S參數應用技巧-正確分配端口號

元器件通過互連線組建成電路，常見的互連線包括電纜、PCB走線、接插件、芯片封裝等等。當信號頻率比較低時，這些互連線對信號是透明的。當互連線的物理尺寸大于1 / 4信號波長時，它對信號的反射和相位時延已不能忽略，需要將其視為傳輸線(Transmission Line)。S參數是描述傳輸線電氣特性的理想模型，已成為射頻領域、信號完整性領域的事實標準。S參數可以由仿真軟件產生，也可以由儀器對實物測量得到，比如力科公司的信號完整性網絡分析儀SPARQ。無論何種途徑得到的S參數文件，都是Touchstone格式的數據矩陣。

用S參數描述互連線，首先需要定義互連線的端口號。例如一條電纜被視為兩端口，電纜兩端分別標注為端口1和端口2，那么描述它的S參數包含4組數據：

S11：端口1的回波損耗

S21：從端口1到端口2的插入損耗

S12：從端口2到端口1的插入損耗

S22：端口2的回波損耗

無源的互連線兩端是對稱的，所以S11=S22,S12=S21.

圖 1 插入損耗S21和回波損耗S11

從圖 1可以看出這樣一個明顯的特點：插入損耗S21在低頻段接近于0dB，回波損耗S11在低頻段是比較大的負值(分貝表示)。這符合互連線的物理特點：低頻信號的大部分能量都能通過互連線，被反射的能量很小。這個特點能夠幫助我們從S參數數據中快速辨認出插入損耗。

Touchstone標準定義了S參數的數據格式，但卻沒有定義如何對端口編號。對于兩端口無所謂，對于多端口，則有多種編號方式。例如用四端口S參數來描述一對PCB差分走線，有下面兩種編號方式：

在方式1下，S21是插入損耗，S31是近端串擾。在方式2下則反過來了，S21是近端串擾，S31是插入損耗。無論按哪種編號方式產生的S參數文件都是可用的，但卻容易對使用者造成困惑。工程師可能使用來源不同的S參數文件來做電路仿真。這些S參數的編號方式如果不統一，端口很可能被錯誤連接。仿真結果自然完全錯誤。雖然可以按前文所述特點來辨認插入損耗，但很麻煩。

另一種可能的情況是，工程師更愿意以差分的視角來描述一對走線，因此利用軟件將4端口單端S參數轉換為2端口混合模式S參數也是常事?；旌夏Ｊ絊參數含有兩組主要的數據：

SDD11 (SD1D1)：1端口的差分回波損耗

SDD21 (SD2D1)：1端口到2端口的差分插入損耗

如果是按方式2編號的單端S參數，很多軟件轉換得到的混合模式S參數，其SDD11為差分插入損耗，SDD21為差分回波損耗。這和傳統習慣不符，更容易引起混亂。

因此，我們建議，無論是用仿真軟件生成，還是用信號完整性網絡分析儀SPARQ測量S參數，統一將左側端口用奇數編號，右側用偶數編號，如下圖：

圖 3 正確的編號規則

這種編號方式也便于擴展。例如上圖是三對差分線，如果要補上第四對差分線，只需要增加編號13 到16，不影響以前的端口編號。

用力科信號完整性網絡分析儀SPARQ 測量一對差分線的混合S 參數，按我們建議的端口分配方法，設置界面

如圖 4:

圖 4 在SPARQ 軟件中分配混合模式S 參數端口

由此測量得到的混合模式S 參數矩陣按圖 5 所示?？煞譃樗膫€象限，左上和右下象限分別描述了互連線對差

分信號和共模信號的行為，右上和左下象限描述了互連線對差分和共模信號的模式轉換行為。統一按此規則排列，

方便工程師快速解讀混合模式S 參數。

圖 5 混合模式S 參數矩陣的四個象限

如果你獲取到的S 參數文件已經是容易引起困惑的編號方式，可以從力科公司網站上免費下載SPARQ

軟件，將S 參數的端口重新分配，也能在單端和混合模式之間轉換。如下圖：

圖 6 利用SPARQ軟件轉換S參數文件的端口號和模式

正確地為S參數端口編號能提高工作效率，用力科信號完整性網絡分析儀SPARQ能快速準確地測量S參數、處理S參數文件。為提升產品的信號完整性提供最大幫助。