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技术专题
电路设计使用S参数仿真来重申信号完整性
通常的做法是更换有故障的设备，而不是花费大量精力和金钱进行长时间的维修。但是，对操作故障进行故障排除是一项艰巨的工作。从工程师的角度来看，塑造用户友好型解决方案所涉及的工程技术水平是巨大的-识别内部电路设计出了什么问题更加困难。
复杂内部电路的信号完整性在确保设备的可靠运行中起着至关重要的作用。内部电路之间的正确通信可以使设备按照目录中的规定运行。每当传播延迟到来时，内部电路之间的相互作用就会失去兼容性，并且设备可能会失灵。在电路的高频操作下，信号质量失真的机会相对更多。
散射参数“ S-参数”仿真强调了高频电路的信号完整性。在高频下，电压和电流分析与S参数分析相比效果不佳。S参数模拟将输入的交流信号视为电磁“ EM”或射频“ RF”波，并定义了信号如何在输入侧反射并传输到电路的其他部分。为了通过反射和透射来表征RF电路，S参数比H，Z和Y参数更有效。
电路之间的大量互连增加了通信错误和设备间延迟的可能性。信号中的延迟，失真和质量下降会影响电路的信号完整性。随着工作频率从kHz到GHz，电路数量的行为更像是电波。按照高频的电压和电流对电路建模不是可行的方法。S参数仿真是最合适的工具，用于在高频下表征复杂电路以确保其信号完整性。
S参数仿真是一种交流仿真，它表示在给定温度，偏置条件和输入信号下器件的小信号行为。信号的衰减和放大可以借助S参数进行解释。在此仿真中，非线性分量被线性化，以提供电路在不同频率下的线性特性。
S参数的级联可以看作是S参数仿真的优势之一，特别是在涉及复杂电路时。例如，您可以分别模拟每个放大器级的S参数，并且可以使用级联的S参数来分析多级放大器的性能。
在S参数仿真中，所考虑的电路被转换为多端口网络。您无需短路并打开端口即可进行S参数计算，这是确定H，Z和Y参数的步骤。将S参数轻松转换为H，Z和Y参数，有助于发现寄生电抗对信号完整性的影响。
反射和透射系数
在S参数模拟中，n端口网络等效值通过EM波一次激励一个端口，并在所有端口上测量EM能量。通常，S参数以矩阵形式（称为S矩阵）表示，线性方程的系数控制电路作为矩阵元素。对于n端口网络，S参数形成一个nxn矩阵。如下图所示：
S矩阵
矩阵❲i=j❳的对角元素表示反射系数，其他元素❲ij❳给出透射参数。反射和透射的EM能量分别由反射系数和透射系数表示。S矩阵中的任何元素S ij都会量化从输入端口“ j”传输到输出端口“ i”的EM能量。
S参数是具有振幅和相位值的复数，并且与频率有关。S参数wrt随频率的变化可以通过两种方式绘制：
幅度与频率的关系曲线以及相位与频率的关系曲线-幅度和相位的变化情况绘制在两个不同的图中。尽管S参数是无量纲的量，但振幅通常以dB表示。
史密斯圆图-史密斯圆图是用于指示S参数的流行图表。圆的半径是S参数的振幅，相位角沿逆时针方向变化。
下图显示了史密斯圆图上标记的反射系数。反射系数1⦟0°表示一个完美的开路，信号在没有相位变化的情况下被反射回输入端口。
史密斯圆图显示反射系数
与S参数有关的信号完整性
在构建RF电路时，我们的目的是将能量有效地从源传递到负载。为了使电路无损，阻抗匹配是必不可少的。阻抗不匹配会将一些能量反射回输入端口，并且这种能量损耗与频率有关。总是提到反射能量，以便将能量从电源转发到负载，以更好地了解能量损失。
RF电路中常用的表示能量损耗的术语是：
回波损耗是前向功率和反射功率之间的差。随着反射功率的降低，功率损耗的百分比也会降低。对于无损系统，没有功率反射回来，这在史密斯圆图中已提到为0％反射。就S参数而言，回波损耗可以通过使用公式found1❳找到。
其中，S ij代表反射系数。
电压驻波比“ VSWR”是“前向波+反射波”的最大值与最小值之比。VSWR可以表示为公式❲2❳：
本的反射系数在方程❲1❳和❲2❳可以在源阻抗❲Z来表示0 ❳和负载阻抗❲Z大号❳如下：
当Z 0与Z L完全匹配时，系统变为无损，并且VSWR取单位值。在反射功率为100％的电路中，VSWR值变为无穷大。
回波损耗和VSWR之间的关系可以用公式❲4表示。
现在，让我们将信号完整性，阻抗匹配和S参数仿真之间的点连接起来。
如果要在RF电路中寻找信号完整性，则需要确保信号传播没有任何散射或延迟。该电路条件对应于阻抗匹配。信号完整性可以通过匹配与源阻抗❲Z负载阻抗来实现0 = Z大号❳。输入和输出阻抗匹配可使用反射系数轻松确定，而传输S参数存在耦合或串扰。
如我们所见，S参数如何与RF电路中的反射能量相连，在负载侧插入匹配的阻抗网络会产生魔力。当匹配网络的等效阻抗和负载阻抗等于源阻抗的共轭时，信号向输入端口的反射变为0％，电路的信号完整性达到最大。