图文解说s参数,你get到了吗?

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先从最简单的两端口网络来介绍S参数。两端口待测物是黑盒子网络,现实中它可以是电阻、电容、电感、晶体管、传输线等。如图1所示是典型两端口网络图。

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图1 两端口网络图

Zs是信号源阻抗,ZL是负载端阻抗,通常它们都是50欧姆。

图2所示是典型两端口网络信号传输图。当一个正弦波信号从端口1打入进去时,一部分能量通过两端口直接从端口2传送出来,另一部分能量则沿着反方向反射回到信号源端。反射的发生是由于端口1的阻抗与信号源的阻抗不匹配导致。

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图2 简单二端口网络中的微波信号传输

S参数是对网络在频域范围内的入射功率和反射功率的一种测量。网络在实际应用中可以形式各异,比如同轴线缆、无源天线、有源滤波器、微波滤波器等。S参数具有幅值和相位,通常幅值的单位是dB,相位的单位是度。

S参数命名方式通常采用这种形式Smn,其中m表示输出端口,n表示输入端口。

比如S21表示从端口1输入端口2输出的信号传输。

S参数通常使用VNA网络分析仪进行测量。VNA通过扫描输入端的信号频率来测量随频率变化的S参数,同时它内部还有方向耦合器对入射功率和反射功率进行分离。另外一种替代方法是使用时域反射仪TDR,各大仪器厂家都提供具有此功能的采样示波器。

正向S参数通过将输出端结时驱动输入端进行测量,S11是指输出通过匹配负载端结时的输入反射系数,它的公式表示如下:

S11=b1/a1=反射功率/入射功率

图3中上面一条曲线表示的是S11。

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图3 S参数中S11和S21的曲线图

图3中下部分表示的插损,S21的定义如下:

S21=b2/a1, S21是指当输出端口被端结时的正向传输增益。

反向S参数通过端结输入通过驱动输入进行测试,如图4所示:

图4 测量反向S参数时的端口设置

端口2的回波损耗定义如下:

S22=b2/a2=反射功率/入射功率,S22是指输入端口1端结时输出端2的反射系数。

端口2输入端口1输出插损定义如下:

S12=b1/a2=传输功率/入射功率

S12是指当输入端口使用同匹配负载端结时反向传输增益。图5上面部分表示典型的S22下面部分表示典型的S12。

图5 典型S22和S12曲线

至此我们可以对2端口的输入、输出及S参数之间关系进行描述。图6所示是它们之间关系的图形表示。

图6 典型2端口S参数关系

在继续讨论S参数之前,我们先来回顾不同的测量方法。先考察一下如图7所示的差分放大器。

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图7 差分放大器

在差分系统中,比如这种放大器,共模信号相位相同而差模信号相位相差180度。输入端口看成是差分输入和输出(以+和-来区分)。对于差分放大器:

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共模抑制比CMRR=ACM/AD

CMRR用于衡量共模输入转换到输出的量,对于差分放大器来说通常较小。

差分信号传输通常用于高速串行数据通信链路。基于此,我们必须对4端口S参数也做一些调查和分析,4端口网络也可以看成是2端口差分网络。首先我们来看一下如图8所示的4端口单端网络。

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图8 4端口S参数测量装置

对4端口S参数的测量同2端口S参数类似,只是测量出来的项更多。它通常以下面4*4矩阵形式出现。

对于差分测量来说它更为复杂,我们需要使用混合模式来表示S参数。如图9所示是混合模式S参数的测量装置。测量时我们需要注意差分线间的电磁耦合会对测量结果产生影响。同时模式转换也会影响共模转差模以及差模转共模。

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图9 混合模式S参数测量装置

通过先测量出来的4端口S参数,我们也可以使用矩阵运算求解出混合模式S参数。具体计算公式可以在网络上搜索,有现成的公式。转换后的输出矩阵如下所示:

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通常有如下四种混合模式S参数:

差模到差模Sdd

差模到共模Sdc

共模到差模Scd

共模到共模Scc

比如Sdd21表示为从差分端口1到差分端口2的差模增益。

我们也可以通过以下公式来表示2端口差分输入和输出的S参数关系。

以上公式中输入ad1是a1端口的差分输入,ac1是a1端口的共模输入。输出端口也适用相同解释。

我们已经了解到通过S参数可以描述不同的网络。PLTS软件可以用于描述不同测试夹具、背板及不同电路元件的S参数,也可以对S参数进行计算和去嵌等操作。

S参数通常使用网络分析仪或者带TDR和TDT选项的采样示波器测量得到。另外也可以使用电磁仿真软件比如HFSS、ADS、Power SI等对电路元件进行建模提取。

所有工具生成的S参数文件都以touchstone格式存在,它是用于描述S参数的一种标准文件格式,后缀以.SNp结尾,N表示不同的端口数。比如2端口则后缀是.s2p,4端口后缀是.s4p。

图10是典型touchstone文件实例。

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图10 2端口touchstone文件

数据使用特定格式表示,从左到右依次是频率值、S11幅值、S11相位、S21幅值、S21相位、S12幅值、S12相位、S22幅值、S22相位。

PLTS还可以导入测量或提取的S参数后观察特定数据速率下的眼图(注意它使用通用IBIS-AMI模型)。

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图11 PLTS中观察S参数对应的眼图


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