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简述S参数在SI仿真中的应用进阶篇

上篇文章我们介绍了S参数的基本应用,了解了插损与回损的概念,但是S参数中所包含的通道信息远远不止这么多,我们可以通过S参数来评估通道的串扰情况,还可以粗略计算通道的传输延时,查看通道的阻抗一致性等等,就像小陈在之前的文章中所说的,S parameter is all…神奇的S参数:这条线是如何描述信号的? (戳文字,有超链接~)

这篇文章我们还是通过解答问题的形式来继续聊聊S参数在SI仿真中的应用。

怎样从S参数中看出通道的串扰情况?

串扰指的是相邻信号线之间的电磁干扰,如下图所示的两个相邻信号通道,信号线之间的电磁能量会存在相互耦合的情况。

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图1

如上图所示,当port1与port2之间通信时,port3与port4端口处也会有电流产生,我们称耦合到port3处的能量为近端串扰(S31),耦合到port4处的能量为远端串扰(S41)。我们来做一个实验,如上图所示通道,使用仿真软件提取传输通道的S参数,改变两根传输线之间的耦合距离,S分别为1H,2H和3H(H表示的是信号到参考层之间的距离)。得到的近端串扰S13曲线如下:

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图2

上图中,红色,蓝色,紫色分别代表两根线间距为1H,2H和3H时的近端串扰。这种串扰是用dB的形式表示的,我们将dB换算成百分比,如下:

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可以看到,随着间距的拉开,串扰逐渐变弱,当线间距达到3H的时候,串扰能量是很弱的,如果驱动端电压是1V的话,那么近端串扰感受到的电压幅值只有36mV。我们也可以在时域里面验证下,图1所示通道,在port1处引入一个幅值为1V的5GHz正弦波,改变两线之间的间距,在port3处得到的波形对比如下,其中红色正弦曲线为输入波形

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图3

可以看到,我们采用时域分析的方法得到的信号串扰幅值和频域提取的S参数得到的dB值是非常接近的。所以,只要得到了传输通道的S参数,我们就很容易看出通道的串扰情况。

怎样通过S参数得到通道的传输延时?

我们知道,S参数中除了包含通道的损耗信息外,还包含相位信息,下图为传输时延为1nS的单根传输线(2端口)的S12相位波形。

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图4

如上图所示,通道的相位曲线是一系列的锯齿波,并且呈周期性变化(并不是严格的周期性变化)。要想理解其中的含义,我们首先需要理解相位差的概念。如下图:

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图5

当端口1的正弦波到达端口2时,由于互连结构的延时,两个正弦波之间会存在一个相位差。对于同一个传输通道,不同频率的正弦波对应的相位差不同,如下图,分别为0.25G,0.5G,1G正弦波对应的相位差

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图6

同样的通道,该通道的相位曲线如下图所示:

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图7

可见,S参数中的相位,与我们直接使用正弦波仿真得到的结果是一样的。当我们理解了相位曲线的含义后,就不难通过相位偏移来计算传输通道的延时了。一般使用以下公式来计算通道延时 :

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对于这个通道,我们代入公式,有:

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这样,我们就通过S参数的相位信息计算出了通道的延时。

编辑:jq

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