電(diàn)路设计使用(yòng)S参数仿真来重申信号完整性

2020-10-22

通常的做法是更换有(yǒu)故障的设备，而不是花(huā)费大量精力和金钱进行長(cháng)时间的维修。但是，对操作故障进行故障排除是一项艰巨的工作。从工程师的角度来看，塑造用(yòng)户友好型解决方案所涉及的工程技术水平是巨大的-识别内部電(diàn)路设计出了什么问题更加困难。

复杂内部電(diàn)路的信号完整性在确保设备的可(kě)靠运行中起着至关重要的作用(yòng)。内部電(diàn)路之间的正确通信可(kě)以使设备按照目录中的规定运行。每当传播延迟到来时，内部電(diàn)路之间的相互作用(yòng)就会失去兼容性，并且设备可(kě)能(néng)会失灵。在電(diàn)路的高频操作下，信号质量失真的机会相对更多(duō)。

散射参数“ S-参数”仿真强调了高频電(diàn)路的信号完整性。在高频下，電(diàn)压和電(diàn)流分(fēn)析与S参数分(fēn)析相比效果不佳。S参数模拟将输入的交流信号视為(wèi)電(diàn)磁“ EM”或射频“ RF”波，并定义了信号如何在输入侧反射并传输到電(diàn)路的其他(tā)部分(fēn)。為(wèi)了通过反射和透射来表征RF電(diàn)路，S参数比H，Z和Y参数更有(yǒu)效。 

電(diàn)路之间的大量互连增加了通信错误和设备间延迟的可(kě)能(néng)性。信号中的延迟，失真和质量下降会影响電(diàn)路的信号完整性。随着工作频率从kHz到GHz，電(diàn)路数量的行為(wèi)更像是電(diàn)波。按照高频的電(diàn)压和電(diàn)流对電(diàn)路建模不是可(kě)行的方法。S参数仿真是最合适的工具，用(yòng)于在高频下表征复杂電(diàn)路以确保其信号完整性。 

S参数仿真是一种交流仿真，它表示在给定温度，偏置条件和输入信号下器件的小(xiǎo)信号行為(wèi)。信号的衰减和放大可(kě)以借助S参数进行解释。在此仿真中，非線(xiàn)性分(fēn)量被線(xiàn)性化，以提供電(diàn)路在不同频率下的線(xiàn)性特性。 

S参数的级联可(kě)以看作是S参数仿真的优势之一，特别是在涉及复杂電(diàn)路时。例如，您可(kě)以分(fēn)别模拟每个放大器级的S参数，并且可(kě)以使用(yòng)级联的S参数来分(fēn)析多(duō)级放大器的性能(néng)。 

在S参数仿真中，所考虑的電(diàn)路被转换為(wèi)多(duō)端口网络。您无需短路并打开端口即可(kě)进行S参数计算，这是确定H，Z和Y参数的步骤。将S参数轻松转换為(wèi)H，Z和Y参数，有(yǒu)助于发现寄生電(diàn)抗对信号完整性的影响。 

反射和透射系数

在S参数模拟中，n端口网络等效值通过EM波一次激励一个端口，并在所有(yǒu)端口上测量EM能(néng)量。通常，S参数以矩阵形式（称為(wèi)S矩阵）表示，線(xiàn)性方程的系数控制電(diàn)路作為(wèi)矩阵元素。对于n端口网络，S参数形成一个nxn矩阵。如下图所示：

 

S矩阵

矩阵❲i=j❳的对角元素表示反射系数，其他(tā)元素❲ij❳给出透射参数。反射和透射的EM能(néng)量分(fēn)别由反射系数和透射系数表示。S矩阵中的任何元素S ij都会量化从输入端口“ j”传输到输出端口“ i”的EM能(néng)量。 

S参数是具有(yǒu)振幅和相位值的复数，并且与频率有(yǒu)关。S参数wrt随频率的变化可(kě)以通过两种方式绘制：

幅度与频率的关系曲線(xiàn)以及相位与频率的关系曲線(xiàn)-幅度和相位的变化情况绘制在两个不同的图中。尽管S参数是无量纲的量，但振幅通常以dB表示。

史密斯圆图-史密斯圆图是用(yòng)于指示S参数的流行图表。圆的半径是S参数的振幅，相位角沿逆时针方向变化。 

下图显示了史密斯圆图上标记的反射系数。反射系数1⦟0°表示一个完美的开路，信号在没有(yǒu)相位变化的情况下被反射回输入端口。 

 

史密斯圆图显示反射系数

与S参数有(yǒu)关的信号完整性

在构建RF電(diàn)路时，我们的目的是将能(néng)量有(yǒu)效地从源传递到负载。為(wèi)了使電(diàn)路无损，阻抗匹配是必不可(kě)少的。阻抗不匹配会将一些能(néng)量反射回输入端口，并且这种能(néng)量损耗与频率有(yǒu)关。总是提到反射能(néng)量，以便将能(néng)量从電(diàn)源转发到负载，以更好地了解能(néng)量损失。 

RF電(diàn)路中常用(yòng)的表示能(néng)量损耗的术语是：

回波损耗是前向功率和反射功率之间的差。随着反射功率的降低，功率损耗的百分(fēn)比也会降低。对于无损系统，没有(yǒu)功率反射回来，这在史密斯圆图中已提到為(wèi)0％反射。就S参数而言，回波损耗可(kě)以通过使用(yòng)公式found1❳找到。

 

其中，S ij代表反射系数。

電(diàn)压驻波比“ VSWR”是“前向波+反射波”的最大值与最小(xiǎo)值之比。VSWR可(kě)以表示為(wèi)公式❲2❳：

 

 本的反射系数在方程❲1❳和❲2❳可(kě)以在源阻抗❲Z来表示0 ❳和负载阻抗❲Z大号❳如下：

 

当Z 0与Z L完全匹配时，系统变為(wèi)无损，并且VSWR取单位值。在反射功率為(wèi)100％的電(diàn)路中，VSWR值变為(wèi)无穷大。

回波损耗和VSWR之间的关系可(kě)以用(yòng)公式❲4表示。

 

现在，让我们将信号完整性，阻抗匹配和S参数仿真之间的点连接起来。

如果要在RF電(diàn)路中寻找信号完整性，则需要确保信号传播没有(yǒu)任何散射或延迟。该電(diàn)路条件对应于阻抗匹配。信号完整性可(kě)以通过匹配与源阻抗❲Z负载阻抗来实现0 = Z大号❳。输入和输出阻抗匹配可(kě)使用(yòng)反射系数轻松确定，而传输S参数存在耦合或串扰。 

如我们所见，S参数如何与RF電(diàn)路中的反射能(néng)量相连，在负载侧插入匹配的阻抗网络会产生魔力。当匹配网络的等效阻抗和负载阻抗等于源阻抗的共轭时，信号向输入端口的反射变為(wèi)0％，電(diàn)路的信号完整性达到最大。