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技術專題
電路設計使用S參數仿真來重申信號完整性
通常的做法是更換有故障的設備，而不是花費大量精力和金錢進行長時間的維修。但是，對操作故障進行故障排除是一項艱巨的工作。從工程師的角度來看，塑造用戶友好型解決方案所涉及的工程技術水平是巨大的-識別內部電路設計出了什么問題更加困難。
復雜內部電路的信號完整性在確保設備的可靠運行中起著至關重要的作用。內部電路之間的正確通信可以使設備按照目錄中的規定運行。每當傳播延遲到來時，內部電路之間的相互作用就會失去兼容性，并且設備可能會失靈。在電路的高頻操作下，信號質量失真的機會相對更多。
散射參數“ S-參數”仿真強調了高頻電路的信號完整性。在高頻下，電壓和電流分析與S參數分析相比效果不佳。S參數模擬將輸入的交流信號視為電磁“ EM”或射頻“ RF”波，并定義了信號如何在輸入側反射并傳輸到電路的其他部分。為了通過反射和透射來表征RF電路，S參數比H，Z和Y參數更有效。
電路之間的大量互連增加了通信錯誤和設備間延遲的可能性。信號中的延遲，失真和質量下降會影響電路的信號完整性。隨著工作頻率從kHz到GHz，電路數量的行為更像是電波。按照高頻的電壓和電流對電路建模不是可行的方法。S參數仿真是最合適的工具，用于在高頻下表征復雜電路以確保其信號完整性。
S參數仿真是一種交流仿真，它表示在給定溫度，偏置條件和輸入信號下器件的小信號行為。信號的衰減和放大可以借助S參數進行解釋。在此仿真中，非線性分量被線性化，以提供電路在不同頻率下的線性特性。
S參數的級聯可以看作是S參數仿真的優勢之一，特別是在涉及復雜電路時。例如，您可以分別模擬每個放大器級的S參數，并且可以使用級聯的S參數來分析多級放大器的性能。
在S參數仿真中，所考慮的電路被轉換為多端口網絡。您無需短路并打開端口即可進行S參數計算，這是確定H，Z和Y參數的步驟。將S參數輕松轉換為H，Z和Y參數，有助于發現寄生電抗對信號完整性的影響。
反射和透射系數
在S參數模擬中，n端口網絡等效值通過EM波一次激勵一個端口，并在所有端口上測量EM能量。通常，S參數以矩陣形式（稱為S矩陣）表示，線性方程的系數控制電路作為矩陣元素。對于n端口網絡，S參數形成一個nxn矩陣。如下圖所示：
S矩陣
矩陣?i=j?的對角元素表示反射系數，其他元素?ij?給出透射參數。反射和透射的EM能量分別由反射系數和透射系數表示。S矩陣中的任何元素S ij都會量化從輸入端口“ j”傳輸到輸出端口“ i”的EM能量。
S參數是具有振幅和相位值的復數，并且與頻率有關。S參數wrt隨頻率的變化可以通過兩種方式繪制：
幅度與頻率的關系曲線以及相位與頻率的關系曲線-幅度和相位的變化情況繪制在兩個不同的圖中。盡管S參數是無量綱的量，但振幅通常以dB表示。
史密斯圓圖-史密斯圓圖是用于指示S參數的流行圖表。圓的半徑是S參數的振幅，相位角沿逆時針方向變化。
下圖顯示了史密斯圓圖上標記的反射系數。反射系數1?0°表示一個完美的開路，信號在沒有相位變化的情況下被反射回輸入端口。
史密斯圓圖顯示反射系數
與S參數有關的信號完整性
在構建RF電路時，我們的目的是將能量有效地從源傳遞到負載。為了使電路無損，阻抗匹配是必不可少的。阻抗不匹配會將一些能量反射回輸入端口，并且這種能量損耗與頻率有關。總是提到反射能量，以便將能量從電源轉發到負載，以更好地了解能量損失。
RF電路中常用的表示能量損耗的術語是：
回波損耗是前向功率和反射功率之間的差。隨著反射功率的降低，功率損耗的百分比也會降低。對于無損系統，沒有功率反射回來，這在史密斯圓圖中已提到為0％反射。就S參數而言，回波損耗可以通過使用公式found1?找到。
其中，S ij代表反射系數。
電壓駐波比“ VSWR”是“前向波+反射波”的最大值與最小值之比。VSWR可以表示為公式?2?：
本的反射系數在方程?1?和?2?可以在源阻抗?Z來表示0 ?和負載阻抗?Z大號?如下：
當Z 0與Z L完全匹配時，系統變為無損，并且VSWR取單位值。在反射功率為100％的電路中，VSWR值變為無窮大。
回波損耗和VSWR之間的關系可以用公式?4表示。
現在，讓我們將信號完整性，阻抗匹配和S參數仿真之間的點連接起來。
如果要在RF電路中尋找信號完整性，則需要確保信號傳播沒有任何散射或延遲。該電路條件對應于阻抗匹配。信號完整性可以通過匹配與源阻抗?Z負載阻抗來實現0 = Z大號?。輸入和輸出阻抗匹配可使用反射系數輕松確定，而傳輸S參數存在耦合或串擾。
如我們所見，S參數如何與RF電路中的反射能量相連，在負載側插入匹配的阻抗網絡會產生魔力。當匹配網絡的等效阻抗和負載阻抗等于源阻抗的共軛時，信號向輸入端口的反射變為0％，電路的信號完整性達到最大。