电子元器件S参数的含义和用途.doc

电子元器件S参数的含义和用途在进行射频、微波等高频电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用分布参数电路的分析方法，这时可以采用复杂的场分析法，但更多地时候则采用微波网络法来分析电路，对于微波网络而言，最重要的参数就是S参数。在个人计算机平台迈入 GHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到I/O接口，全部走入高频传送的国度，所以现在不但射频通信电路设计时需要了解、掌握S参数，计算机系统甚至消费电子系统的设计师也需要对相关知识有所掌握。S参数的作用S参数的由来和含义在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略(通常小于波长的十分之一)，这种情况下的电路被称为节点(Lump)电路，这时可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。其回路器件的基本特征为：具体来说S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都许诺具有用S参数进行仿真的能力，这其中包括安捷伦公司的ADS（Advanced Design System），ADS被许多射频设计平台所集成。在进行需要较高频率的设计时，设计师必须利用参数曲线以及预先计算的散射参数（即S-参数）模型，才能用传输线和器件模型来设计所有物理元件。电阻：能量损失（发热）电容：静电能量电感：电磁能量但在高频微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流也就不一致了。因此基本的电路理论不再适用，而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉失去了一致性，电压电流比的稳定状态固有特性再也不适用，取而代之的是“分布参数”的特性阻抗观念，此时的电路被称为分布（Distributed） 电路。分布参数回路元器件所考虑的要素是与电磁波的传送与反射为基础的要素，即：反射系数衰减系数传送的延迟时间分布参数电路必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。 微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于节点电路，Z和Y参数对于节点参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。 S参数被称为散射参数，暗示为事务分散为不同的分量，散射参数即描述其分散的程度和分量的大小。具体来说S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。 同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义，如图所示。 二端口网络有四个S参数，Sij代表的意思是能量从j口注入，在i口测得的能量，如S11定义为从Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：S11：端口2匹配时，端口1的反射系数S22：端口1匹配时，端口2的反射系数S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数对于互易网络，有：S12S21 对于对称网络，有：S11S22对于无耗网络，有：（S11）2（S12）21我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端口，Port2作为信号的输出端口，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议S110.7，即3dB。如果网络是无耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以满足S210.7的要求，但通常的传输线是有耗的，尤其在GHz以上，损耗很显著，即使在Port1上没有反射，经过长距离的传输线后，S21的值就会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消耗在路上了。S参数在电路仿真中的应用S参数自问世以来已在电路仿真中得到广泛使用。针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都许诺具有用S参数进行仿真的能力，这其中包括安捷伦公司的ADS（Advanced Design System），ADS被许多射频设计平台所集成。在许多仿真器中我们都可以找到S参数模块，设计人员会设置每一个具体S参数的值。这也和S参数的起源一样，同样是因为频率，在较低的频率时，设计师可以在电路板上安装分立的射频元件，再用阻抗可控的印制线和通孔把它们连接起来。在进行需要较高频率的设计时，设计师必须利用参数曲线以及预先计算的散射参数（即S-参数）模型，才能用传输线和器件模型来设计所有物理元件。设计师可以通过网络分析仪来实际测量S参数，这样做的好处是可以将器件装配在与将要生产的PCB相同的PCB上进行测试以得到精确的测量结果。设计师也可以采用元器件厂家提供的S参数进行仿真，据安捷伦EDA部门的一位应用工程师在文章中介绍：“这些数据通常是在与最终应用环境不同的环境中测得的。这可能在仿真中引入误差”他举例：“当电容器安装在不同类型的印制电路板时，电容器会因为安装焊盘和电路板材料(如厚度、介电常数等)而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇到类似问题(如 LNA 应用中的晶体管)。为避免这些问题，最好应该在实验室中测量S参数。但无论如何，为了进行射频系统仿真，就无法回避使用S参数模型，无论这些数据是来自设计师的亲自测量还是直接从元器件厂家获得，这是由高频电子电路的特性所决定了的。-S参数的含义S参数的含义以二端口网络为例，如单根传输线，共有四个S参数：S11，S12，S21，S22，对于互易网络有S12S21，对于对称网络有S11S22，对于无耗网络，有S11*S11+S21*S211，即网络不消耗任何能量，从端口1输入的能量不是被反射回端口1就是传输到端口2上了。在高速电路设计中用到的微带线或带状线，都有参考平面，为不对称结构（但平行双导线就是对称结构），所以S11不等于S22，但满足互易条件，总是有S12S21。假设Port1为信号输入端口，Port2为信号输出端口，则我们关心的S参数有两个：S11和S21，S11表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好，一般建议S110.7，即3dB，如果网络是无耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以满足S210.7的要求，但通常的传输线是有耗的，尤其在GHz以上，损耗很显著，即使在Port1上没有反射，经过长距离的传输线后，S21的值就会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消耗在路上了。对于由2根或以上的传输线组成的网络，还会有传输线间的互参数，可以理解为近端串扰系数、远端串扰系统，注意在奇模激励和偶模激励下的S参数值不同。需要说明的是，S参数表示的是全频段的信息，由于传输线的带宽限制，一般在高频的衰减比较大，S参数的指标只要在由信号的边缘速率表示的EMI发射带宽范围内满足要求就可以了。信息电子产品的运算速度与传输信息量大幅提升，相关电子零部件的高频特性也愈显重要。如PCB、缆线、连接器等过去被视为单纯桥接作用的零部件，为满足高频应用的需要，现有规格逐渐纳入了衰减、特性阻抗、串音、传输延迟、传输延迟时滞、隔离效果、信号抖动等高频特性的项目。本文将主要介绍S参数在高频测量中的应用。 在个人计算机平台迈入 GHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到I/O接口，全部走入高频传送的国度，于是高频参数的测量便浮出了台面。 通常高频测量必须考虑的基本项目包括下面几个： Impedance特性阻抗。我们常见的电缆/信号线有50、75、100欧姆等不同的阻抗标示，此处所指的阻抗并非直流电阻，而是所谓的特性阻抗，也就是信号传输的每一个经过驿站所面临的阻抗。 S-ParametersS参数（S11、S21、S12、S22） Propagation Delay传播延迟 SWR驻波比 Crosstalk串音 在高速传输运作下，信号载送的质量相当重要，为了获得最大的传输效率，各项高频参数将成为设计、除错改良、实际应用上的重要参考依据，并须特别注意阻抗（Impedance）的匹配问题、信号延迟时间（Propagation Delay）、时滞（Propagation Skew）、噪声（Noise）、信号损失（Loss）以及信号衰减（Attenuation）等课题。然而，这些参数不容易推算及测量，必须依靠高精密度的仪器来协助才能求得准确的数值。一般来说，在高频测试中所使用的仪器大致上有“时域反射计”（Time Domain Reflectometry）以及“网络分析仪”（Network Analyzer）。 对工程人员来说，S参数是一个重要的指标，S参数的原文名称是“Scattering-Parameter”。电磁能量是在空气等介质或导体中以电磁波形式传送，电磁波会因为回路特性阻抗的不匹配而产生信号反射。当回路内有无数个信号反射时，电磁能量分布与时间的变化就显得相当复杂。 在频率较低的场合，零部件的大小与构成信号波形的波长相比显得微小。反射波的影响相对于信号变化时间，很短时间内退出，故呈现稳定的状态。因此，可采用电压电流比的阻抗来表现器件的固有特性。一般是以“集中定数”回路来视之。也有人用节点（Lump）电路来称呼。其回路器件基本特征为： 电阻：能量损失（发热） 电容：静电能量 电感：电磁能量 然而，对于高频的元器件与回路而言，相对于元器件内部电磁波传送速度，零部件的大小就不能忽视了。毕竟，在零部件内部电磁波的进行波与反射波的干涉失去了一致性，电压电流比的稳定状态固有特性再也不适用，取而代之的 是“分布定数”的特性阻抗观 念，也有人用分布（Distributed） 电路来称呼。因此，分布定数回路零部件所考虑的要素是与电磁波的传送与反射为基础的要素，也就是： 反射系数 衰减系数 传送的延迟时间 以上的多种考虑，就是S参数概念的基本源头。 低频传送线路可以采用底下双端口（2 Port）回路的电压电流关系呈现回路的特性。请注意，此处所提及的网络是指电路，而非服务器连网或因特网。 常用到的各种参数，不外乎有Z参数、Y参数与F参数等。F参数（image parameters）的表现如下式： V1 A B V2 = I1 C D I2 .（1） Z参数（open-circuit impedance parameters）的表现如下式： V1 Z11 Z12 I1 = V2 Z21 Z22 I2 .（2） Y参数（short-circuit admittance parameters）的表现如下式： I1 Y11 Y12 V1 = I2 Y21 Y22 V2 .（3） 请留意，无论是上述的哪一个参数，都可以采用终端短路或终端开路的简单测定方式。以下就以Y参数为示范来说明。 I1 = Y11V1 + Y12V2 I2 = Y21V1 + Y22V2 当终端短路时，也就是V2=0时，Y21 = I2/V1。若是在晶体管的场合，便可借助于Z参数与Y参数混合衍生出来的h参数。 然而，跃进高频的国度，引线的电感量、端点的电容量所引起的影响也不容忽视，不是单纯的终端短路状态（阻抗为零）或终端开路状态（阻抗无限大）就能实现。例如Z11的求得，让I2为零的方针，使用100%反射的测定变成毫无道理可言。 基于这个缘故，具有进行波与反测波概念的S参数，就可以来描绘高频的特性。图3中的入射波（Incident Wave）分别是a1与a2，反射波（Reflected Wave）则是以b1及b2来表示。入射波与反射波的关系可用以下数学式来呈现： b1 S11 S12 a1 = b2 S21 S22 a2 .（4） 若是展开数学式，可以用下面两个式子来表示：b1 = S11a1 + S12a2 .（5）b2 = S21a1 + S22a2.（6） S11、S12、S21、S22就是S参数。可以使用无反射终端来测定。意思是说，当Z1=Z0时，a2就等于零，于是S11=b1/a1。 一般情况下，S参数可以使用网络分析仪来测量。S11与S22与电压反射系数相关，可以通过阻抗的测量来计算。而S21与S12涉及到传送特性，比如说衰减或相位的特性，通过震荡器与示波器等仪器的组合，也可以来测定。至于使用S参数的回路计算方法，请先参考图4，试着来计算b2作为一个示范。 如果发送端、接收端都是以终端的传送特性来考虑，依据前面S参数（5）与（6），负荷的反射系数若以l来表示，则有：a2 = l b2 将此式带入（6），即可求得： b2 = S21 a1/（1 S22l） .（7） 相同的道理，发送端的反射系数以s来表示，则有： bs = Vs sqrt（Z0）/（Zs+Z0） 由于a1 = bs + s b1，将此式带入式（5），即可求得： a1 = bs + s （S11 a1 + S12 s b2）.（8） 综合（7）与（8），就可以求得传送特性： b2 = S21 bs/（1 - s S11） （1 - S22 l） - s l S12 S21）.（9） l = （Zl - Z0）/（Zl + Z0） s = （Zs - Z0）/（Zs + Z0） 其中的Z0，就是网络的特性阻抗。 从上面的说明不难看出使用S参数的计算，没有用到电压、电流，而是采用了接续点的反射系数。 如果以信号流程图（Signal Flow Graph）来展现回路的话，可以运用下列变换法则来实现： 入射波与反射波的变量转换成接点 S参数成为枝状 枝状是从独立变量节点出进入从属变量节点 S参数的妙用 毫无疑问，S参数是频域（Frequency Domain）里面判断系统特性的有效之道。 若是观察S参数与光波，两者之间颇有异曲同工的涵义。 再仔细一想，S11就是TDR（Time Domain Reflection），而S21就是TDT（Time Domain Transmission），所以TDR/TDT与单端的S参数存在着可以解释的关系。S21的TDT意味着插入损失（Insertion Loss），S11的TDR就是回送损失（Return Loss）。但在高速传输的场合中，均是采用差分传输（Differential）的模式，因此差分模式下（也可以称为混合模式）的S参数，也是必要认知的一环。要满足差分传输就要导入4端口（4 Port）的回路。在以上的呈现方式中，其中，Sghij的诠释涵义分别是S（输出模式）（输入模式）（输出端口）（输入端口）。 以下便将以Maxim公司 的MAX3950 10Gbps