S参数的应用|从S参数看通道阻抗匹配

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S参数的全称为Scatter 参数,即散射参数。S参数描述了传输通道的频域特性,在进行串行链路SI分析的时候,获得通道的准确S参数是一个很重要的环节,通过S参数,我们能看到传输通道的几乎全部特性。信号完整性关注的大部分问题,例如信号的反射,串扰,损耗,都可以从S参数中找到有用的信息。网上有很多介绍S参数基本概念的资料,我在这里就不多浪费笔墨了,这篇文章我只是从实际应用的角度来讨论下S参数。
问题1:怎样从S参数中看出通道的阻抗匹配程度?

这里的匹配指的是端口阻抗与传输线阻抗之间的匹配,因为常规单根线的阻抗一般控50ohm,差分线的阻抗控制为100ohm,所以我们在提取通道S参数的时候,习惯将端口阻抗设置为单根50ohm,差分100ohm。

由S参数的定义,回波损耗S11或者S22表示能量的反射情况,下面我们来看看,当端口阻抗被定义为50ohm,传输线阻抗变化时,回波损耗的变化。如下图:

由上图我们可以看出,传输线阻抗与端口阻抗越接近,回波损耗越小,当传输线阻抗完全等于端口阻抗的时候,几乎没有能量反射。以上仅仅是理想的传输线,通常的传输链路中会包含过孔,连接器等阻抗不连续的因素,这些阻抗不连续程度都会反映在S参数的回损曲线中。

问题2:S参数中的插入损耗怎么理解?

S参数是频域参数,在插损曲线中,横坐标表示的是正弦波的频率,纵坐标表示的是正弦波穿过通道后的电压幅值与发送端电压幅值的比值并取对数。

如上图所示,这条插损曲线是普通FR4板材下,10inch传输线的插损曲线。可以看出在5G的时候,接收与输入的比值为-8.35dB,10G的时候是-15.455dB,换算成幅度,分别是0.382和0.167,也就是说如果输入端正弦波的幅值为1V,则接收端5G正弦波的幅值为382mV,10G正弦波的幅值为167mV,我们来验证下,5GHz正弦波的输入与输出波形对比如下:

10GHz的正弦波输入与输出的波形对比如下:

感兴趣的朋友们可以根据上图中的数据自己计算下,实际仿真出的正弦波幅度与插损曲线中对应频率下的幅度基本是一致的,有一点点误差,原因是通道阻抗没有做到完全匹配。

我们可以看到,随着频率的提高,正弦信号的幅值损失越来越严重。但是我们通常关注的是数字信号,那么可以直接从插损曲线中看出数字信号幅度的损失吗?当然是不可以的。前面的文章也多次提到了通道对数字信号的影响主要是使波形的上升沿变缓,注意这里是上升沿变缓!并不是像正弦波一样,直接表现出幅值的损失。而且常规的数字信号也不会像正弦波信号那样整齐,所以通道对数字信号的影响要比对正弦信号的影响复杂得多,后期的文章会和大家一起讨论这方面的问题。

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