SPARQ系列述評之五 ―― 關於S參數(下)

不是任何S參數文件都可以直接用於仿真軟體。 SPARQ區別於VNA的一點是,SPARQ測量出來的S參數可以直接用於仿真軟體。 我們知道，可直接用於仿真軟體的S參數需要具備以下特點：1，遵循三大S參數特性原則:無源性（Passivity），互易性（Passivity），因果性（Causality）。VNA產生的S參數由於不遵循這三個特性的原則,需要另外的軟體來做這三個原則的檢查驗證之後才能用於仿真。 2，有DC點。 VNA產生的S參數不帶有DC點,需要另外的方法測量出DC時的S參數值。 3，對於差分信號系統,需要混合模式S參數。VNA不能直接產生混合模式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絡分析儀SPARQ產生的S參數具備以上這些特點，可以「拿來就用」，直接用於仿真。

· 無源性（Passivity）

對於一個無損網絡，S矩陣是一個單位矩陣，因此，對於二埠網絡存在下面的關係式：

由於沒有損耗，所有散射的總量應是100%。當S21（S11）大的時候，S11（S21）就會小一些，這從前面的S參數曲線可以看出來。

對於無源的二埠網絡 ，因此，一個無源器件的S參數不會大於1（0dB）。VNA測量的S參數結果如果沒有經過軟體進行無源性驗證，其S參數值會出現出現大於0dB的情形，不能直接用於仿真軟體。

表示為功率散射比，這個值越小,說明損耗越大。

· 互易性（Passivity）

如果一個器件是可交換方向使用，而不是單相的如隔離器、環行器，S矩針是對稱的，因此，Sij=Sji。

· 因果性（Causality）

所謂因果性就是先有激勵才有輸出。對於無源系統S參數，由於信號的傳輸一定會產生一定的延時，因此無源系統的S參數應該是符合因果性原理的，但實際測得的S參數往往會由於種種原因產生一定的非因果性。很多信號完整性仿真軟體需要符合因果性特徵的S參數，否則仿真時可能會產生發散現象，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。如果差分傳輸線的距離很近，差分線之間能很好的耦合，差分信號是完全對稱, 任何引入的噪聲對兩條差分傳輸線的的影響是相同的,那麼在晶片的接收端,由於減法運算，引入的共模噪聲就被消除了。然而，實際的差分系統並不是完美的,構 成差分信號的兩個單端信號本身的不平衡，兩個通道的長度不相等,耦合不緊密等都會導致能量由差模向共模轉換。由於實際的差分信號總是由差模信號和共模信號 組成（ ）,單端的四埠S參數矩陣並不能提供關於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參數成為評價差分傳輸系統的重要工具。

我常說,各種各樣的串行數據標準描述的都是關於「兩根線」的故事。如果不是用來傳輸差分信號，這「兩根線」組成的是一個單端四埠的網絡，單端四埠S參數矩陣描述了每個埠受到激勵分別有什麼樣的響應。如果是用來傳輸差分信號，這個單端四埠網絡就可以理解為了一個差分二埠網絡，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對兩個信號之和（共模）和兩個信號之差（差模）的分別有什麼樣的響應。

圖十混合模式S參數測量

單端四埠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。因此通過測量單端四埠的S參數來推導出混合模式的S參數。

圖十一單端四埠S參數和混合模式S參數之間的轉換

混合模式S參數矩陣四個象限中包含了四種類型的混合模式S參數。第一象限以Scc開頭的表示共模S參數，第四象限以Sdd開頭的表示差模S參數。 其它兩象限的Sdc表示差模向共模的轉換，Scd分別共模向差模的轉換。如果這兩根線有很好的對稱性,Sdc和Scd為零,表示差模和共模是完全獨立的。 Sdd21表示差分埠1到差分埠2的差模增益，其它符號的含義類推。