S参数的定义
关于S参数的定义,查找相关的资料整合出两种说法:
1、S参数表征的是信号在互连被测端口之间的行为模型,这里的互连电气行为就是散射,包括散射回源端,散射到另一个端口等,这里的互连不仅仅是传输线,还有连接器和电缆等。
2、S参数表征的是信号经过传输线从一个端口到另一个端口性能情况,需要注意的是传输线的两端是需要做阻抗匹配的,默认的阻抗50 Ohm。
对于产品的无源结构,比如电源分配网络(PDN),信号传输线等,这些都是线性时不变的系统,不管系统内部如何,只要端口上测得相关参数,就可以完全描述该系统的特性。
关于端口测试,常见的时域测量TDR时域反射计,频域测量VNA网络分析仪,不管时域还是频域,都有注意的问题。时域测量,会存在寄生效应,对测量结果产生影响,频域测量,需要关注去嵌的问题。
S参数的公式
信号的传输就是能量传输,端口S参数是以功率来表征:P=U^2/R。端口是默认匹配的,R值是相等的,以此推算出S11=Vin/Vout。下
S参数的相关公式都有一个注明条件,比如a2=0,这说明a2需要端接匹配,否则就会存在信号反射。
除了上图,S11用输入输出电压来表示,默认传输线和端口的阻抗匹配,根据电压公式也可推导:
S11表征端口的反射特性,S out/in就是先输出后输入。
搭建相关电路图,来验证公式:
根据公式计算出S11=0.25,和仿真得出的结果一致。
除了上面所说的电压和电压的表现形式,常见S参数的就是dB加以描述,这是因为S参数的幅值是0~1之间的数,上述S参数公式是输入输出电压的幅值比值,dB可以对应电压幅值与其对应的功率比值有关,可以得出相关公式如下:
常见的比值需要了解,后面的工作会经常遇到,简单来说,就是dB绝对值越大,反射越小。
S参数的特征
下图为S参数的Touchstone 文本格式:
文件里包含关键信息,比如频率,S参数,幅度与相位角,端口参考阻抗,接下来就是对应不同频点,S11,S12包含相关信息,这些格式和信息都是标准的。S参数包含这个电气行为模型所有无源信息。
S参数是随频率发生变化的复数,以两端口单端信号为例,S11称为反射系数,幅度的绝对值(dB为单位)代表回波损耗,S21=S12称为传输系数,幅度的绝对值(dB为单位)代表插入损耗,S31=S13幅度的绝对值(dB为单位)代表近端串扰,S41=S14幅度的绝对值(dB为单位)代表远端串扰。
一般来说,端口的排序没有相关规定,可以任意排序,但一般常见就是左奇右偶。
下面是基于理想传输线得出的S参数仿真波形,对S参数的幅值和相位有直观体现:
简单来说:
S11和S21的dB曲线存在周期性不断变化的波动
S11的相位是从90°跳变成-90°,相互之间来回跳变
S21的相位是从0°到-180°再到180°的跳变
相关资料给出的S参数的测试波形: