S参数与信号完整性-看看托起信号完整性半边天的知识

yuju · 发表于 2015-10-13 14:44

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本帖最后由 yuju 于 2015-10-13 14:47 编辑

S参数与信号完整性
来自恩硕科技

概述
S参数全称是散射参数（Scatter Parameters, S-parameters）,最早应用于微波和射频工程领域，由于其自身的“黑盒”特性以及频域属性，使其得以在高频领域得到广泛地应用。目前，S参数已经能够描述电阻、电容、PCB走线、电源地平面、回流路径、封装、插座、接插件、线缆等的频域属性。

今天，我们一起聊聊S参数在信号完整性中的应用。

1单端口S参数

对于单个端口，只存在一组S参数即S11，一般又称为单端S参数。开路S参数虽然只用了一个端口，但是对于PCB走线而言，单端开路S参数却包含了许多重要信息：如信号频域反射情况、信号延时程度、介质损耗程度、特性阻抗稳定性情况等。如下图：

上图中蓝色三角形图为软件自带FR4参数的仿真结果，棕色圆点图为测试结果，红色方块图为对FR4参数进行修正后的仿真结果，可以看到仿真结果和测试结果在4GHz以下都可以吻合的很好。但是高频（2.8GHz~5GHz）幅值存在一定的偏差，并且试验值略大于仿真值，也就是说试验中信号反射比仿真更严重，受实验操作以及接口条件等因素的影响，这种偏差是符合现实情况的。

2双端口S参数

一般而言，使用最多的是双端口S参数，它包含四个量S11、S12、S21、S22，构成了最简单的S参数矩阵。

S11或者S22又通常称为回波损耗，S11反应了信号传播的反射情况，与之对应的信号完整性问题为反射及阻抗的匹配问题。利用S11曲线可以很容易地找到信号传输的 “频率共振点”（即S11的谷值频点），从而指导信号走线长度及阻抗设计。对于PCB走线的S参数而言，S11还有一个重要的特性：峰峰值（或者谷谷值）频率周期特性，如果将峰峰值（或者谷谷值）用Δf来表示，则它与传播延时的关系可用下式来计算：

根据上式，就可以精确计算信号线的传播延时。再根据微带线或者带状线传播延时计算公式，就能得到信号相对介电常数大小，从而得到介质材料的特性。

S21称为插入损耗，反映了信号的传输能力，一般要求越大越好。与S11类似，S21的一个重要特性就是其真实地反映了介质损耗和导体损耗的程度。对于阻抗连续的传输线而言，由于导体损耗相对于介质损耗要小得多，叠层材料的介质耗散因数与插入损耗的关系如下：

其中：tanδ为介质损耗因数（或者称为损耗正切），S21为插入损耗（dB），ε为介质的介电常数，Len为走线长度（in），f为频点频率（GHz）。由上式可以看出，如果信号线长度以及介质的介电常数都确定了，就可以通过S21来确定介质损耗因子的大小。

3四端口S参数

与双端口类似，对于两条点对点信号线（含参考平面），共有四个端口，对应的S参数将达到个，这时将出现多模S参数、混合模S参数等概念，常应用于差分对分析，限于本文篇幅，这里不作详细介绍。

对于信号完整性，最关心的四端口S参数是S31和S41（如下图所示），与其相对应的是信号完整性问题中的近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT），为了控制信号串扰水平，通常要求将S31、S41的幅值限制在合理范围内。

由于S参数是一个比值，并且一定在-1到1之间，为了使S参数表述更清晰，在实际中通常将其转化为dB单位形式：。通常在未做特殊说明的情况下，S参数均以dB形式表示。

总结

综上所述，S参数与信号完整性有着密切联系，其中S11能够反映信号反射及阻抗匹配问题，S12能够反映信号的传输特性，S31和S41则可以反映信号的串扰情况。此外，利用S参数还能够直接得到介质材料的相对介电常数、介质损耗等参数信息，这是一般的时域分析所不具备的。因此可见，S参数可以很好的分析信号完整性问题。