图文详细解说S参数
2019-05-07
前言
S 参数 是SI与RF领域工程师必备的基础知识，大家很容易从网络或书本上找到S,Y,Z参数的说明，笔者也在多年前写了S参数 -- 基础篇。但即使如此，在相关领域打滚多年的人， 可能还是会被一些问题困扰着。你懂S参数吗? 请继续往下看...
一、个别参数与串联S参数的差别
问题1：为何有时候会遇到每一段的S参数个别看都还好，但串起来却很差的情况(loss不是1+1=2的趋势)?
Quick answer : 如果每一线段彼此连接处的real port Zo是匹配的，那loss会是累加的趋势，但若每一线段彼此连接处的real port Zo差异很大，那就会看到loss不是累加的趋势，因为串接的接面上会有多增加的反射损失。
下图所示的三条传输线
Line1是一条100mm长，特性阻抗设计在50ohm的微带线，左边50mm，右边50mm。
Line2也是一条100mm长的微带线，左边50mm维持特性阻抗50ohm，但右边50mm线宽加倍，特性阻抗变 小到33。
Line3也是一条100mm长的微带线，左边50mm维持特性阻抗50ohm，但右边50mm线宽加倍，特性阻抗变 小到33，且呈135o转折。
观察Line1的S21发现，左右两段的S参数有累加特性
观察Line2, Line3的S21发现， 整条线的S参数比起左右两段个别看的S参数之累加差一些
问题2：为何各别抽BGA与PCB的S参数后，在Designer内串接看总loss，与直接抽BGA+PCB看S参数的结果不同?
Quick answer : 这与结构在3D空间上的交互影响，还有下port位置有时也有影响。
下图所示是两层板BGA封装，放上有完整参考平面的PCB两层板， 这是在消费性电子产品很常见的应用条件。
黄色是高速的差动对讯号，其在PCB上走线的部分，有很好的完整参考平面，但在BGA端则完全没有参考平面。
HFSS 3D Layout模拟结果
二、双埠S参数对地回路效应的处理
问题1：RLC等效电路可以估出讯号线与地回路每一段的RLC特性，但S参数却不行，原因是什么? S参数带有地回路的寄生效应吗?
Quick answer : RLC等效电路是terminal base model，而S参数是port base model，后者看的昰一个port的正负两端之间的差值。 所以S参数虽然有含地回路(return path)寄生效应，但无法单独分离出地回路的影响。
问题2：在Designer汇入S参数模型时，可以选择该S参数的电路符号要不要有每一个port的reference ground (negative terminal)，或是使用common ground，使用common ground是否表示把每个port的negative terminal短路，会忽略地回路的寄生效应吗?
Quick answer : 使用common ground，并不会把return path两端short，S参数本身已经内含地回路的效应。
三、两个2-port 能否组成一个4-port
两个2-port S参数，有可能组成一个4-port S参数吗?
Quick answer : No. 一个2-port S参数，内涵2x2 (4) matrix单元，即S11, S12, S21, S22，而一个4-port S参数，需内涵4x4 (16) matrix单元。所以明显的，当有两条线的两个2-port S参数，并不足以充分且唯一定义一个4-port S参数，即这两条"之间"的近端耦合与远程耦合条件并未被定义。换言之，一个4-port S参数可以简化(reduce order)分离出两个2-port S参数，但反之不然。
四、3D模型S参数串连的差别
全3D模型的S参数，与分开的3D模型S参数串连的差别
常见的问题是：封装与PCB板单独抽S参数后，再于电路仿真软件串接S参数，这样的做法跟把封装与PCB直接在仿真软件中3D贴合抽S参数会有怎样的差异?
Quick answer : 封装与PCB间在Z轴上的空间耦合路径，只有把封装与PCB直接在仿真软件中3D贴合抽S参数时，才会被考虑。这样的做法当然是最准的做法， 但需不需要每个案子都一定 非得这么做不可，其实取决于结构与带宽考虑。当这条路径的耦合效应影响，在您所设计的结构下，在一定带宽以上的影响不能被忽略时，就必须考虑。
五、Port阻抗的设定
Port阻抗的设定，对S参数本质上，与S参数的使用上，有没有影响?
Quick answer : 虽然renormalize不同的port阻抗，会得到不同的S参数曲线，但该N-port model所定义的物理效应本质上是相同的。所以对于model的使用，理论上没影响，但实际上 因为tool的transient analysis的数值处理能力(fitting ability)不同，有些时候有影响。
打个比方，在SIwave v4.0很早期的文件，会建议讯号的port阻抗设50ohm，而电源的port阻抗设0.1~1ohm，但目前的SIwave其实就不需要特别这么做，即你可以延续之前的设定习惯，或是全部都renormalize 50ohm，SIwave吐出的S参数代到Designer去用，都可以得到一样的结果。如果您使用其他的tool有遇到设不同的port阻抗，得到时域模拟结果不同的情况，建议您可以试试SIwave。
六、Export S参数模型时
Export S参数模型时，有没有做port renormalize to 50ohm，对使用S参数有没有影
Quick answer : No
七、问题与讨论
（1） S参数无法汇入怎么办?
Ans：首先检查tool是否反馈任何错误讯息，再来以文本编辑器打开该S参数，检查其频点描述定义是否是递增排列(frequency monotonicity)。会出现这种乌龙错误，通常是有人手动编辑去修改S参数造成。
（2） S参数因为port数过多导致模拟耗时怎么办?
Ans：遇到S参数模拟耗时，首先我会检查该S参数是否有passivity与causality issue，或是在Designer模拟过程中，注意看看是否在state-space fitting process卡很久。遇到多埠S参数，则试着转成state space model (.sss)，仿真速度会加快不少，而透过SIwave或NdE转state space model的程序中，建议只勾enforce passivity，不用勾enforce causality，这样也会节省不少时间。(因为state space algorithm本身就满足primitive causality，所以不用担心其因果性问题)
（3） Toushstone1.0(TS1.0)与TS2.0主要有何差别?
Ans：TS2.0 (.ts)支持mixed reference impedance，而TS1.0 (.snp)每个port的reference impedance都要是相同的50ohm. 以SIwave为例：
以Designer内NdE (Network Data Explorer)为例
不管原本在SIwave或HFSS的port设定是否有指定renormalize，最后要export时还可以再决定要不要overwrite renormalize
（4）0Touchstone file可以设定noise data，那是什么东西，何时使用?
Ans：这是在TS1.0就有定义的功能，可以对Touchstone file附加noise data定义，一般用于主动组件的S参数模型。
当你在Designer汇入S参数模型时，可以右键单击[Edit Model]检视noise data (如果有的话).
（5）为何在2.2的例子，BGA与PCB各别S参数的loss累加(-0.29-0.8=-1.09)反而是比整个3D model一起看所得到的S参数(-1.06)来的差?
Ans：当BGA与PCB做3D结合的条件下去抽S参数时，此时原本没有参考平面的BGA上走线，会看到一些PCB上的平面透过solder ball所贡献的些微回流路径效应。这点我们也可以透过观察Z11(Z profile)来验证。
