S参数的模态转换和三大特性

差分S参数还有还有一个特征:模态转换。组成差分对的两条传输线在互连时的任何不对称都会引起模态转换,这里的任何不对称,可能是互连的长度不同,可能是两条传输线各自周围的介电常数不同,出线区域的线宽不同等等。

信号经过不对称处时,就会发生模态转换。常见的就是共模信号转差分信号,差分信号转共模信号。如下图框选处:

差分信号质量

模态转换第一个问题就是影响差分信号质量。信号经过不对称处,一些共模信号转换成差分信号,这些差分信号和原有数据不同步,造成原有差分信号的失真,增加误码率,影响信号质量。下图为相关电路和仿真波形:

幅度衰减问题

模态转换还会遇到差分信号幅度衰减的问题。下图为完全对称无错位和有100ps的错位两种情况的仿真对比,100ps的错位差分对的差分插入损耗会有下冲,发生在错位达到1/2周期的时候。

除了上面的一些仿真可以说明模态转换的问题,其实,从单端和差分S参数之间的公式也可以说明:影响模态转换的相关因素。

如果差分对的两条线阻抗匹配一致,也就是没有反射,那么S11=S33,如果两条线相互间的近端串扰也一致,那么S13=S31,那么就不存在模态转换。

如果差分对的两条线周围环境一样,也就是损耗一致,那么S21=S43,如果两条线都是在内层,相互间的远端串扰也一致,那么S23=S41,那么就不存在模态转换。

三大特性

因果性

由于信号的传输会产生一定的时延,信号就应该时延之后到达。有激励进入才会有输出,响应不可能发生在激励之前。通过检查时域冲击响应在小于零的时间里是否产生任何的响应,来确定S参数是否满足因果性。

图片来源于网络,侵删

无源性

S参数表征的是线性时不变系统,通道是无源的,需要满足能量守恒,对于二端口网络来说,相关关系公式如下

也就是说能量总和不会大于1,也就是0dB,如果超过0dB,那就说明S参数无源性有问题。

图片来源于网络,侵删

互易性

通道的端口可以随意设置,也可以交换使用,S参数是矩阵对称的,从通道的两边看进去,特性是一致的,也就是Sij=Sji。

小结

在使用无源S参数进行相关仿真,需要对S参数进行检查,确保其满足相关特性要求。S参数的不准确会造成仿真不收敛或者是仿真的结果明显不符合要求。

对于不符合要求的S参数,一般的做法是重新调整网格划分和收敛值,重新提取S参数。

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