述評SPARQ系列網(wǎng)絡(luò )分析儀之四：關(guān)于S參數(下)
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不是任何S參數文件都可以直接用于仿真軟件。 SPARQ區別于VNA的一點(diǎn)是,SPARQ測量出來(lái)的S參數可以直接用于仿真軟件。 我們知道，可直接用于仿真軟件的S參數需要具備以下特點(diǎn)：1，遵循三大S參數特性原則:無(wú)源性（Passivity），互易性（Passivity），因果性（Causality）。VNA產(chǎn)生的S參數由于不遵循這三個(gè)特性的原則,需要另外的軟件來(lái)做這三個(gè)原則的檢查驗證之后才能用于仿真。 2，有DC點(diǎn)。 VNA產(chǎn)生的S參數不帶有DC點(diǎn),需要另外的方法測量出DC時(shí)的S參數值。 3，對于差分信號系統,需要混合模式S參數。VNA不能直接產(chǎn)生混合模式S參數。 4，S參數以touchstone文件格式保存。作為世界上第一臺信號完整性網(wǎng)絡(luò )分析儀SPARQ產(chǎn)生的S參數具備以上這些特點(diǎn)，可以“拿來(lái)就用”，直接用于仿真。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/334294.htm· 無(wú)源性（Passivity）
對于一個(gè)無(wú)損網(wǎng)絡(luò )，S矩陣是一個(gè)單位矩陣，因此，對于二端口網(wǎng)絡(luò )存在下面的關(guān)系式：
對于無(wú)源的二端口網(wǎng)絡(luò )
，因此，一個(gè)無(wú)源器件的S參數不會(huì )大于1（0dB）。VNA測量的S參數結果如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行無(wú)源性驗證，其S參數值會(huì )出現出現大于0dB的情形，不能直接用于仿真軟件。
表示為功率散射比，這個(gè)值越小,說(shuō)明損耗越大。· 互易性（Passivity）
如果一個(gè)器件是可交換方向使用，而不是單相的如隔離器、環(huán)行器，S矩針是對稱(chēng)的，因此，Sij=Sji。
· 因果性（Causality）
所謂因果性就是先有激勵才有輸出。對于無(wú)源系統S參數，由于信號的傳輸一定會(huì )產(chǎn)生一定的延時(shí)，因此無(wú)源系統的S參數應該是符合因果性原理的，但實(shí)際測得的S參數往往會(huì )由于種種原因產(chǎn)生一定的非因果性。很多信號完整性仿真軟件需要符合因果性特征的S參數，否則仿真時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生發(fā)散現象，導致不正確的仿真結果。
四，混合模式的S參數
差分傳輸系統早已成為高速信號系統傳輸的主流。如果差分傳輸線(xiàn)的距離很近，差分線(xiàn)之間能很好的耦合，差分信號是完全對稱(chēng), 任何引入的噪聲對兩條差分傳輸線(xiàn)的的影響是相同的,那么在芯片的接收端,由于減法運算，引入的共模噪聲就被消除了。然而，實(shí)際的差分系統并不是完美的,構 成差分信號的兩個(gè)單端信號本身的不平衡，兩個(gè)通道的長(cháng)度不相等,耦合不緊密等都會(huì )導致能量由差模向共模轉換。由于實(shí)際的差分信號總是由差模信號和共模信號 組成（
）,單端的四端口S參數矩陣并不能提供關(guān)于差模和共模匹配和傳輸的有洞察力的信息。因此，1995年提出的混合模式S參數成為評價(jià)差分傳輸系統的重要工具。
我常說(shuō),各種各樣的串行數據標準描述的都是關(guān)于“兩根線(xiàn)”的故事。如果不是用來(lái)傳輸差分信號，這“兩根線(xiàn)”組成的是一個(gè)單端四端口的網(wǎng)絡(luò )，單端四端口S參數矩陣描述了每個(gè)端口受到激勵分別有什么樣的響應。如果是用來(lái)傳輸差分信號，這個(gè)單端四端口網(wǎng)絡(luò )就可以理解為了一個(gè)差分二端口網(wǎng)絡(luò )，如圖十所示，混合模式S參數從物理意義上理解正是描述了成對的兩根線(xiàn)對兩個(gè)信號之和（共模）和兩個(gè)信號之差（差模）的分別有什么樣的響應。
圖十 混合模式S參數測量
單端四端口S參數和混合模式S參數之間是可以相互轉換的，如圖十一所示。因此通過(guò)測量單端四端口的S參數來(lái)推導出混合模式的S參數。
圖十一 單端四端口S參數和混合模式S參數之間的轉換
用混合模式S參數表示兩端口差分系統的輸出和輸入之間的關(guān)系式如下：bd1表示1端口的差分輸出，ad1表示1端口的差分輸入。
五，S參數的測量方法
S參數的測量方法有兩種，一種是基于掃頻測量的原理（VNA）,另外一種是基于快沿階躍響應的原理（TDR，SPARQ）。
圖十二是VNA的原理框圖，主要包括以下部分: （1）激勵信號源：提供感興趣的頻率范圍內的入射信號；（2）信號分離裝置：含功分器和定向耦合器，分離出入射，反射和傳輸信號；（3）接收機：對被測件的入射，反射和傳輸信號進(jìn)行測試；（4）處理顯示單元：對測試結果進(jìn)行處理和顯示。
圖十二 VNA的原理框圖
VNA的測量過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生六大系統誤差：（1）與信號泄露相關(guān)的方向誤差;(2)與信號泄露相關(guān)的串擾誤差; (3)與反射相關(guān)的源失配;（4）與反射相關(guān)的負載阻抗失配; (5)由測試接收機內部的反射引起的頻率響應誤差; (6)由測試接收機內部的傳輸跟蹤引起的頻率響應誤差。因此在使用前需要進(jìn)行嚴格的校準。正確的校準是使用VNA的一個(gè)難點(diǎn)。 VNA測量出來(lái)的S參數是否有錯誤并不能通過(guò)VNA直接能檢查出來(lái)，只有導入仿真軟件仿真出結果發(fā)現有問(wèn)題時(shí)可能會(huì )懷疑是S參數測量有問(wèn)題,再返回來(lái)檢查 VNA校準，VNA測量時(shí)的操作有沒(méi)有錯誤。但SPARQ由于有時(shí)域分析能力，可以立即查看當前測量出的S參數的時(shí)域響應是否合理。
理論上來(lái)說(shuō), 任何信號在時(shí)域和頻域上是一一對應的，而且是可以相互轉換的。這為基于階躍響應的時(shí)域TDR/TDT方法測量S參數提供了可能。圖十三表示采用TDR /TDT方法測量S21，S12的原理。ST-20是力科公司采樣示波器件WE100H上的TDR模塊,可以產(chǎn)生ps級的快沿并可作為20GHz帶寬的采 樣頭。假設Channe2為端口1，Channle3為端口2，Channel 1產(chǎn)生快沿信號作為入射波經(jīng)過(guò)PCB走線(xiàn)后由Channel3接收該信號。入射的快沿信號和采樣到的信號都可經(jīng)過(guò)FFT變換分解成從一定頻率范圍的信號， 經(jīng)過(guò)計算得到頻域的S參數。
圖十三 基于TDR/TDT方法測量S參數
其實(shí)在談到VNA和TDR兩種方法測量S參數的區別時(shí)，我們會(huì )自然聯(lián)系到示波器的前端頻率響應曲線(xiàn)的測量方法。 我們可以通過(guò)傳統的掃頻描點(diǎn)的方法（調節正弦波信號源的頻率，然后分別測量不同頻率時(shí)示波器測量到的峰峰值）來(lái)測量頻響曲線(xiàn)，但也可以通過(guò)快沿信號輸入到示波器,對采樣到的快沿信號做FFT的方法來(lái)快速簡(jiǎn)便地測量頻響曲線(xiàn)。 這兩種方法測量示波器頻響曲線(xiàn)的原理上的區別和測量S參數的兩種方法的區別是一個(gè)道理。
近些年來(lái)三個(gè)儀器廠(chǎng)商基于TDR 原理測量S參數的實(shí)踐證明了兩種測量方法的符合度非常高，如圖十四所示為兩種方法測量的S參數的結果對比。但基于TDR的方法存在有動(dòng)態(tài)范圍不太高的缺 點(diǎn)。SPARQ測量S參數源于TDR的原理，但通過(guò)專(zhuān)利算法在提高動(dòng)態(tài)范圍上獲得突破，而且在一鍵操作實(shí)現自動(dòng)化校準方面的創(chuàng )新，具備時(shí)域分析能力和S參 數文件可以直接被SI仿真軟件調用等特點(diǎn)使得SPARQ成為信號完整性工程師測量S參數的首選儀器。
圖十四 VNA和TDR方法測量的S參數一致性很好
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