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参数简介在信号完整性领域，S-参数又被称为行为模型，因为它可以作为描述线性、无源互连行为的一种通用手段，它的适用范围包括了除一些铁氧体以外的所有互连。一般而言，信号作为激励作用于互连时，互连的行为会产生一个响应信号。在激励-响应波形之中，隐含着的就是互连的行为模型。S参数右图所示，主板上的很多无源器件都可以用S参数来描述，如：●电阻●电容●连接器●PCB板走线●线缆参数简介当一个波形输入到互连时，它可以从互连散射回去，也可以散射到互连的其它连接处。下图的1端口网络描述了这一现象。S-参数中的S就是表示散射(scattering)的意思。PCB走线作为待测网络DUT，在DUT的左侧加上端口,且在端口处加上一定频率的正弦波激励，当端口的阻抗与走线阻抗不一致时入射波将会在此处发生反射，另外还有一部分透射波将继续向前传播。其中发射波和透射波都携带了各自的幅值和相位信息。S参数基本原理参数描述了互连对入射信号影响的情况，我们把信号进入或离开待测元器件(DUT)的末端称作端口。端口是到DUT信号路径和返回路径的一种连接。理解端口最简单的想法就是把它看作是到DUT的一个同轴连接。除非另有说明，信号看到在DUT之前互连的内部阻抗都是50Ω，原则上端口阻抗可以是任意值。PORT某个端口上的正弦波的比值。对于所有线性、无源元件而言，散射波的频率和入射波的频率完全一样。正弦波唯一可以改变的两个属性就是散射波的幅度和相位。S参数表达式参数都是输出正弦波和输入正弦波的比值：两个正弦波的比值其实是两个数。幅度是输出和输入正弦波幅度的比值，相位是输出和输入正弦波的相位差。S参数的幅值就是幅值的比值：因为每个S参数的幅值都是从0到1的数，所以经常用dB加以描述。dB表示的是两个能量的比值。而S参数是两个电压幅值的比值，所以在dB值和幅度值之间相互转换的时候，要使用系数20：参数的相位是输出波减去输入波的相位差：当t=0时，我们测得的输入波的相位为0当t=d/v时，我们测得的输入波的相位为0+d*ω/v当t=d/v时，我们测得的输出波的相位为0根据相位（S）=相位（输出正弦波）-相位（输入正弦波）=0-(0+d*ω/v)=-d*ω/v，得S21参数的相位为-d*ω/v的幅值和相位曲线，幅值曲线由于用dB表示，在0Hz的时候为0db表示从1端口入射的能量全部到达2端口处，没有任何反射和损耗，而在高频处的时候达到2端口的能量由于反射或者损耗等因素逐渐减小，从曲线也可以明显看得出来。S参数就是表征了被测物对不同频率的响应，或者说是被测物在频域的传递函数。相位曲线看起来比较有意思，看起来具有周期性锯齿波形的特点，它实际上是未展开的相位值。~180之间，但是推导出S21的相位为-d*ω/v，显然随着频率的增大S21的相位肯定会超过-180度，但是由于我们平时相位范围都指0~2π或者-π~π，所以会出现这种锯齿状的相位，而实际相位可以表示为：-2nπ+相位（S），其中n=1，2，3。。。对应着周期数。相位（S）为未展开的相位展开的相位还未展开的相位根据S21的相位为-(d*ω)/v，可以算出传输延时212*psf这里的必须为展开的相位参数，如下图所示为4端口网络。公式中j，k分别为端口编号，从公式中可以看出S21则为在2端口输出的正弦波与从1端口输入的正弦波的比值。11121314212223243132333441414344SSSSSSSSSSSSSSSS参数：S11，S12，S22，S21。其中每个矩阵元素都是随频率而变化的复数。一般情况下称S11的为回波损耗，而称S21为插入损耗。之间有特定联系。虽然S参数是电压比，不存在电压守恒定律，但存在能量守恒定律。如果互连损耗很低，而且和相邻走线之间没有耦合，也没有电磁辐射，那么进入互连的能量就等于反射能量与传输能量之和，并可以用下式表示：从上式可知，当S11在某些频点足够大的时候，S21将会对应的减小参数●每个S参数都是输出正弦波形和输入正弦波形的比值。它表示在定义的频域范围内，正弦波形通过互连时的行为。●反射S参数，S11,S22包含了互连阻抗不连续性的信息。●传输S参数，S21,S12包含了损耗、不连续、与其它线耦合的一些信息。●频域中的S参数是对互连的一个全面的、完整的、稳态响应的测量，当变换到时域时，S参数可以提供有关互连的空间信息。如下图所示为一均匀有损传输线的S11曲线，其中端口阻抗为50欧，传输线特性阻抗为60欧，从曲线上看到S11的波峰和波谷的幅值在不断的变小，最后将收敛于某一值，那么这个值到底是什么？参数对于最常见的传输线模型，我们一般用二端口网络或者四端口网络表示（差分线），四端口网络经过一系列计算后也可以等效看成二端口网络，下图为二端口网络示意图12中选择一均匀无损的传输线作为二端口网络，其中传输线的特性阻抗Z=25Ohm，传输线两端加上端口，端口阻抗为50Ohm。上图中为该传输线网络的S11与S21曲线，从曲线里可以看到S11与S21有很多大的或者小的纹波。这些纹波究竟是如何产生的？单端传输线S参数λ/4当Lλ/4时低频的正弦波相对于走线可以近似看为直流，无反射情况出现，这时S11为最小值，S21为最大值=λ/4当L=(n/2+1/4)λ时(n=0,1,2,3…)反射信号的相位相同，两者相加，S11为最大值传输信号的相位相反，两者相加，S21为最小值=λ/2当L=(nλ/2)时(n=1,2,3…)反射信号的相位相反，两者相加，S11为最小值传输信号的相位相同，两者相加，S21为最大值，S11曲线中波峰和波谷的值是在不停的变化，根据前面分析的内容可以得到损耗是如何带来这种变化在走线上传输的反射信号由于损耗带来了幅值减小，损耗随着频率增大而增大，导致了S11谐振点幅值的变化。幅值收敛的值从上面的推论中可以得出应该是第一次反射的值，即端口与走线接口处的反射系数。为了能够更清楚的观察，把走线长度增加，扫频的最大值增大，这样可以看到收敛的值大概在-20db左右。对端口与走线接口处反射系数进行计算，得出来的S11值基本与仿真出来的结果基本吻合。：插入损耗●传输信号的幅值与相位●阻抗不连续、损耗和辐射●谐振点由多个传输信号叠加形成S11：回波损耗●反射信号的幅值与相位●阻抗不连续●谐振点由多个反射信号叠加形成●带有一部分损耗=TimeDomainReflectometry时域反射计原理：给DUT注入一个阶跃信号，当传输路径中发生阻抗变化,部分能量会被反射,剩余的能量会继续传输。注入到媒介的能量、反射回的能量与阻抗的变化有理论上的数学关系。只要知道发射波的幅度及测量反射波的幅度，就可以计算阻抗的变化。系统观察到入射信号和反射信号在信号源处叠加根据反射信号、入射信号和参考阻抗可以得到DUT的随时间变化的阻抗，即TDRZ。对于理想的均匀传输线来说，习惯上将TDRZ称为特性阻抗。很多资料和书上都提到用RLGC来描述传输线的特性阻抗。此特性阻抗=彼特性阻抗特性阻抗：频域or时域？特性阻抗原本为频域中的概念，指的是窄带信号（正弦波）在均匀传输线上所感受到的阻抗，特性阻抗由RLCG组成（其中ω为正弦波的角频率）时域中的TDRZ是由阶跃信号在均匀传输线上所感受的阻抗，阶跃信号为宽带信号（数字信号），它可以由多个正弦谐波组成。从上述来看TDRZ与频域中由RLCG定义的特性阻抗并不是一回事，但是由于宽带信号可以由窄带信号叠加而成，且在某些条件下两者的值非常相近，所以他们之间也有一定的联系。：回波损耗●频域●阻抗不连续●TDRZ：tdr阻抗●时域●阻抗不连续●Relation？：阶跃信号的傅里叶变换IFFT:快速傅里叶反变换Zref：参考阻抗或测试线缆阻抗1：阶跃信号的初始电压值S参数为信道的传递函数S11:信道反射传递函数S21:信号传输传递函数均匀传输线的阻抗会变化么？频域0-1Ghz：由于趋肤效应，内部电感变小阻抗变小1Ghz以上：阻抗趋于平缓时域随着时间的增加阻抗逐渐增加TDRZS11增函数可得反射信号幅值或者反射系数随时间逐渐变大：阶跃信号TLIND:参考线缆，阻抗50欧，延时0.5nsS2P:均匀传输线S参数，传输线阻抗约为60欧左右验证Vreflected的值是否随着时间逐渐增加？从曲线上看出反射电压的幅值随着时间逐渐增加传输线上的阻抗发生了变化，尽管传输线为均匀结构无损均匀结构传输线从曲线上看出反射电压的幅值随着时间没有变化损耗造成了传输线阻抗增加，从而造成反射电压增加传输线的损耗并没有改变传输线的物理结构，但是减缓了阶跃信号的上升沿TDRZ的值与信号上升沿有关，上升沿变缓，TDRZ增大：●由阶跃信号入射电压与反射电压定义●与被测物的物理结构和信号的上升时间有关●均匀传输线的TDRZ不同于频域里RLCG定义的特性阻抗S11：●S参数为频域里的传递函数●S11为频域里的反射系数●S参数经过傅里叶反变换转成时域波形relationship1111()*(1(*))/(1(*))TDRZtZrefIFFTSinputIFFTSinput