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圖文詳細(xì)解說S參數(shù)

發(fā)布時間:2019-11-26 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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...
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
一、個別參數(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)?
 
Quick answer : 如果每一線段彼此連接處的real port Zo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real port Zo差異很大,那就會看到loss不是累加的趨勢,因?yàn)榇拥慕用嫔蠒卸嘣黾拥姆瓷鋼p失。
 
下圖所示的三條傳輸線
 
Line1是一條100mm長,特性阻抗設(shè)計(jì)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。
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
觀察Line1的S21發(fā)現(xiàn),左右兩段的S參數(shù)有累加特性
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
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
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
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?
 
Quick answer : 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。
 
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(fèi)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。
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
HFSS 3D Layout模擬結(jié)果
 
二、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?
 
Quick answer : RLC等效電路是terminal base model,而S參數(shù)是port base model,后者看的昰一個port的正負(fù)兩端之間的差值。公眾號 濾波器 所以S參數(shù)雖然有含地回路(return path)寄生效應(yīng),但無法單獨(dú)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reference ground (negative terminal),或是使用common ground,使用common ground是否表示把每個port的negative terminal短路,會忽略地回路的寄生效應(yīng)嗎?
 
Quick answer : 使用common ground,并不會把return path兩端short,S參數(shù)本身已經(jīng)內(nèi)含地回路的效應(yīng)。
 
三、兩個2-port 能否組成一個4-port  
 
兩個2-port S參數(shù),有可能組成一個4-port S參數(shù)嗎?
 
Quick answer : No. 一個2-port S參數(shù),內(nèi)涵2x2 (4) matrix單元,即S11, S12, S21, S22,而一個4-port S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-port S參數(shù),并不足以充分且唯一定義一個4-port S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-port S參數(shù)可以簡化(reduce order)分離出兩個2-port S參數(shù),但反之不然。
 
四、3D模型S參數(shù)串連的差別  
 
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(dú)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?
 
Quick answer : 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,公眾號 濾波器 但需不需要每個案子都一定 非得這么做不可,其實(shí)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(jì)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。
 
五、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?
 
Quick answer : 雖然renormalize不同的port阻抗,會得到不同的S參數(shù)曲線,但該N-port model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(shí)際上 因?yàn)閠ool的transient analysis的數(shù)值處理能力(fitting ability)不同,有些時候有影響。
 
打個比方,在SIwave v4.0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(shí)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renormalize 50ohm,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。
 
六、Export S參數(shù)模型時  
 
Export S參數(shù)模型時,有沒有做port renormalize to 50ohm,對使用S參數(shù)有沒有影
 
Quick answer : No
 
七、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(diǎn)描述定義是否是遞增排列(frequency monotonicity)。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?yàn)閜ort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causality issue,或是在Designer模擬過程中,注意看看是否在state-space fitting process卡很久。遇到多埠S參數(shù),則試著轉(zhuǎn)成state space model (.sss),仿真速度會加快不少,而透過SIwave或NdE轉(zhuǎn)state space model的程序中,建議只勾enforce passivity,不用勾enforce causality,這樣也會節(jié)省不少時間。(因?yàn)閟tate space algorithm本身就滿足primitive causality,所以不用擔(dān)心其因果性問題)
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
(3) Toushstone1.0(TS1.0)與TS2.0主要有何差別? 
 
Ans:TS2.0 (.ts)支持mixed reference impedance,而TS1.0 (.snp)每個port的reference impedance都要是相同的50ohm. 以SIwave為例:
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
以Designer內(nèi)NdE (Network Data Explorer)為例
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
不管原本在SIwave或HFSS的port設(shè)定是否有指定renormalize,最后要export時還可以再決定要不要overwrite renormalize
 
(4)0Touchstone file可以設(shè)定noise data,那是什么東西,何時使用? 
 
Ans:這是在TS1.0就有定義的功能,可以對Touchstone file附加noise data定義,一般用于主動組件的S參數(shù)模型。
 
當(dāng)你在Designer匯入S參數(shù)模型時,可以右鍵單擊[Edit Model]檢視noise data (如果有的話).
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
(5)為何在2.2的例子,BGA與PCB各別S參數(shù)的loss累加(-0.29-0.8=-1.09)反而是比整個3D model一起看所得到的S參數(shù)(-1.06)來的差? 
 
Ans:當(dāng)BGA與PCB做3D結(jié)合的條件下去抽S參數(shù)時,此時原本沒有參考平面的BGA上走線,會看到一些PCB上的平面透過solder ball所貢獻(xiàn)的些微回流路徑效應(yīng)。這點(diǎn)我們也可以透過觀察Z11(Z profile)來驗(yàn)證。
 
圖文詳細(xì)解說S參數(shù)
 
 
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