述评SPARQ系列网络分析仪之四:关于S参数(下)

2016-07-18 10:16:28来源: mwrf 关键字:SPARQ系列  网络分析仪  S参数
三, 直接用于仿真的S参数的特性

不是任何S参数文件都可以直接用于仿真软件。 SPARQ区别于VNA的一点是,SPARQ测量出来的S参数可以直接用于仿真软件。 我们知道,可直接用于仿真软件的S参数需要具备以下特点:1,遵循三大S参数特性原则:无源性(Passivity),互易性(Passivity),因果性(Causality)。VNA产生的S参数由于不遵循这三个特性的原则,需要另外的软件来做这三个原则的检查验证之后才能用于仿真。 2,有DC点。 VNA产生的S参数不带有DC点,需要另外的方法测量出DC时的S参数值。 3,对于差分信号系统,需要混合模式S参数。VNA不能直接产生混合模式S参数。 4,S参数以touchstone文件格式保存。作为世界上第一台信号完整性网络分析仪SPARQ产生的S参数具备以上这些特点,可以“拿来就用”,直接用于仿真。

· 无源性(Passivity)

对于一个无损网络,S矩阵是一个单位矩阵,因此,对于二端口网络存在下面的关系式:

 
 
由于没有损耗,所有散射的总量应是100%。当S21(S11)大的时候,S11(S21)就会小一些,这从前面的S参数曲线可以看出来。
对于无源的二端口网络,因此,一个无源器件的S参数不会大于1(0dB)。VNA测量的S参数结果如果没有经过软件进行无源性验证,其S参数值会出现出现大于0dB的情形,不能直接用于仿真软件。
  表示为功率散射比,这个值越小,说明损耗越大。

· 互易性(Passivity)

如果一个器件是可交换方向使用,而不是单相的如隔离器、环行器,S矩针是对称的,因此,Sij=Sji。

· 因果性(Causality)

所谓因果性就是先有激励才有输出。对于无源系统S参数,由于信号的传输一定会产生一定的延时,因此无源系统的S参数应该是符合因果性原理的,但实际测得的S参数往往会由于种种原因产生一定的非因果性。很多信号完整性仿真软件需要符合因果性特征的S参数,否则仿真时可能会产生发散现象,导致不正确的仿真结果。
 
四,混合模式的S参数

差分传输系统早已成为高速信号系统传输的主流。如果差分传输线的距离很近,差分线之间能很好的耦合,差分信号是完全对称, 任何引入的噪声对两条差分传输线的的影响是相同的,那么在芯片的接收端,由于减法运算,引入的共模噪声就被消除了。然而,实际的差分系统并不是完美的,构 成差分信号的两个单端信号本身的不平衡,两个通道长度不相等,耦合不紧密等都会导致能量由差模向共模转换。由于实际的差分信号总是由差模信号和共模信号 组成(),单端的四端口S参数矩阵并不能提供关于差模和共模匹配和传输的有洞察力的信息。因此,1995年提出的混合模式S参数成为评价差分传输系统的重要工具。
我常说,各种各样的串行数据标准描述的都是关于“两根线”的故事。如果不是用来传输差分信号,这“两根线”组成的是一个单端四端口的网络,单端四端口S参数矩阵描述了每个端口受到激励分别有什么样的响应。如果是用来传输差分信号,这个单端四端口网络就可以理解为了一个差分二端口网络,如图十所示,混合模式S参数从物理意义上理解正是描述了成对的两根线对两个信号之和(共模)和两个信号之差(差模)的分别有什么样的响应。

图十 混合模式S参数测量

单端四端口S参数和混合模式S参数之间是可以相互转换的,如图十一所示。因此通过测量单端四端口的S参数来推导出混合模式的S参数。


 

图十一 单端四端口S参数和混合模式S参数之间的转换

混合模式S参数矩阵四个象限中包含了四种类型的混合模式S参数。第一象限以Scc开头的表示共模S参数,第四象限以Sdd开头的表示差模S参数。 其它两象限的Sdc表示差模向共模的转换,Scd分别共模向差模的转换。如果这两根线有很好的对称性,Sdc和Scd为零,表示差模和共模是完全独立的。 Sdd21表示差分端口1到差分端口2的差模增益,其它符号的含义类推。

用混合模式S参数表示两端口差分系统的输出和输入之间的关系式如下:bd1表示1端口的差分输出,ad1表示1端口的差分输入。

五,S参数的测量方法

S参数的测量方法有两种,一种是基于扫频测量的原理(VNA),另外一种是基于快沿阶跃响应的原理(TDR,SPARQ)。

图十二是VNA的原理框图,主要包括以下部分: (1)激励信号源:提供感兴趣的频率范围内的入射信号;(2)信号分离装置:含功分器定向耦合器,分离出入射,反射和传输信号;(3)接收机:对被测件的入射,反射和传输信号进行测试;(4)处理显示单元:对测试结果进行处理和显示。

图十二 VNA的原理框图

 VNA的测量过程中会产生六大系统误差:(1)与信号泄露相关的方向误差;(2)与信号泄露相关的串扰误差; (3)与反射相关的源失配;(4)与反射相关的负载阻抗失配; (5)由测试接收机内部的反射引起的频率响应误差; (6)由测试接收机内部的传输跟踪引起的频率响应误差。因此在使用前需要进行严格的校准。正确的校准是使用VNA的一个难点。 VNA测量出来的S参数是否有错误并不能通过VNA直接能检查出来,只有导入仿真软件仿真出结果发现有问题时可能会怀疑是S参数测量有问题,再返回来检查 VNA校准,VNA测量时的操作有没有错误。但SPARQ由于有时域分析能力,可以立即查看当前测量出的S参数的时域响应是否合理。

理论上来说, 任何信号在时域和频域上是一一对应的,而且是可以相互转换的。这为基于阶跃响应的时域TDR/TDT方法测量S参数提供了可能。图十三表示采用TDR /TDT方法测量S21,S12的原理。ST-20是力科公司采样示波器件WE100H上的TDR模块,可以产生ps级的快沿并可作为20GHz带宽的采 样头。假设Channe2为端口1,Channle3为端口2,Channel 1产生快沿信号作为入射波经过PCB走线后由Channel3接收该信号。入射的快沿信号和采样到的信号都可经过FFT变换分解成从一定频率范围的信号, 经过计算得到频域的S参数。

图十三 基于TDR/TDT方法测量S参数

其实在谈到VNA和TDR两种方法测量S参数的区别时,我们会自然联系到示波器的前端频率响应曲线的测量方法。 我们可以通过传统的扫频描点的方法(调节正弦波信号源的频率,然后分别测量不同频率时示波器测量到的峰峰值)来测量频响曲线,但也可以通过快沿信号输入到示波器,对采样到的快沿信号做FFT的方法来快速简便地测量频响曲线。 这两种方法测量示波器频响曲线的原理上的区别和测量S参数的两种方法的区别是一个道理。
 
近些年来三个仪器厂商基于TDR 原理测量S参数的实践证明了两种测量方法的符合度非常高,如图十四所示为两种方法测量的S参数的结果对比。但基于TDR的方法存在有动态范围不太高的缺 点。SPARQ测量S参数源于TDR的原理,但通过专利算法在提高动态范围上获得突破,而且在一键操作实现自动化校准方面的创新,具备时域分析能力和S参 数文件可以直接被SI仿真软件调用等特点使得SPARQ成为信号完整性工程师测量S参数的首选仪器。

图十四 VNA和TDR方法测量的S参数一致性很好

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编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016071816227.html
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