[導讀] 三, 直接用于仿真的S參數的特性不是任何S參數文件都可以直接用于仿真軟件。 SPARQ區(qū)別于VNA的一點是,SPARQ測量出來的S參數可以直接用于仿真軟件。 我們知道，可直接用于仿真軟件的S參數需要具備以下特點：1，遵循三
三, 直接用于仿真的S參數的特性
不是任何S參數文件都可以直接用于仿真軟件。 SPARQ區(qū)別于VNA的一點是,SPARQ測量出來的S參數可以直接用于仿真軟件。 我們知道，可直接用于仿真軟件的S參數需要具備以下特點：1，遵循三大S參數特性原則:無源性（Passivity），互易性（Passivity），因果性（Causality）。VNA產生的S參數由于不遵循這三個特性的原則,需要另外的軟件來做這三個原則的檢查驗證之后才能用于仿真。 2，有DC點。 VNA產生的S參數不帶有DC點,需要另外的方法測量出DC時的S參數值。 3，對于差分信號系統(tǒng),需要混合模式S參數。VNA不能直接產生混合模式S參數。 4，S參數以touchstone文件格式保存。作為世界上第一臺信號完整性網絡分析儀SPARQ產生的S參數具備以上這些特點，可以“拿來就用”，直接用于仿真。
· 無源性（Passivity）
對于一個無損網絡，S矩陣是一個單位矩陣，因此，對于二端口網絡存在下面的關系式：
由于沒有損耗，所有散射的總量應是100%。當S21（S11）大的時候，S11（S21）就會小一些，這從前面的S參數曲線可以看出來。
對于無源的二端口網絡 ，因此，一個無源器件的S參數不會大于1（0dB）。VNA測量的S參數結果如果沒有經過軟件進行無源性驗證，其S參數值會出現(xiàn)出現(xiàn)大于0dB的情形，不能直接用于仿真軟件。
表示為功率散射比，這個值越小,說明損耗越大。
· 互易性（Passivity）
如果一個器件是可交換方向使用，而不是單相的如隔離器、環(huán)行器，S矩針是對稱的，因此，Sij=Sji。
· 因果性（Causality）
所謂因果性就是先有激勵才有輸出。對于無源系統(tǒng)S參數，由于信號的傳輸一定會產生一定的延時，因此無源系統(tǒng)的S參數應該是符合因果性原理的，但實際測得的S參數往往會由于種種原因產生一定的非因果性。很多信號完整性仿真軟件需要符合因果性特征的S參數，否則仿真時可能會產生發(fā)散現(xiàn)象，導致不正確的仿真結果。
四，混合模式的S參數
差分傳輸系統(tǒng)早已成為高速信號系統(tǒng)傳輸的主流。如果差分傳輸線的距離很近，差分線之間能很好的耦合，差分信號是完全對稱, 任何引入的噪聲對兩條差分傳輸線的的影響是相同的,那么在芯片的接收端,由于減法運算，引入的共模噪聲就被消除了。然而，實際的差分系統(tǒng)并不是完美的,構 成差分信號的兩個單端信號本身的不平衡，兩個通道的長度不相等,耦合不緊密等都會導致能量由差模向共模轉換。由于實際的差分信號總是由差模信號和共模信號 組成（ ）,單端的四端口S參數矩陣并不能提供關于差模和共模匹配和傳輸的有洞察力的信息。因此，1995年提出的混合模式S參數成為評價差分傳輸系統(tǒng)的重要工具。
我常說,各種各樣的串行數據標準描述的都是關于“兩根線”的故事。如果不是用來傳輸差分信號，這“兩根線”組成的是一個單端四端口的網絡，單端四端口S參數矩陣描述了每個端口受到激勵分別有什么樣的響應。如果是用來傳輸差分信號，這個單端四端口網絡就可以理解為了一個差分二端口網絡，如圖十所示，混合模式S參數從物理意義上理解正是描述了成對的兩根線對兩個信號之和（共模）和兩個信號之差（差模）的分別有什么樣的響應。
圖十 混合模式S參數測量
單端四端口S參數和混合模式S參數之間是可以相互轉換的，如圖十一所示。因此通過測量單端四端口的S參數來推導出混合模式的S參數。
圖十一 單端四端口S參數和混合模式S參數之間的轉換
混合模式S參數矩陣四個象限中包含了四種類型的混合模式S參數。第一象限以Scc開頭的表示共模S參數，第四象限以Sdd開頭的表示差模S參數。 其它兩象限的Sdc表示差模向共模的轉換，Scd分別共模向差模的轉換。如果這兩根線有很好的對稱性,Sdc和Scd為零,表示差模和共模是完全獨立的。 Sdd21表示差分端口1到差分端口2的差模增益，其它符號的含義類推。
用混合模式S參數表示兩端口差分系統(tǒng)的輸出和輸入之間的關系式如下：bd1表示1端口的差分輸出，ad1表示1端口的差分輸入。
五，S參數的測量方法
S參數的測量方法有兩種，一種是基于掃頻測量的原理（VNA）,另外一種是基于快沿階躍響應的原理（TDR，SPARQ）。
圖十二是VNA的原理框圖，主要包括以下部分: （1）激勵信號源：提供感興趣的頻率范圍內的入射信號；（2）信號分離裝置：含功分器和定向耦合器，分離出入射，反射和傳輸信號；（3）接收機：對被測件的入射，反射和傳輸信號進行測試；（4）處理顯示單元：對測試結果進行處理和顯示。
圖十二 VNA的原理框圖
VNA的測量過程中會產生六大系統(tǒng)誤差：（1）與信號泄露相關的方向誤差;(2)與信號泄露相關的串擾誤差; (3)與反射相關的源失配;（4）與反射相關的負載阻抗失配; (5)由測試接收機內部的反射引起的頻率響應誤差; (6)由測試接收機內部的傳輸跟蹤引起的頻率響應誤差。因此在使用前需要進行嚴格的校準。正確的校準是使用VNA的一個難點。 VNA測量出來的S參數是否有錯誤并不能通過VNA直接能檢查出來，只有導入仿真軟件仿真出結果發(fā)現(xiàn)有問題時可能會懷疑是S參數測量有問題,再返回來檢查 VNA校準，VNA測量時的操作有沒有錯誤。但SPARQ由于有時域分析能力，可以立即查看當前測量出的S參數的時域響應是否合理。
理論上來說, 任何信號在時域和頻域上是一一對應的，而且是可以相互轉換的。這為基于階躍響應的時域TDR/TDT方法測量S參數提供了可能。圖十三表示采用TDR /TDT方法測量S21，S12的原理。ST-20是力科公司采樣示波器件WE100H上的TDR模塊,可以產生ps級的快沿并可作為20GHz帶寬的采 樣頭。假設Channe2為端口1，Channle3為端口2，Channel 1產生快沿信號作為入射波經過PCB走線后由Channel3接收該信號。入射的快沿信號和采樣到的信號都可經過FFT變換分解成從一定頻率范圍的信號， 經過計算得到頻域的S參數。
圖十三 基于TDR/TDT方法測量S參數
其實在談到VNA和TDR兩種方法測量S參數的區(qū)別時，我們會自然聯(lián)系到示波器的前端頻率響應曲線的測量方法。 我們可以通過傳統(tǒng)的掃頻描點的方法（調節(jié)正弦波信號源的頻率，然后分別測量不同頻率時示波器測量到的峰峰值）來測量頻響曲線，但也可以通過快沿信號輸入到示波器,對采樣到的快沿信號做FFT的方法來快速簡便地測量頻響曲線。 這兩種方法測量示波器頻響曲線的原理上的區(qū)別和測量S參數的兩種方法的區(qū)別是一個道理。
近些年來三個儀器廠商基于TDR 原理測量S參數的實踐證明了兩種測量方法的符合度非常高，如圖十四所示為兩種方法測量的S參數的結果對比。但基于TDR的方法存在有動態(tài)范圍不太高的缺 點。SPARQ測量S參數源于TDR的原理，但通過專利算法在提高動態(tài)范圍上獲得突破，而且在一鍵操作實現(xiàn)自動化校準方面的創(chuàng)新，具備時域分析能力和S參 數文件可以直接被SI仿真軟件調用等特點使得SPARQ成為信號完整性工程師測量S參數的首選儀器。
圖十四 VNA和TDR方法測量的S參數一致性很好
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