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【进阶篇】RF工程师必须掌握:从浅入深解说S参数

1、前言

S参数是SI与RF领域工程师必备的基础知识,大家很容易从网络或书本上找到S,Y,Z参数的说明,笔者也在多年前写了S参数 -- 基础篇。但即使如此,在相关领域打滚多年的人, 可能还是会被一些问题困扰着。你懂S参数吗? 

2、个别S参数与串联S参数的差别

问题1:为何有时候会遇到每一段的S参数个别看都还好,但串起来却很差的情况(loss不是1+1=2的趋势)?

Quick answer : 如果每一线段彼此连接处的real port Zo是匹配的,那loss会是累加的趋势,但若每一线段彼此连接处的real port Zo差异很大,那就会看到loss不是累加的趋势,因为串接的接面上会有多增加的反射损失。

(1)下图所示的三条传输线

Line1是一条100mm长,特性阻抗设计在50ohm的微带线,左边50mm,右边50mm。

Line2也是一条100mm长的微带线,左边50mm维持特性阻抗50ohm,但右边50mm线宽加倍,特性阻抗变 小到33。

Line3也是一条100mm长的微带线,左边50mm维持特性阻抗50ohm,但右边50mm线宽加倍,特性阻抗变 小到33,且呈135o转折。

观察Line1的S21发现,左右两段的S参数有累加特性

观察Line2, Line3的S21发现, 整条线的S参数比起左右两段个别看的S参数之累加差一些

问题2:为何各别抽BGA与PCB的S参数后,在Designer内串接看总loss,与直接抽BGA+PCB看S参数的结果不同?

Quick answer : 这与结构在3D空间上的交互影响,还有下port位置有时也有影响。

(2)下图所示是两层板BGA封装,放上有完整参考平面的PCB两层板, 这是在消费性电子产品很常见的应用条件。

黄色是高速的差动对讯号,其在PCB上走线的部分,有很好的完整参考平面,但在BGA端则完全没有参考平面。

HFSS 3D Layout模拟结果

3、双埠S参数对地回路效应的处理

问题1:RLC等效电路可以估出讯号线与地回路每一段的RLC特性,但S参数却不行,原因是什么? S参数带有地回路的寄生效应吗?

Quick answer : RLC等效电路是terminal base model,而S参数是port base model,后者看的昰一个port的正负两端之间的差值。所以S参数虽然有含地回路(return path)寄生效应,但无法单独分离出地回路的影响。

问题2:在Designer汇入S参数模型时,可以选择该S参数的电路符号要不要有每一个port的reference ground (negative terminal),或是使用common ground,使用common ground是否表示把每个port的negative terminal短路,会忽略地回路的寄生效应吗?

Quick answer : 使用common ground,并不会把return path两端short,S参数本身已经内含地回路的效应。


4、两个2-port S参数,有可能组成一个4-port S参数吗?

Quick answer : No. 一个2-port S参数,内涵2x2 (4) matrix单元,即S11, S12, S21, S22,而一个4-port S参数,需内涵4x4 (16) matrix单元。所以明显的,当有两条线的两个2-port S参数,并不足以充分且唯一定义一个4-port S参数,即这两条"之间"的近端耦合与远程耦合条件并未被定义。换言之,一个4-port S参数可以简化(reduce order)分离出两个2-port S参数,但反之不然。

5、全3D模型的S参数,与分开的3D模型S参数串连的差别

常见的问题是:封装与PCB板单独抽S参数后,再于电路仿真软件串接S参数,这样的做法跟把封装与PCB直接在仿真软件中3D贴合抽S参数会有怎样的差异?

Quick answer : 封装与PCB间在Z轴上的空间耦合路径,只有把封装与PCB直接在仿真软件中3D贴合抽S参数时,才会被考虑。这样的做法当然是最准的做法,但需不需要每个案子都一定 非得这么做不可,其实取决于结构与带宽考虑。当这条路径的耦合效应影响,在您所设计的结构下,在一定带宽以上的影响不能被忽略时,就必须考虑。


6、Port阻抗的设定

Port阻抗的设定,对S参数本质上,与S参数的使用上,有没有影响?

Quick answer : 虽然renormalize不同的port阻抗,会得到不同的S参数曲线,但该N-port model所定义的物理效应本质上是相同的。所以对于model的使用,理论上没影响,但实际上 因为tool的transient analysis的数值处理能力(fitting ability)不同,有些时候有影响。


打个比方,在SIwave v4.0很早期的文件,会建议讯号的port阻抗设50ohm,而电源的port阻抗设0.1~1ohm,但目前的SIwave其实就不需要特别这么做,即你可以延续之前的设定习惯,或是全部都renormalize 50ohm,SIwave吐出的S参数代到Designer去用,都可以得到一样的结果。如果您使用其他的tool有遇到设不同的port阻抗,得到时域模拟结果不同的情况,建议您可以试试SIwave。

 

7、Export S参数模型时

Export S参数模型时,有没有做port renormalize to 50ohm,对使用S参数有没有影

Quick answer : No

8、问题与讨论

(1) S参数无法汇入怎么办?

Ans:首先检查tool是否反馈任何错误讯息,再来以文本编辑器打开该S参数,检查其频点描述定义是否是递增排列(frequency monotonicity)。会出现这种乌龙错误,通常是有人手动编辑去修改S参数造成。

(2) S参数因为port数过多导致模拟耗时怎么办?

Ans:遇到S参数模拟耗时,首先我会检查该S参数是否有passivity与causality issue,或是在Designer模拟过程中,注意看看是否在state-space fitting process卡很久。遇到多埠S参数,则试着转成state space model (.sss),仿真速度会加快不少,而透过SIwave或NdE转state space model的程序中,建议只勾enforce passivity,不用勾enforce causality,这样也会节省不少时间。(因为state space algorithm本身就满足primitive causality,所以不用担心其因果性问题)

(3) Toushstone1.0(TS1.0)与TS2.0主要有何差别?

Ans:TS2.0 (.ts)支持mixed reference impedance,而TS1.0 (.snp)每个port的reference impedance都要是相同的50ohm. 以SIwave为例:

以Designer内NdE (Network Data Explorer)为例

不管原本在SIwave或HFSS的port设定是否有指定renormalize,最后要export时还可以再决定要不要overwrite renormalize

(4)0Touchstone file可以设定noise data,那是什么东西,何时使用?


Ans:这是在TS1.0就有定义的功能,可以对Touchstone file附加noise data定义,一般用于主动组件的S参数模型。


当你在Designer汇入S参数模型时,可以右键单击[Edit Model]检视noise data (如果有的话).

(5)为何在2.2的例子,BGA与PCB各别S参数的loss累加(-0.29-0.8=-1.09)反而是比整个3D model一起看所得到的S参数(-1.06)来的差?

Ans:当BGA与PCB做3D结合的条件下去抽S参数时,此时原本没有参考平面的BGA上走线,会看到一些PCB上的平面透过solder ball所贡献的些微回流路径效应。这点我们也可以透过观察Z11(Z profile)来验证。

来源:EDN电子技术设计

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