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          圖文解說s參數,你get到了嗎?

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          先從最簡單的兩端口網絡來介紹S參數。兩端口待測物是黑盒子網絡,現實中它可以是電阻、電容、電感、晶體管、傳輸線等。如圖1所示是典型兩端口網絡圖。

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          圖1 兩端口網絡圖

          Zs是信號源阻抗,ZL是負載端阻抗,通常它們都是50歐姆。

          圖2所示是典型兩端口網絡信號傳輸圖。當一個正弦波信號從端口1打入進去時,一部分能量通過兩端口直接從端口2傳送出來,另一部分能量則沿著反方向反射回到信號源端。反射的發生是由于端口1的阻抗與信號源的阻抗不匹配導致。

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          圖2 簡單二端口網絡中的微波信號傳輸

          S參數是對網絡在頻域范圍內的入射功率和反射功率的一種測量。網絡在實際應用中可以形式各異,比如同軸線纜、無源天線、有源濾波器、微波濾波器等。S參數具有幅值和相位,通常幅值的單位是dB,相位的單位是度。

          S參數命名方式通常采用這種形式Smn,其中m表示輸出端口,n表示輸入端口。

          比如S21表示從端口1輸入端口2輸出的信號傳輸。

          S參數通常使用VNA網絡分析儀進行測量。VNA通過掃描輸入端的信號頻率來測量隨頻率變化的S參數,同時它內部還有方向耦合器對入射功率和反射功率進行分離。另外一種替代方法是使用時域反射儀TDR,各大儀器廠家都提供具有此功能的采樣示波器。

          正向S參數通過將輸出端結時驅動輸入端進行測量,S11是指輸出通過匹配負載端結時的輸入反射系數,它的公式表示如下:

          S11=b1/a1=反射功率/入射功率

          圖3中上面一條曲線表示的是S11。

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          圖3 S參數中S11和S21的曲線圖

          圖3中下部分表示的插損,S21的定義如下:

          S21=b2/a1, S21是指當輸出端口被端結時的正向傳輸增益。

          反向S參數通過端結輸入通過驅動輸入進行測試,如圖4所示:

          圖4 測量反向S參數時的端口設置

          端口2的回波損耗定義如下:

          S22=b2/a2=反射功率/入射功率,S22是指輸入端口1端結時輸出端2的反射系數。

          端口2輸入端口1輸出插損定義如下:

          S12=b1/a2=傳輸功率/入射功率

          S12是指當輸入端口使用同匹配負載端結時反向傳輸增益。圖5上面部分表示典型的S22下面部分表示典型的S12。

          圖5 典型S22和S12曲線

          至此我們可以對2端口的輸入、輸出及S參數之間關系進行描述。圖6所示是它們之間關系的圖形表示。

          圖6 典型2端口S參數關系

          在繼續討論S參數之前,我們先來回顧不同的測量方法。先考察一下如圖7所示的差分放大器。

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          圖7 差分放大器

          在差分系統中,比如這種放大器,共模信號相位相同而差模信號相位相差180度。輸入端口看成是差分輸入和輸出(以+和-來區分)。對于差分放大器:

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          共模抑制比CMRR=ACM/AD

          CMRR用于衡量共模輸入轉換到輸出的量,對于差分放大器來說通常較小。

          差分信號傳輸通常用于高速串行數據通信鏈路?;诖?,我們必須對4端口S參數也做一些調查和分析,4端口網絡也可以看成是2端口差分網絡。首先我們來看一下如圖8所示的4端口單端網絡。

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          圖8 4端口S參數測量裝置

          對4端口S參數的測量同2端口S參數類似,只是測量出來的項更多。它通常以下面4*4矩陣形式出現。

          對于差分測量來說它更為復雜,我們需要使用混合模式來表示S參數。如圖9所示是混合模式S參數的測量裝置。測量時我們需要注意差分線間的電磁耦合會對測量結果產生影響。同時模式轉換也會影響共模轉差模以及差模轉共模。

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          圖9 混合模式S參數測量裝置

          通過先測量出來的4端口S參數,我們也可以使用矩陣運算求解出混合模式S參數。具體計算公式可以在網絡上搜索,有現成的公式。轉換后的輸出矩陣如下所示:

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          通常有如下四種混合模式S參數:

          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表示為從差分端口1到差分端口2的差模增益。

          我們也可以通過以下公式來表示2端口差分輸入和輸出的S參數關系。

          以上公式中輸入ad1是a1端口的差分輸入,ac1是a1端口的共模輸入。輸出端口也適用相同解釋。

          我們已經了解到通過S參數可以描述不同的網絡。PLTS軟件可以用于描述不同測試夾具、背板及不同電路元件的S參數,也可以對S參數進行計算和去嵌等操作。

          S參數通常使用網絡分析儀或者帶TDR和TDT選項的采樣示波器測量得到。另外也可以使用電磁仿真軟件比如HFSS、ADS、Power SI等對電路元件進行建模提取。

          所有工具生成的S參數文件都以touchstone格式存在,它是用于描述S參數的一種標準文件格式,后綴以.SNp結尾,N表示不同的端口數。比如2端口則后綴是.s2p,4端口后綴是.s4p。

          圖10是典型touchstone文件實例。

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          圖10 2端口touchstone文件

          數據使用特定格式表示,從左到右依次是頻率值、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還可以導入測量或提取的S參數后觀察特定數據速率下的眼圖(注意它使用通用IBIS-AMI模型)。

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          圖11 PLTS中觀察S參數對應的眼圖


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