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技術(shù)專題
電路設(shè)計使用S參數(shù)仿真來重申信號完整性
通常的做法是更換有故障的設(shè)備，而不是花費大量精力和金錢進行長時間的維修。但是，對操作故障進行故障排除是一項艱巨的工作。從工程師的角度來看，塑造用戶友好型解決方案所涉及的工程技術(shù)水平是巨大的-識別內(nèi)部電路設(shè)計出了什么問題更加困難。
復(fù)雜內(nèi)部電路的信號完整性在確保設(shè)備的可靠運行中起著至關(guān)重要的作用。內(nèi)部電路之間的正確通信可以使設(shè)備按照目錄中的規(guī)定運行。每當(dāng)傳播延遲到來時，內(nèi)部電路之間的相互作用就會失去兼容性，并且設(shè)備可能會失靈。在電路的高頻操作下，信號質(zhì)量失真的機會相對更多。
散射參數(shù)“ S-參數(shù)”仿真強調(diào)了高頻電路的信號完整性。在高頻下，電壓和電流分析與S參數(shù)分析相比效果不佳。S參數(shù)模擬將輸入的交流信號視為電磁“ EM”或射頻“ RF”波，并定義了信號如何在輸入側(cè)反射并傳輸?shù)诫娐返钠渌糠?。為了通過反射和透射來表征RF電路，S參數(shù)比H，Z和Y參數(shù)更有效。
電路之間的大量互連增加了通信錯誤和設(shè)備間延遲的可能性。信號中的延遲，失真和質(zhì)量下降會影響電路的信號完整性。隨著工作頻率從kHz到GHz，電路數(shù)量的行為更像是電波。按照高頻的電壓和電流對電路建模不是可行的方法。S參數(shù)仿真是最合適的工具，用于在高頻下表征復(fù)雜電路以確保其信號完整性。
S參數(shù)仿真是一種交流仿真，它表示在給定溫度，偏置條件和輸入信號下器件的小信號行為。信號的衰減和放大可以借助S參數(shù)進行解釋。在此仿真中，非線性分量被線性化，以提供電路在不同頻率下的線性特性。
S參數(shù)的級聯(lián)可以看作是S參數(shù)仿真的優(yōu)勢之一，特別是在涉及復(fù)雜電路時。例如，您可以分別模擬每個放大器級的S參數(shù)，并且可以使用級聯(lián)的S參數(shù)來分析多級放大器的性能。
在S參數(shù)仿真中，所考慮的電路被轉(zhuǎn)換為多端口網(wǎng)絡(luò)。您無需短路并打開端口即可進行S參數(shù)計算，這是確定H，Z和Y參數(shù)的步驟。將S參數(shù)輕松轉(zhuǎn)換為H，Z和Y參數(shù)，有助于發(fā)現(xiàn)寄生電抗對信號完整性的影響。
反射和透射系數(shù)
在S參數(shù)模擬中，n端口網(wǎng)絡(luò)等效值通過EM波一次激勵一個端口，并在所有端口上測量EM能量。通常，S參數(shù)以矩陣形式（稱為S矩陣）表示，線性方程的系數(shù)控制電路作為矩陣元素。對于n端口網(wǎng)絡(luò)，S參數(shù)形成一個nxn矩陣。如下圖所示：
S矩陣
矩陣?i=j?的對角元素表示反射系數(shù)，其他元素?ij?給出透射參數(shù)。反射和透射的EM能量分別由反射系數(shù)和透射系數(shù)表示。S矩陣中的任何元素S ij都會量化從輸入端口“ j”傳輸?shù)捷敵龆丝凇?i”的EM能量。
S參數(shù)是具有振幅和相位值的復(fù)數(shù)，并且與頻率有關(guān)。S參數(shù)wrt隨頻率的變化可以通過兩種方式繪制：
幅度與頻率的關(guān)系曲線以及相位與頻率的關(guān)系曲線-幅度和相位的變化情況繪制在兩個不同的圖中。盡管S參數(shù)是無量綱的量，但振幅通常以dB表示。
史密斯圓圖-史密斯圓圖是用于指示S參數(shù)的流行圖表。圓的半徑是S參數(shù)的振幅，相位角沿逆時針方向變化。
下圖顯示了史密斯圓圖上標(biāo)記的反射系數(shù)。反射系數(shù)1?0°表示一個完美的開路，信號在沒有相位變化的情況下被反射回輸入端口。
史密斯圓圖顯示反射系數(shù)
與S參數(shù)有關(guān)的信號完整性
在構(gòu)建RF電路時，我們的目的是將能量有效地從源傳遞到負(fù)載。為了使電路無損，阻抗匹配是必不可少的。阻抗不匹配會將一些能量反射回輸入端口，并且這種能量損耗與頻率有關(guān)。總是提到反射能量，以便將能量從電源轉(zhuǎn)發(fā)到負(fù)載，以更好地了解能量損失。
RF電路中常用的表示能量損耗的術(shù)語是：
回波損耗是前向功率和反射功率之間的差。隨著反射功率的降低，功率損耗的百分比也會降低。對于無損系統(tǒng)，沒有功率反射回來，這在史密斯圓圖中已提到為0％反射。就S參數(shù)而言，回波損耗可以通過使用公式found1?找到。
其中，S ij代表反射系數(shù)。
電壓駐波比“ VSWR”是“前向波+反射波”的最大值與最小值之比。VSWR可以表示為公式?2?：
本的反射系數(shù)在方程?1?和?2?可以在源阻抗?Z來表示0 ?和負(fù)載阻抗?Z大號?如下：
當(dāng)Z 0與Z L完全匹配時，系統(tǒng)變?yōu)闊o損，并且VSWR取單位值。在反射功率為100％的電路中，VSWR值變?yōu)闊o窮大。
回波損耗和VSWR之間的關(guān)系可以用公式?4表示。
現(xiàn)在，讓我們將信號完整性，阻抗匹配和S參數(shù)仿真之間的點連接起來。
如果要在RF電路中尋找信號完整性，則需要確保信號傳播沒有任何散射或延遲。該電路條件對應(yīng)于阻抗匹配。信號完整性可以通過匹配與源阻抗?Z負(fù)載阻抗來實現(xiàn)0 = Z大號?。輸入和輸出阻抗匹配可使用反射系數(shù)輕松確定，而傳輸S參數(shù)存在耦合或串?dāng)_。
如我們所見，S參數(shù)如何與RF電路中的反射能量相連，在負(fù)載側(cè)插入匹配的阻抗網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生魔力。當(dāng)匹配網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗和負(fù)載阻抗等于源阻抗的共軛時，信號向輸入端口的反射變?yōu)?％，電路的信號完整性達(dá)到最大。