數(shù)自問(wèn)世以來(lái)已在電路仿真中得到廣泛使用。針對(duì)射頻和微波應(yīng)用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)進(jìn)行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS（Advanced Design System），ADS被許多射頻設(shè)計(jì)平臺(tái)所集成。在許多仿真器中我們都可以找到S參數(shù)模塊，設(shè)計(jì)人員會(huì)設(shè)置每一個(gè)具體S參數(shù)的值。這也和S參數(shù)的起源一樣，同樣是因?yàn)轭l率，在較低的頻率時(shí)，設(shè)計(jì)師可以在電路板上安裝分立的射頻元件，再用阻抗可控的印制線和通孔把它們連接起來(lái)。在進(jìn)行需要較高頻率的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須利用參數(shù)曲線以及預(yù)先計(jì)算的散射參數(shù)（即S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來(lái)設(shè)計(jì)所有物理元件。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)實(shí)際測(cè)量S參數(shù)，這樣做的好處是可以將器件裝配在與將要生產(chǎn)的PCB相同的PCB上進(jìn)行測(cè)試以得到精確的測(cè)量結(jié)果。設(shè)計(jì)師也可以采用元器件廠家提供的S參數(shù)進(jìn)行仿真，據(jù)安捷倫EDA部門(mén)的一位應(yīng)用工程師在文章中介紹：“這些數(shù)據(jù)通常是在與最終應(yīng)用環(huán)境不同的環(huán)境中測(cè)得的。這可能在仿真中引入誤差”他舉例：“當(dāng)電容器安裝在不同類(lèi)型的印制電路板時(shí)，電容器會(huì)因?yàn)榘惭b焊盤(pán)和電路板材料(如厚度、介電常數(shù)等)而存在不同的諧振頻率。固態(tài)器件也會(huì)遇到類(lèi)似問(wèn)題(如 LNA 應(yīng)用中的晶體管)。為避免這些問(wèn)題，最好應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量S參數(shù)。但無(wú)論如何，為了進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真，就無(wú)法回避使用S參數(shù)模型，無(wú)論這些數(shù)據(jù)是來(lái)自設(shè)計(jì)師的親自測(cè)量還是直接從元器件廠家獲得，這是由高頻電子電路的特性所決定了的。-S參數(shù)的含義S參數(shù)的含義以二端口網(wǎng)絡(luò)為例，如單根傳輸線，共有四個(gè)S參數(shù)：S11，S12，S21，S22，對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)有S12S21，對(duì)于對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)有S11S22，對(duì)于無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，有S11*S11+S21*S211，即網(wǎng)絡(luò)不消耗任何能量，從端口1輸入的能量不是被反射回端口1就是傳輸?shù)蕉丝?上了。在高速電路設(shè)計(jì)中用到的微帶線或帶狀線，都有參考平面，為不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)（但平行雙導(dǎo)線就是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)），所以S11不等于S22，但滿足互易條件，總是有S12S21。假設(shè)Port1為信號(hào)輸入端口，Port2為信號(hào)輸出端口，則我們關(guān)心的S參數(shù)有兩個(gè)：S11和S21，S11表示回波損耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，這個(gè)值越小越好，一般建議S110.7，即3dB，如果網(wǎng)絡(luò)是無(wú)耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S210.7的要求，但通常的傳輸線是有耗的，尤其在GHz以上，損耗很顯著，即使在Port1上沒(méi)有反射，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸線后，S21的值就會(huì)變得很小，表示能量在傳輸過(guò)程中還沒(méi)到達(dá)目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。對(duì)于由2根或以上的傳輸線組成的網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)有傳輸線間的互參數(shù)，可以理解為近端串?dāng)_系數(shù)、遠(yuǎn)端串?dāng)_系統(tǒng)，注意在奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)下的S參數(shù)值不同。需要說(shuō)明的是，S參數(shù)表示的是全頻段的信息，由于傳輸線的帶寬限制，一般在高頻的衰減比較大，S參數(shù)的指標(biāo)只要在由信號(hào)的邊緣速率表示的EMI發(fā)射帶寬范圍內(nèi)滿足要求就可以了。信息電子產(chǎn)品的運(yùn)算速度與傳輸信息量大幅提升，相關(guān)電子零部件的高頻特性也愈顯重要。如PCB、纜線、連接器等過(guò)去被視為單純橋接作用的零部件，為滿足高頻應(yīng)用的需要，現(xiàn)有規(guī)格逐漸納入了衰減、特性阻抗、串音、傳輸延遲、傳輸延遲時(shí)滯、隔離效果、信號(hào)抖動(dòng)等高頻特性的項(xiàng)目。本文將主要介紹S參數(shù)在高頻測(cè)量中的應(yīng)用。 在個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)邁入 GHz階段之后，從計(jì)算機(jī)的中央處理器、顯示界面、存儲(chǔ)器總線到I/O接口，全部走入高頻傳送的國(guó)度，于是高頻參數(shù)的測(cè)量便浮出了臺(tái)面。 通常高頻測(cè)量必須考慮的基本項(xiàng)目包括下面幾個(gè)： Impedance特性阻抗。我們常見(jiàn)的電纜/信號(hào)線有50、75、100歐姆等不同的阻抗標(biāo)示，此處所指的阻抗并非直流電阻，而是所謂的特性阻抗，也就是信號(hào)傳輸?shù)拿恳粋€(gè)經(jīng)過(guò)驛站所面臨的阻抗。 S-ParametersS參數(shù)（S11、S21、S12、S22） Propagation Delay傳播延遲 SWR駐波比 Crosstalk串音 在高速傳輸運(yùn)作下，信號(hào)載送的質(zhì)量相當(dāng)重要，為了獲得最大的傳輸效率，各項(xiàng)高頻參數(shù)將成為設(shè)計(jì)、除錯(cuò)改良、實(shí)際應(yīng)用上的重要參考依據(jù)，并須特別注意阻抗（Impedance）的匹配問(wèn)題、信號(hào)延遲時(shí)間（Propagation Delay）、時(shí)滯（Propagation Skew）、噪聲（Noise）、信號(hào)損失（Loss）以及信號(hào)衰減（Attenuation）等課題。然而，這些參數(shù)不容易推算及測(cè)量，必須依靠高精密度的儀器來(lái)協(xié)助才能求得準(zhǔn)確的數(shù)值。一般來(lái)說(shuō)，在高頻測(cè)試中所使用的儀器大致上有“時(shí)域反射計(jì)”（Time Domain Reflectometry）以及“網(wǎng)絡(luò)分析儀”（Network Analyzer）。 對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)，S參數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)，S參數(shù)的原文名稱(chēng)是“Scattering-Parameter”。電磁能量是在空氣等介質(zhì)或?qū)w中以電磁波形式傳送，電磁波會(huì)因?yàn)榛芈诽匦宰杩沟牟黄ヅ涠a(chǎn)生信號(hào)反射。當(dāng)回路內(nèi)有無(wú)數(shù)個(gè)信號(hào)反射時(shí)，電磁能量分布與時(shí)間的變化就顯得相當(dāng)復(fù)雜。 在頻率較低的場(chǎng)合，零部件的大小與構(gòu)成信號(hào)波形的波長(zhǎng)相比顯得微小。反射波的影響相對(duì)于信號(hào)變化時(shí)間，很短時(shí)間內(nèi)退出，故呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，可采用電壓電流比的阻抗來(lái)表現(xiàn)器件的固有特性。一般是以“集中定數(shù)”回路來(lái)視之。也有人用節(jié)點(diǎn)（Lump）電路來(lái)稱(chēng)呼。其回路器件基本特征為： 電阻：能量損失（發(fā)熱） 電容：靜電能量 電感：電磁能量 然而，對(duì)于高頻的元器件與回路而言，相對(duì)于元器件內(nèi)部電磁波傳送速度，零部件的大小就不能忽視了。畢竟，在零部件內(nèi)部電磁波的進(jìn)行波與反射波的干涉失去了一致性，電壓電流比的穩(wěn)定狀態(tài)固有特性再也不適用，取而代之的 是“分布定數(shù)”的特性阻抗觀 念，也有人用分布（Distributed） 電路來(lái)稱(chēng)呼。因此，分布定數(shù)回路零部件所考慮的要素是與電磁波的傳送與反射為基礎(chǔ)的要素，也就是： 反射系數(shù) 衰減系數(shù) 傳送的延遲時(shí)間 以上的多種考慮，就是S參數(shù)概念的基本源頭。 低頻傳送線路可以采用底下雙端口（2 Port）回路的電壓電流關(guān)系呈現(xiàn)回路的特性。請(qǐng)注意，此處所提及的網(wǎng)絡(luò)是指電路，而非服務(wù)器連網(wǎng)或因特網(wǎng)。 常用到的各種參數(shù)，不外乎有Z參數(shù)、Y參數(shù)與F參數(shù)等。F參數(shù)（image parameters）的表現(xiàn)如下式： V1 A B V2 = I1 C D I2 .（1） Z參數(shù)（open-circuit impedance parameters）的表現(xiàn)如下式： V1 Z11 Z12 I1 = V2 Z21 Z22 I2 .（2） Y參數(shù)（short-circuit admittance parameters）的表現(xiàn)如下式： I1 Y11 Y12 V1 = I2 Y21 Y22 V2 .（3） 請(qǐng)留意，無(wú)論是上述的哪一個(gè)參數(shù)，都可以采用終端短路或終端開(kāi)路的簡(jiǎn)單測(cè)定方式。以下就以Y參數(shù)為示范來(lái)說(shuō)明。 I1 = Y11V1 + Y12V2 I2 = Y21V1 + Y22V2 當(dāng)終端短路時(shí)，也就是V2=0時(shí)，Y21 = I2/V1。若是在晶體管的場(chǎng)合，便可借助于Z參數(shù)與Y參數(shù)混合衍生出來(lái)的h參數(shù)。 然而，躍進(jìn)高頻的國(guó)度，引線的電感量、端點(diǎn)的電容量所引起的影響也不容忽視，不是單純的終端短路狀態(tài)（阻抗為零）或終端開(kāi)路狀態(tài)（阻抗無(wú)限大）就能實(shí)現(xiàn)。例如Z11的求得，讓I2為零的方針，使用100%反射的測(cè)定變成毫無(wú)道理可言。 基于這個(gè)緣故，具有進(jìn)行波與反測(cè)波概念的S參數(shù)，就可以來(lái)描繪高頻的特性。圖3中的入射波（Incident Wave）分別是a1與a2，反射波（Reflected Wave）則是以b1及b2來(lái)表示。入射波與反射波的關(guān)系可用以下數(shù)學(xué)式來(lái)呈現(xiàn)： b1 S11 S12 a1 = b2 S21 S22 a2 .（4） 若是展開(kāi)數(shù)學(xué)式，可以用下面兩個(gè)式子來(lái)表示：b1 = S11a1 + S12a2 .（5）b2 = S21a1 + S22a2.（6） S11、S12、S21、S22就是S參數(shù)?？梢允褂脽o(wú)反射終端來(lái)測(cè)定。意思是說(shuō)，當(dāng)Z1=Z0時(shí)，a2就等于零，于是S11=b1/a1。 一般情況下，S參數(shù)可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量。S11與S22與電壓反射系數(shù)相關(guān)，可以通過(guò)阻抗的測(cè)量來(lái)計(jì)算。而S21與S12涉及到傳送特性，比如說(shuō)衰減或相位的特性，通過(guò)震蕩器與示波器等儀器的組合，也可以來(lái)測(cè)定。至于使用S參數(shù)的回路計(jì)算方法，請(qǐng)先參考圖4，試著來(lái)計(jì)算b2作為一個(gè)示范。 如果發(fā)送端、接收端都是以終端的傳送特性來(lái)考慮，依據(jù)前面S參數(shù)（5）與（6），負(fù)荷的反射系數(shù)若以l來(lái)表示，則有：a2 = l b2 將此式帶入（6），即可求得： b2 = S21 a1/（1 S22l） .（7） 相同的道理，發(fā)送端的反射系數(shù)以s來(lái)表示，則有： bs = Vs sqrt（Z0）/（Zs+Z0） 由于a1 = bs + s b1，將此式帶入式（5），即可求得： a1 = bs + s （S11 a1 + S12 s b2）.（8） 綜合（7）與（8），就可以求得傳送特性： b2 = S21 bs/（1 - s S11） （1 - S22 l） - s l S12 S21）.（9） l = （Zl - Z0）/（Zl + Z0） s = （Zs - Z0）/（Zs + Z0） 其中的Z0，就是網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗。 從上面的說(shuō)明不難看出使用S參數(shù)的計(jì)算，沒(méi)有用到電壓、電流，而是采用了接續(xù)點(diǎn)的反射系數(shù)。 如果以信號(hào)流程圖（Signal Flow Graph）來(lái)展現(xiàn)回路的話，可以運(yùn)用下列變換法則來(lái)實(shí)現(xiàn)： 入射波與反射波的變量轉(zhuǎn)換成接點(diǎn) S參數(shù)成為枝狀 枝狀是從獨(dú)立變量節(jié)點(diǎn)出進(jìn)入從屬變量節(jié)點(diǎn) S參數(shù)的妙用 毫無(wú)疑問(wèn)，S參數(shù)是頻域（Frequency Domain）里面判斷系統(tǒng)特性的有效之道。 若是觀察S參數(shù)與光波，兩者之間頗有異曲同工的涵義。 再仔細(xì)一想，S11就是TDR（Time Domain Reflection），而S21就是TDT（Time Domain Transmission），所以TDR/TDT與單端的S參數(shù)存在著可以解釋的關(guān)系。S21的TDT意味著插入損失（Insertion Loss），S11的TDR就是回送損失（Return Loss）。但在高速傳輸?shù)膱?chǎng)合中，均是采用差分傳輸（Differential）的模式，因此差分模式下（也可以稱(chēng)為混合模式）的S參數(shù)，也是必要認(rèn)知的一環(huán)。要滿足差分傳輸就要導(dǎo)入4端口（4 Port）的回路。在以上的呈現(xiàn)方式中，其中，Sghij的詮釋涵義分別是S（輸出模式）（輸入模式）（輸出端口）（輸入端口）。 以下便將以Maxim公司 的MAX3950 10Gbps