S参数容易出现疑惑的六个地方详解

电子工程师 2021-03-29 4156

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描述

S参数是表征高速互联行为特性的标准参数，参数具有完整的数学定义，这没有歧义。但是，当要将S参数的数学定义转换为互连电气特性的实际解释时，会出现一些容易疑惑的地方。

在本文中，我们了总结S参数容易出现疑惑的六个地方，并给出了详细解释。

疑惑1

S参数的适用对象

S参数是“散射"参数的缩写，是对进入被测器件（DUT）的散射电压波与入射电压波之比的度量。S参数源自频域中的网络分析方法，在频域中电压波指的是正弦波。

输出与输入之比是一个传递函数，它描述了系统对输入正弦波的响应。

正弦波只有三个参数：

频率

幅度

相位

当我们测量高速互连对正弦波的响应时，我们假设互连满足三个重要特征：

无源的-没有增益，只有损耗

线性的-互联不改变输入正弦波的频率

时间不变的-静态的，在测量过程中几何形状和其他特征未发生变化

这意味着当我们发送1 GHz的正弦波给DUT时，我们得到的也只是正弦波，唯一改变的是幅度和相位,在频域中对正弦波的描述是一个复数，具有实部和虚部或幅值和相位。它们的复杂性质和用来描述它们的复杂数学公式有时也会引起混乱。

疑惑 2

S参数的适用对象

以两个相同频率的正弦波相比得到一个复数，幅度是输出波与输入波的幅度之比，相位是输出波与输入波之间的相位差。我们可以使用以下三种方式中的任何一种，在整个频率范围内绘制复数的值：实数和虚数、极坐标以及幅度和相位。这三种方式的示例如图1所示，三者的本质内容是完全相同的，只是显示方式不同，这有时这也会引起混乱。

S参数

疑惑3

端口阻抗的理解

端口是到DUT的连接，我们在其中测量正弦波信号，考虑端口的方法是将它理解为具有特定特性阻抗的同轴电缆连接器，并且既连接到的信号又连接到返回路径，如图2所示。

如果不设计与返回路径的连接，则信号将自己找到一条路径，你可能不喜欢它找到的路径。

疑惑 4

端口阻抗的设定和影响

端口是测量或仿真的系统的一部分，入射信号和可能的反射信号将同时在同一端口中传播，并且不会相互影响。提取S参数的系统将分离出入射和反射的信号。

端口阻抗与DUT一样重要，都会影响S参数，除非有很强的合理理由，否则请始终使用50欧姆。如果使用其他的端口阻抗，它将会在Touchstone文件中标识，但是S参数的形状和样式将有所不同。

疑惑5

S参数的端口标识

S参数是“散射"参数的缩写，是对进入被测器件（DUT）的散射电压波与入射电压波之比的度量。S参数源自频域中的网络分析方法，在频域中电压波指的是正弦波

当有多个连接到DUT的端口时，我们会使用从开始的唯一连续索引号来标识它们。原则上，只要标识的方式保持一致，连接到DUT的端口的索引号就不重要，但在实践中，我发现这一问题是错误解释的根源

端口索引号很重要，因为这是我们标记每个S参数元素的方式。例如，在DUT上有四个端口，进出端口共有16种组合。

我们使用分配给端口的索引号作为唯一标识每个S参数元素的方式。由于每个 S参数元素。

按照一般的理解，将进入端口1并从端口 S参数称为S12，不是合理的吗？

但是由于S参数背后的矩阵数学运算，这不是标记S参数元素的正确方式。输出端口是第一个索引，输入端口是第二个索引。此此S参数应该被标识为S21。

疑惑 6

如何识别S参数的端口分配

如果DUT有一个或两个端口，则只有一种分配端口的方法。但是，如果有四个端口，则会有多个可能的分配方案，图3显示了4端口DUT两种可能的端口分配方式。

所使用的端口分配不同，对S参数的解释就会不同，如果使用方法A，则插入损耗为S21。如果使用方法B，则插入损耗为S31。如果S参数模型用于电路仿真中，而不查看文件，则会得到错误的仿真结果，如果注意到仿真看起来不对劲，可能会浪费大量的时间来试图使结果合理化。

判断S参数模型使用的端口分配的方法是查看S参数，图4显示了性能很差的互连的示例，此互连具有不同的端口分配。如果S21看起来像插入损耗，从低频0 dB开始单调下降，则端口分配为方法（右）。如果是S31是这样的状况，则为方法B（左），无论哪种方式，插入损耗都很容易识别。

原文标题：【行业知识】S参数理解中常见的六个疑惑

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责任编辑:haq

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