利用s参数模拟重申信号完整性

关键的外卖

• s参数模拟是一种小信号交流分析，给出给定偏置、温度和频率下射频电路的线性特性。

• 对于n个端口的网络，s个参数的总数等于n2个。反射系数在阻抗匹配中很有用;传输系数表示电路中的耦合和串扰。

• 通过s参数仿真，可以设计和优化嵌入射频电路中阻抗匹配的负载侧匹配网络。随着阻抗的匹配，电路中信号的完整性得到了保证。

调试内部电路以找出设备运行故障的根本原因需要技能和经验。

如今，更换有问题的设备已成为普遍做法，而不是花费精力和金钱进行漫长的维修。然而,故障排除操作失败是一项困难的工作。从工程师的角度来看，塑造一个用户友好的解决方案所涉及的工程层次是巨大的——要确定内部的问题就更困难了电路设计．

的信号的完整性复杂的内部电路对保证器件的可靠运行起着至关重要的作用。内部电路之间的适当通信保持设备按目录中所示运行。一旦出现传播延迟，内部电路之间的相互作用就失去了兼容性，设备就可能出现误操作。在电路高频工作时，信号质量失真的可能性相对较大。

散射参数my S-参数❳模拟突出了电路在高频下的信号完整性。在高频情况下，电压和电流分析不如s参数分析有效。s参数模拟将输入的交流信号视为电磁“my EM❳”或射频“my RF❳”波形，定义了信号如何在输入端反射并传输到电路的其他部分。对于从反射和传输方面描述RF电路，s参数比H、Z和Y参数更有效。

参数仿真

电路之间的大量互连增加了设备之间通信错误和延迟的可能性。信号中的延迟、失真和质量退化会影响电路的信号完整性。当工作频率从kHz到GHz时，电路量的行为更像功率波。用高频电压和电流来模拟电路不是一种可行的方法。s参数模拟是表征高频复杂电路以保证其信号完整性的最合适工具。

s参数模拟是交流模拟的一种类型，它展示了在给定温度、偏置条件和输入信号下器件的小信号行为。利用s参数可以解释信号的衰减和放大。在此模拟中，非线性元件被线性化，以提供电路在不同频率下的线性特性。

s参数的级联可以被视为s参数仿真的优点之一，特别是当涉及到复杂电路时。例如，可以分别模拟每个放大器级的s参数，并且可以使用级联s参数分析多级放大器的性能。

在s参数模拟中，将所考虑的电路转换为一个多端口网络。您不需要缩短和打开端口进行s参数计算，这是确定H、Z和Y参数所遵循的过程。s参数转换为H, Z和Y参数很容易，这使得它在寻找寄生电抗对信号完整性的影响时很有用。

反射和透射系数

在s参数模拟中，用电磁波一次激发一个端口的n端口网络当量，并在所有端口测量EM能量。通常，s参数以矩阵形式表示，称为s矩阵，以控制电路的线性方程的系数作为矩阵元素。对于n端口网络，s -参数构成一个n * n矩阵。如下所示:

s矩阵

矩阵的对角线元素‘‘i=j’❳’为反射系数，‘‘ij’❳’为传输参数。反射和透射电磁能量分别用反射系数和透射系数表示。任何元素年代_ij在s矩阵中量化了从输入端口' j '传输到输出端口' i '的电磁能量。

s参数是具有幅值和相位值的复数，且与频率相关。s参数wrt随频率的变化可以用两种方法绘制:

1. 振幅-频率图和相位-频率图-振幅和相位的变化在两个不同的图中绘制。即使s参数是无量纲的量，振幅通常用dB表示。

2. 史密斯图——史密斯图是用来表示s参数的常用图表。圆的半径是s参数的振幅，相位角沿逆时针方向变化。

下图显示了史密斯图表上的反射系数。反射系数1⦟0°表示一个完美的开路，信号被反射回输入端口没有相位变化。

显示反射系数的史密斯图

与s参数相关的信号完整性

在构建射频电路时，我们的目的是将能量有效地从源传输到负载。对于无损电路来说，阻抗匹配是必不可少的。阻抗失配反射回一些能量到输入端口，而这种能量损失是频率相关的。为了更好地了解能量损失，通常会提到反射能量，将能量从源转发到负载。

在RF电路中常用来表示能量损失的术语有:

1. 回波损耗是正向功率和反射功率的差值。随着反射功率的降低，功率损失率也随之降低。对于无损系统，没有功率被反射回来，这就是我们前面在史密斯图中提到的0%反射。对于s -参数，返回损耗可由方程“自豪1❳”求得

在年代_ij表示反射系数。

2. 电压驻波比，自豪VSWR❳是“自豪的前向波”+“反射波”❳的最大值与最小值之比。VSWR可表示为方程自豪2❳:

方程“自豪1❳”、“自豪2❳”中的反射系数，可以用源阻抗“自豪Z”表示₀载荷阻抗“自豪Z”_l❳如下፦

当Z₀完美matchesZ_l时，系统转为无损，VSWR取单位值。在反射功率为100%的电路中，VSWR值趋于无穷大。

返回损耗与VSWR之间的关系可表示为方程“自豪4❳”

现在让我们连接信号完整性、阻抗匹配和s参数模拟之间的点。

如果你在RF电路中寻找信号的完整性，你需要确保信号的传播没有任何散射或延迟。这种电路条件对应于阻抗匹配。负载阻抗与源阻抗匹配，可以实现信号的完整性₀Z =_l❳。当传输s参数存在耦合或串扰时，使用反射系数可以很容易地识别输入和输出阻抗匹配。

正如我们已经看到的，s参数如何连接到射频电路中的反射能量，在负载侧插入匹配的阻抗网络可以创造奇迹。当匹配网络与负载阻抗的等效阻抗等于源阻抗的共轭时，信号返回输入端口的反射变为0%，电路的信号完整性达到最大值。

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