高人圖文解說S參數(shù)（進(jìn)階篇）

2016-09-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(huì)被一些問題困擾著。你懂S參數(shù)嗎? 請(qǐng)繼續(xù)往下看...圖文獨(dú)特講解!

本文目錄:

前言
個(gè)別S參數(shù)與串聯(lián)S參數(shù)的差別
雙埠S參數(shù)對(duì)地回路效應(yīng)的處理
兩個(gè)2-port S參數(shù),有可能組成一個(gè)4-port S參數(shù)嗎?
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?
Port阻抗的設(shè)定,對(duì)S參數(shù)本質(zhì)上,與S參數(shù)的使用上,有沒有影響?
Export S參數(shù)模型時(shí),有沒有做port renormalize to 50 ohm,對(duì)使用S參數(shù)有沒有影響?
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(shí),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(huì)被一些問題困擾著。你懂S參數(shù)嗎? 請(qǐng)繼續(xù)往下看...

2. 個(gè)別S參數(shù)與串聯(lián)S參數(shù)的差別

問題1:為何有時(shí)候會(huì)遇到每一段的S參數(shù)個(gè)別看都還好,但串起來卻很差的情況(loss不是1+1=2的趨勢(shì))?

Quick answer :如果每一線段彼此連接處的real port Zo是匹配的,那loss會(huì)是累加的趨勢(shì),但若每一線段彼此連接處的real port Zo差異很大,那就會(huì)看到loss不是累加的趨勢(shì),因?yàn)榇拥慕用嫔蠒?huì)有多增加的反射損失。

2.1 下圖所示的三條傳輸線

Line1是一條100mm長(zhǎng),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(zhǎng)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(zhǎng)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

動(dòng)圖

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(gè)別看的S參數(shù)之累加差一些

動(dòng)圖

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(shí)也有影響。

2.2 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(fèi)性電子產(chǎn)品很常見的應(yīng)用條件。

黃色是高速的差動(dòng)對(duì)訊號(hào),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。

HFSS 3D Layout模擬結(jié)果

3. 雙埠S參數(shù)對(duì)地回路效應(yīng)的處理

問題1:RLC等效電路可以估出訊號(hào)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(gè)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(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(shí),可以選擇該S參數(shù)的電路符號(hào)要不要有每一個(gè)port的reference ground (negative terminal),或是使用common ground,使用common ground是否表示把每個(gè)port的negative terminal短路,會(huì)忽略地回路的寄生效應(yīng)嗎?

Quick answer: 使用common ground,并不會(huì)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)。

4. 兩個(gè)2-port S參數(shù),有可能組成一個(gè)4-port S參數(shù)嗎?

Quick answer : No. 一個(gè)2-port S參數(shù),內(nèi)涵2x2 (4) matrix單元,即S11, S12, S21, S22,而一個(gè)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(gè)2-port S參數(shù),并不足以充分且唯一定義一個(gè)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(gè)4-port S參數(shù)可以簡(jiǎn)化(reduce order)分離出兩個(gè)2-port S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(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(huì)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(shí),才會(huì)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(gè)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(shí),就必須考慮。

6. Port阻抗的設(shè)定,對(duì)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(huì)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(duì)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(shí)候有影響。

打個(gè)比方,在SIwave v4.0很早期的文件,會(huì)建議訊號(hào)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(shí)域模擬結(jié)果不同的情況,建議您可以試試SIwave.

7.Export S參數(shù)模型時(shí),有沒有做port renormalize to 50ohm,對(duì)使用S參數(shù)有沒有影

Quick answer :No

8. 問題與討論

8.1 S參數(shù)無法匯入怎么辦?

Ans:首先檢查tool是否反饋任何錯(cuò)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(huì)出現(xiàn)這種烏龍錯(cuò)誤,通常是有人手動(dòng)編輯去修改S參數(shù)造成。

8.2 S參數(shù)因?yàn)閜ort數(shù)過多導(dǎo)致模擬耗時(shí)怎么辦?

Ans:遇到S參數(shù)模擬耗時(shí),首先我會(huì)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(huì)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(huì)節(jié)省不少時(shí)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)

8.3 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(gè)port的reference impedance都要是相同的50ohm. 以SIwave為例:

以Designer內(nèi)NdE (Network Data Explorer)為例

不管原本在SIwave或HFSS的port設(shè)定是否有指定renormalize,最后要export時(shí)還可以再?zèng)Q定要不要overwrite renormalize

8.4 Touchstone file可以設(shè)定noise data,那是什么東西,何時(shí)使用?

Ans:這是在TS1.0就有定義的功能,可以對(duì)Touchstone file附加noise data定義,一般用于主動(dòng)組件的S參數(shù)模型

當(dāng)你在Designer匯入S參數(shù)模型時(shí),可以右鍵單擊[Edit Model]檢視noise data (如果有的話).

8.5 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(gè)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(shí),此時(shí)原本沒有參考平面的BGA上走線,會(huì)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。

動(dòng)圖