RF工程師必須掌握的內(nèi)容：從淺入深解說S參數(shù)

RF工程師必須掌握的內(nèi)容：從淺入深解說S參數(shù)S參數(shù)測量是射頻設(shè)計過程中的基本手段之一。S參數(shù)將元件描述成一個黑盒子，并被用來模擬電子元件在不同頻率下的行為。在有源和無源電路設(shè)計和分析中經(jīng)常會用到S參數(shù)。S參數(shù)是RF工程師/SI工程師必須掌握的內(nèi)容，業(yè)界已有多位大師寫過關(guān)于S參數(shù)的文章，即便如此，在相關(guān)領(lǐng)域打滾多年的人，可能還是會被一些問題困擾著。你懂S參數(shù)嗎?請繼續(xù)往下看...臺灣同行圖文獨特講解！基礎(chǔ)篇本文目錄上：簡介：從時域與頻域評估傳輸線特性看一條線的特性：S11、S21看兩條線的相互關(guān)系：S31、S41看不同模式的訊號成份：SDD、SCC、SCD、SDC以史密斯圖觀察S參數(shù)仿真范例--地回路有沒有slot對S11,S21的影響--有效介電系數(shù)如何取得問題與討論Reference1、簡介：從時域與頻域評估傳輸線特性良好的傳輸線，訊號從一個點傳送到另一點的失真(扭曲)，必須在一個可接受的程度內(nèi)。而如何去衡量傳輸線互連對訊號的影響，可分別從時域與頻域的角度觀察。S參數(shù)即是頻域特性的觀察，其中"S"意指"Scatter"，與Y或Z參數(shù)，同屬雙端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參數(shù)表示。S參數(shù)是在傳輸線兩端有終端的條件下定義出來的，一般這Zo=50奧姆，因為VNAport也是50奧姆終端。所以，referenceimpedanceofport的定義不同時，S參數(shù)值也不同，即S參數(shù)是基于一指定的portZo條件下所得到的。2.看一條線的特性：S11、S21看一條線的特性：S11、S21如下圖所示，假設(shè)port1是訊號輸入端，port2是訊號輸出端S11表示在port1量反射損失(returnloss)，主要是觀測發(fā)送端看到多大的的訊號反射成份；值越接近0越好(越低越好，一般-25~-40dB)，表示傳遞過程反射(reflection)越小，也稱為輸入反射系數(shù)(InputReflectionCoefficient)。S21表示訊號從port1傳遞到port2過程的饋入損失(insertionloss)，主要是觀測接收端的訊號剩多少；值越接近1越好(0dB)，表示傳遞過程損失(loss)越小，也稱為順向穿透系數(shù)(ForwardTransmissionCoefficient)。3、看兩條線的相互關(guān)系：S31、S41雖然沒有硬性規(guī)定1、2、3、4分別要標(biāo)示在線哪一端，但[EricBogatin大師]建議奇數(shù)端放左邊，且一般表示兩條線以上cross-talk交互影響時，才會用到S31。以上圖為例，S31意指NearEndCross-talk(NEXT)，S41意指FarEndCross-talk(FEXT).4、看不同模式的訊號成份：SDD、SCC、SCD、SDC以上談的都是singleendedtransmissionline(oneortwoline)，接著要談differentialpair結(jié)構(gòu)。5、以史密斯圖觀察S參數(shù)因為S11、S22是反映傳輸線的reflection，不難理解S11其實也可以直接以反射系數(shù)表示。既然是反射系數(shù)，那就可以用史密斯圖來觀察了，史密斯圖可以想做是把直角坐標(biāo)的Y軸上下盡頭拉到X軸最右邊所形成水平軸表示實數(shù)R，水平軸以上平面表示電感性，水平軸以下平面表示電容性以一條四英寸長，50歐姆的傳輸線為例，從15M~2GHz的史密斯圖，S11會呈現(xiàn)螺旋狀往圓心收斂，而這螺旋就是dielectriclossesabsorb造成，越高頻loss越大。6、仿真范例取一條100mm長，線寬7mils、銅厚0.7mils、堆棧高4mils，特性阻抗50奧姆的microstrip，以下方referenceplane是否有被slot切開做比對。Trace1的地回路是完整的，而Trace2的地有一個橫切的slot造成地回路不連續(xù)。6.1觀察Trace1的S11、S21：S11從1~5GHz都維持在-35dB以下，表示反射成份很小；S21從1~5GHz都很接近0dB，表示大部分的訊號成份都完整的從port1傳到port2。一條良好的傳輸線，S11、S21會拉蠻開的，隨著頻率增加彼此才會慢慢靠近一些。另外，從S11可以很清楚看到由線長所決定的共振頻點.一般50歐姆特性阻抗的microstriponFR4，有效介電限數(shù)大約3.0~3.1，可以透過Design/Nexxim得到.6.2觀察Trace2的S11、S21：S11在1GHz以上時，就超過-20dB了，表示反射成份很大；S21與Trace1比較起來，隨頻率降低的速度也大一倍，表示有較多訊號成份在port1傳到port2的過程中損耗。7.問題與討論7.1埠端阻抗是如何影響S11參數(shù)的?Ans：端口阻抗(referencedimpedance,Zport)會影響Zin，進(jìn)而影響S11ForthetransmissionlinewithcharacteristicimpedanceZo,themax.impedancereferencedtoZportisZin=Zo*2/Zport，S11=(Zin-Zport)/(Zin+Zport)在HFSS內(nèi)，上式S11中的Zport以實數(shù)考慮(non-conjugatematchedloadforS-parameter)，而在Designer或一般電路仿真軟件中，上式S11中的Zport以復(fù)數(shù)考慮(conjugatematchedloadforS-parameter)。在一些天線或waveguide的應(yīng)用中，如果埠端阻抗含虛部，而又希望可以在Designer內(nèi)看到跟HFSS的S參數(shù)同樣結(jié)果，可從以下設(shè)定[Tools][Options][CircuitOptions]，un-check[UsecircuitS-parameterdefinition]。請注意：這只是S參數(shù)埠端定義的不同，結(jié)果都是對的，所以不管哪一種定義下，如果轉(zhuǎn)到Y(jié)或Z參數(shù)(或是從Designer透過dynamiclinkHFSS)去看，其值是一樣的。7.2Touchstonefile(.snp)跟S-parameter是什么關(guān)系?Ans：Touchstonefile(.snp)是基于每個頻點的S參數(shù)，所定義的一種頻域模型，其格式如下所示：7.3為何端口阻抗會影響S參數(shù)，但不影響Z參數(shù)(Z11)?Ans：Z11=Vi/Iin與埠端阻抗無關(guān)。7.4除了靠軟件，還有其他方法檢查Passivity、Causality嗎?Ans：如圖所示，透過觀察TDRNEXTFEXT是否在T=0之前有響應(yīng)。7.5史密斯圖(SmithChart)與Causality、Passivity是否有關(guān)聯(lián)性?Ans：有的7.5.1滿足Causality與Passivity傳輸線的史密斯圖，會呈現(xiàn)以順時針方向往中心螺旋收斂的曲線。將線長從10mm拉長一倍到20mm，發(fā)現(xiàn)越長的線，其SmithChart中隨頻率增加而順時針向中心旋轉(zhuǎn)收斂的步幅也會增加。把介質(zhì)losstangent從0.02改0.06，發(fā)現(xiàn)SmithChart中隨頻率增加而順時針向中心旋轉(zhuǎn)的收斂會加快。順時針向中心旋轉(zhuǎn)與lossy有關(guān)。7.5.2滿足Causality但abitviolatePassivity傳輸線的史密斯圖，會出現(xiàn)部份頻段貼合，沒有往中心旋轉(zhuǎn)收斂。近幾年的HFSS性能一直提升，想要用簡單的例子搞出non-passivity還不太容易。本例是四條傳輸線(.s8p)，故意降低meshperformance(放大errorpercentage=0.1%)，低頻DC~0.1GHz刻意不求解，并且使用lossless介質(zhì)。7.5.3non-causalityandnon-passivity的史密斯圖，相對于n*nmatrix中不同矩陣區(qū)塊內(nèi)的violate程度，曲線可能會折彎(低頻violatepassivity嚴(yán)重，在SmithChart也看到低頻曲線有不規(guī)則的折彎)，或是不往中心收斂筆者還看不到HFSS產(chǎn)生的non-causalS參數(shù)的SmithChart會逆時針旋轉(zhuǎn)，或其時域響應(yīng)提前發(fā)生的現(xiàn)象。但可以用Designer內(nèi)的de-embedded功能產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)的SmithChart。8、Reference[1]Chapter1--宜蘭大學(xué),邱建文教授[2]In-SituDe-embedding(ISD)p.6~8fromAtaiTecCorp.(推薦)[3]PowerIntegrityforI/OInterfaces:WithSignalIntegrity/PowerIntegrityInapassivehigh-speedchannel,thespeedywaytocheckforcausalityistoexaminetheS-parameterSmithChart.Ifthedatarotateclockwise,ithaspositivegroupdelay;implyingittobecausal.Ontheotherhand,ifthedatarotatescounterclockwise,thisimpliesitisnoncausal.[4]一篇利用SmithChart補(bǔ)償Passivity與Causality的專利技術(shù)SmithChartcanbeusedtomonitorthepassivityandcausalityofnetworksunderstudy.Forinstance,Foster'sreactiontheoremdictatesageneralmotionintheclockwisedirectionwithfrequencyfortheparametersofanarbitrarynetwork.[5]touchstonespec.2.0[6]TS1.0andTS2.0(推薦)[7]ConvertingS-Parametersfrom50Ωto75ΩImpedance[8]ScatteringParameters：Concept,Theory,andApplications[9]RFMatchingDesign[10]Whyhavenon-causality(推薦)范例范例1.zip7(88.2KB)進(jìn)階篇目錄1、前言2、個別S參數(shù)與串聯(lián)S參數(shù)的差別3、雙埠S參數(shù)對地回路效應(yīng)的處理4、兩個2-portS參數(shù)，有可能組成一個4-portS參數(shù)嗎?5、全3D模型的S參數(shù)，與分開的3D模型S參數(shù)串連的差別?6、Port阻抗的設(shè)定，對S參數(shù)本質(zhì)上，與S參數(shù)的使用上，有沒有影響?7、ExportS參數(shù)模型時，有沒有做portrenormalizeto50ohm，對使用S參數(shù)有沒有影響?8、問題與討論1、前言S參數(shù)是SI與RF領(lǐng)域工程師必備的基礎(chǔ)知識，大家很容易從網(wǎng)絡(luò)或書本上找到S,Y,Z參數(shù)的說明，筆者也在多年前寫了S參數(shù)--基礎(chǔ)篇。但即使如此，在相關(guān)領(lǐng)域打滾多年的人，可能還是會被一些問題困擾著。你懂S參數(shù)嗎?請繼續(xù)往下看...2、2、個別S參數(shù)與串聯(lián)S參數(shù)的差別問題1：為何有時候會遇到每一段的S參數(shù)個別看都還好，但串起來卻很差的情況(loss不是1+1=2的趨勢)?Quickanswer:如果每一線段彼此連接處的realportZo是匹配的，那loss會是累加的趨勢，但若每一線段彼此連接處的realportZo差異很大，那就會看到loss不是累加的趨勢，因為串接的接面上會有多增加的反射損失。（1）下圖所示的三條傳輸線Line1是一條100mm長，特性阻抗設(shè)計在50ohm的微帶線，左邊50mm，右邊50mm。Line2也是一條100mm長的微帶線，左邊50mm維持特性阻抗50ohm，但右邊50mm線寬加倍，特性阻抗變小到33。Line3也是一條100mm長的微帶線，左邊50mm維持特性阻抗50ohm，但右邊50mm線寬加倍，特性阻抗變小到33，且呈135o轉(zhuǎn)折。觀察Line1的S21發(fā)現(xiàn)，左右兩段的S參數(shù)有累加特性觀察Line2,Line3的S21發(fā)現(xiàn)，整條線的S參數(shù)比起左右兩段個別看的S參數(shù)之累加差一些問題2：為何各別抽BGA與PCB的S參數(shù)后，在Designer內(nèi)串接看總loss，與直接抽BGA+PCB看S參數(shù)的結(jié)果不同?Quickanswer:這與結(jié)構(gòu)在3D空間上的交互影響，還有下port位置有時也有影響。（2）下圖所示是兩層板BGA封裝，放上有完整參考平面的PCB兩層板，這是在消費性電子產(chǎn)品很常見的應(yīng)用條件。黃色是高速的差動對訊號，其在PCB上走線的部分，有很好的完整參考平面，但在BGA端則完全沒有參考平面。HFSS3DLayout模擬結(jié)果3、雙埠S參數(shù)對地回路效應(yīng)的處理問題1：RLC等效電路可以估出訊號線與地回路每一段的RLC特性，但S參數(shù)卻不行，原因是什么?S參數(shù)帶有地回路的寄生效應(yīng)嗎?Quickanswer:RLC等效電路是terminalbasemodel，而S參數(shù)是portbasemodel，后者看的昰一個port的正負(fù)兩端之間的差值。所以S參數(shù)雖然有含地回路(returnpath)寄生效應(yīng)，但無法單獨分離出地回路的影響。問題2：在Designer匯入S參數(shù)模型時，可以選擇該S參數(shù)的電路符號要不要有每一個port的referenceground(negativeterminal)，或是使用commonground，使用commonground是否表示把每個port的negativeterminal短路，會忽略地回路的寄生效應(yīng)嗎?Quickanswer:使用commonground，并不會把returnpath兩端short，S參數(shù)本身已經(jīng)內(nèi)含地回路的效應(yīng)。4、兩個2-portS參數(shù)，有可能組成一個4-portS參數(shù)嗎?Quickanswer:No.一個2-portS參數(shù)，內(nèi)涵2x2(4)matrix單元，即S11,S12,S21,S22，而一個4-portS參數(shù)，需內(nèi)涵4x4(16)matrix單元。所以明顯的，當(dāng)有兩條線的兩個2-portS參數(shù)，并不足以充分且唯一定義一個4-portS參數(shù)，即這兩條"之間"的近端耦合與遠(yuǎn)程耦合條件并未被定義。換言之，一個4-portS參數(shù)可以簡化(reduceorder)分離出兩個2-portS參數(shù)，但反之不然。5、全3D模型的S參數(shù)，與分開的3D模型S參數(shù)串連的差別常見的問題是：封裝與PCB板單獨抽S參數(shù)后，再于電路仿真軟件串接S參數(shù)，這樣的做法跟把封裝與PCB直接在仿真軟件中3D貼合抽S參數(shù)會有怎樣的差異?Quickanswer:封裝與PCB間在Z軸上的空間耦合路徑，只有把封裝與PCB直接在仿真軟件中3D貼合抽S參數(shù)時，才會被考慮。這樣的做法當(dāng)然是最準(zhǔn)的做法，但需不需要每個案子都一定非得這么做不可，其實取決于結(jié)構(gòu)與帶寬考慮。當(dāng)這條路徑的耦合效應(yīng)影響，在您所設(shè)計的結(jié)構(gòu)下，在一定帶寬以上的影響不能被忽略時，就必須考慮。6、Port阻抗的設(shè)定Port阻抗的設(shè)定，對S參數(shù)本質(zhì)上，與S參數(shù)的使用上，有沒有影響?Quickanswer:雖然renormalize不同的port阻抗，會得到不同的S參數(shù)曲線，但該N-portmodel所定義的物理效應(yīng)本質(zhì)上是相同的。所以對于model的使用，理論上沒影響，但實際上因為tool的transientanalysis的數(shù)值處理能力(fittingability)不同，有些時候有影響。打個比方，在SIwavev4.0很早期的文件，會建議訊號的port阻抗設(shè)50ohm，而電源的port阻抗設(shè)0.1~1ohm，但目前的SIwave其實就不需要特別這么做，即你可以延續(xù)之前的設(shè)定習(xí)慣，或是全部都renormalize50ohm，SIwave吐出的S參數(shù)代到Designer去用，都可以得到一樣的結(jié)果。如果您使用其他的tool有遇到設(shè)不同的port阻抗，得到時域模擬結(jié)果不同的情況，建議您可以試試SIwave。7、ExportS參數(shù)模型時ExportS參數(shù)模型時，有沒有做portrenormalizeto50ohm，對使用S參數(shù)有沒有影Quickanswer:No8、問題與討論（1）S參數(shù)無法匯入怎么辦?Ans：首先檢查tool是否反饋任何錯誤訊息，再來以文本編輯器打開該S參數(shù)，檢查其頻點描述定義是否是遞增排列(frequencymonotonicity)。會出現(xiàn)這種烏龍錯誤，通常是有人手動編輯去修改S參數(shù)造成。（2）S參數(shù)因為port數(shù)過多導(dǎo)致模擬耗時怎么辦?Ans：遇到S參數(shù)模擬耗時，首先我會檢查該S參數(shù)是否有passivity與causalityissue，或是在Designer模擬過程中，注意看看是否在state-spacefittingprocess卡很久。遇到多埠S參數(shù)，則試著轉(zhuǎn)成statespacemodel