信号完整性学习--S参数基础知识

前面已经介绍了反射、串扰、损耗等传输线效应。那么怎样衡量传输线效应呢？在实际的应用中，难道要我们用公式来计算反射、串扰吗？当然不用这样，这一节我们来介绍S参数。 S参数在微波和射频设计中是非常重要的，因为它具有如下优点： （1） 它非常容易测量而且相比其它参数其高频特性更准确。 （2） S参数概念简单、分析方便，能够细致深入的洞察到测试和建模存在的问题。 为什么说S参数会给信号完整性分析带来方便呢？ 首先我们来看信号从驱动器出来到接收器件接收到正确的波形都需要经过哪些路径，也就是高速信号的传输通道都包括哪些组成部分。在驱动器、接收器的封装内部会有bonding wire/bump、substrate布线、BGA ball，在PCB板上又会有换层过孔、微带或者带状布线、匹配器件、连接器等等。传输通道的这些组成部分都会导致阻抗不连续、损耗等信号完整性问题。在信号速率很低时我们可以不关注过孔、BGA ball、直角布线等非理想因素带来的寄生效应，在进行阻抗匹配设计是只考虑驱动器电阻、传输线阻抗这些主要因素即可。但在随着信号速率的提高任何互联链路中的非理想因素都会对链路的性能产生影响，此时如 信号完整性（Signal Integrity, SI）是电子工程领域中至关重要的概念，特别是在高速数字系统的设计中。S参数（Scatter Parameters）是评估信号完整性的一种有效工具，尤其在微波和射频设计中扮演着核心角色。S参数是描述多端口网络在不同频率下对入射波如何散射和传输的量，它们提供了网络特性的完整视图。 S参数的优势在于它们容易测量且在高频下的准确性更高。相比于直接计算反射和串扰等复杂公式，S参数的概念更为直观，分析过程更为简便。通过S参数，工程师可以深入分析信号完整性问题，例如在高速信号路径中的反射、损耗和串扰，这些都是由传输通道的各种组件引起的，如封装内的bonding wire/bump、substrate布线、BGA ball，以及PCB上的过孔、微带或带状布线、匹配器件和连接器等。 在高速串行总线如Rapid IO和PCIe的设计规范中，S参数常被用来规定传输链路的性能要求，如插入损耗和回波损耗。此外，S参数也是现代信号完整性仿真软件，如Cadence、Mentor、Agilent的EDA工具，以及Keysight、Rhode & Schwartz等测试设备的重要功能，支持S参数的提取和仿真分析。 S参数的定义基于二端口网络，涉及入射功率波、反射功率波以及传输功率波之间的关系。例如，S11表示端口2匹配时端口1的反射系数（回波损耗），S22是端口1匹配时端口2的反射系数，S12和S21则分别代表端口间的反向和正向传输系数（插入损耗）。多端口S参数进一步扩展了这种表示法，允许分析复杂的N端口网络中的串扰特性。 在实际应用中，当信号速率增加时，任何互联链路中的非理想因素，如过孔、直角布线等寄生效应，都将对链路性能产生显著影响。这时，使用S参数可以简化分析，因为它包含了无源通道的所有特征。通过精确测量和分析S参数，工程师可以更好地理解和优化高速信号传输路径，确保数据的准确传输和系统的稳定运行。