射频工程师必读：S参数进阶

1、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...

2、个别S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。

（1）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。

（2）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

3、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。

4、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。

5、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。

6、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