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關注創建者:光芯片高頻實驗室 創建時間:2019-07-31

S參數的實例教程
1 S 參數與信號完整性
S 參數全稱是散射參數(Scatter Parameters, S-parameters),最早應用于微波和射頻工程領域,由于其自身的“黑盒”特性以及頻域屬性,使其得以在高頻領域得到廣泛地應用。目前,S 參數已經能夠描述電阻、電容、PCB 走線、電源地平面、回流路徑、封裝、插座、接插件、線纜等。
對于單個端口,只存在一組S 參數即S11,一般又稱為單端S 參數。開路S 參數雖然只用了一個端口,但是對于PCB 走線而言,單端開路S 參數卻包含了許多重要信息:如信號頻域反射情況、信號延時程度、介質損耗程度、特性阻抗穩定性情況等。
一般而言,使用最多的是雙端口S 參數,它包含四個量S11、S12、S21、S22,構成了最簡單的S 參數矩陣。其中,S11 或者S22 又通常稱為回波損耗,S11 反應了信號傳播的反射情況,與之對應的信號完整性問題為反射及阻抗的匹配問題。利用S11 曲線可以很容易地找到信號傳輸的 “頻率共振點”(即S11 的谷值頻點),從而指導信號走線長度及阻抗設計。
對于PCB 走線的S 參數而言,S11 還有一個重要的特性:峰峰值(或者谷谷值)頻率周期特性,如果將峰峰值(或者谷谷值)用Δf 來表示,則它與傳播延時的關系可用下式來計算:
根據上式,就可以精確計算信號線的傳播延時。再根據微帶線或者帶狀線傳播延時計算公式,就能得到信號相對介電常數大小,從而得到介質材料的特性。
S21 稱為插入損耗,反映了信號的傳輸能力,一般要求越大越好。與S11 類似,S21 的一個重要特性就是其真實地反映了介質損耗和導體損耗的程度。
展開 S參數全稱是散射參數(Scatter Parameters 或者S-Parameter),能夠反映信號的反射、阻抗匹配、信號的傳輸特性以及信號的串擾情況等,利用S參數能夠很好的反映信號完整性情況。本文主要介紹如何使用ANSYS SIwave進行S參數的分析及相應的設計修改。
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<strong>5月27日,</strong>Ansys 2025R1系列網絡研討會將推出「<strong>多階PCB+PKG過孔自動建模和S參數AI瞬仿</strong>」主題內容。歡迎感興趣的用戶免費報名參會。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/lR4GOtoy9vLSrFicThBmUtGPiafB0QjqU6CSyRvqnGfFA8xPSaicR8rnm1VceBrLQd0GsZkXcue8BfM4GvXiaR7scQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg" width="1126"></p><p class="ql-align-justify"><strong>時間:2025年5月27日 16:00</strong></p><p class="ql-align-justify"><strong>講師:</strong>馮雪剛 | Ansys高級應用工程師</p><p class="ql-align-center"><strong><img src="https://mmecoa.qpic.cn/mmecoa_png/sJ5jnYn8Sicc0SPzvaEIIzWpWqYBhCy2bdjkH5t4AhybP32mQUm8LPSXianjaHwzYBMrefddbn9kLibdSnibkE7xVg/640?
展開 內置粒子群優化工具用于最大化耦合效率,并使用組件S參數在 INTERCONNECT 中創建緊湊模型。還演示了如何使用 CML 編譯器提取這些參數以生成緊湊模型。(聯系我們獲取文章附件)
概述
本示例的目標是設計一個 TE 絕緣體上硅 (SOI) 耦合器,該耦合器帶有由單模光纖從頂部饋電的布拉格光柵。此設計中的關鍵品質因數(FOM)是目標波長處的耦合效率。耦合效率對光柵的間距高度敏感p,蝕刻長度le和蝕刻深度he以及光纖的位置x和傾斜角度θ。
這五個參數通常一起優化,以最大限度地提高目標中心波長的耦合效率。由于具有五個參數的暴力 3-D 優化非常耗時,因此此處使用 2-D 和 3-D 模型的組合進行兩階段優化,并且僅改變三個幾何參數。設計工作流程包括四個主要步驟。
1、初始 2-D 優化:優化光柵的間距 p、占空比 d 和光纖位置 x。
2、最終的 3-D 優化:優化光纖的位置 x 以最小化插入損耗。
3、S 參數提取:運行 S 參數掃描并將結果導出到數據文件。
4、緊湊的模型創建:將 S 參數數據導入光學 S 參數元素。
如下一節所示,主要使用40D仿真并改變光柵的間距、占空比和光纖位置可以獲得高于2%的峰值耦合效率。
使用 CML 編譯器生成緊湊模型
要使用CML編譯器生成光柵耦合器的緊湊模型,可以使用步驟3中的S參數數據。
運行和結果
第 1 步:2D 優化
1、打開 2D 模擬文件。
2、進入“優化和掃描”窗口,打開名為“耦合效率優化”的優化項,查看優化設置。
3、查看設置后,關閉編輯窗口并運行優化。優化應在 10 到20分鐘內完成。如果您不想等待,請直接進入最后的 3D 優化步驟。
展開 在進行AC阻抗分析、去耦電容方案優化、同步開關噪聲(SSN)分析等電源完整性仿真或兼顧電源影響的信號完整性仿真中,需要設置各種電容型號的模型,模型種類一般包括只有一個容值的理想電容模型、包含RLC寄生參數值的一階SPICE模型、更復雜的多階SPICE模型以及寬帶S參數模型,模型的精確性依次升高。在進行仿真前,需要盡可能地找到與仿真電源、電路相關的所有電容型號模型,才能得到一個更具參考價值的仿真結果。
理想電容模型是最容易定義的一種模型,只要知道設計容值即可,但該種模型并不能準確描述電容的寬帶行為,表現不出諧振特性,仿真結果不具備很好的參考價值;一階SPICE模型常常在找不到多階SPICE模型和S參數模型時使用,很多公司有各種不同容值不同封裝大小電容的RLC參數表,可以根據查表估算模擬;多階SPICE和S參數模型往往是電容廠商提供,可以到他們的官網搜索對應型號下載。一些公司也會制作電容測量系統自己得到S參數模型,這種方式雖然成本很高,但像一些國產電容一般原廠拿不到模型用,只能自己測或者使用簡單RLC模型模擬,另外自己測量得到的電容模型更加接近真實使用環境,比如包括安裝效應。
總結一下,使用電容原廠提供的S參數或SPICE模型,是既方便快捷又保證精確性的方法;如果沒有,可以使用一階RLC模型代替,犧牲一定的精確性,但結果也具有參考價值;還可以制作測試板等測量系統自己測電容的S參數,花些成本與時間來保證最高精度。
除了選擇電容模型,另一件困擾工程師的事就是在拿到模型后,如何很好地在仿真軟件中應用和管理,下面以Sigrity? PowerSI?為例來說明針對上述電容模型,如何實現創建、導入、應用、管理等操作。Sigrity的其它PI軟件和模型抽取軟件如Sigrity? OptimizePI?、Clarity? 3D Solver,使用方法上基本一致。
展開 
S參數的最新內容
在實際應用中,Ansys DDR Plus可基于Ansys HFSS與Ansys SIwave自動提取通道S參數,并自動搭建Read/Write仿真鏈路,支持Nexxim與HSPICE求解器。系統還能自動生成DDR驗證所需的關鍵分析指標,并在后處理中集成JEDEC規范的Sign-off標準,大幅減少人工干預與重復勞動。
Frequency sweep: INTERCONNECT是一款專用的光子電路求解器,支持S參數分析。通過INTERCONNECT進行頻率掃描非常高效。相比之下,photonic Verilog-A模型通常是為適應瞬態分析而構建的。Photonic Verilog-A模型的頻率掃描通常以間接方式進行,即通過直流分析,這非常緩慢。掃描時間也會隨掃描點數的增加而線性增長。
與Synopsys OptoCompiler的直接橋接
Synopsys OptoCompiler與INTERCONNECT的互操作性
Sentaurus TCAD - Lumerical FDTD工作流
適用于PrimeSim的光子Verilog-A緊湊模型
Ansys Lumerical FDTD
Lumerical Burst改進(“提交即忘”模式、支持S參數掃描
仿真運行現已完成,您現在可以進行下一步,從仿真文件中提取S參數。
步驟3–S參數提取
工作流程的這一步驟利用CML-Compiler S-parameter data collection wizard,從上一步生成的仿真文件中提取S參數緊湊模型。
以下說明僅提供與此工作流程中的MMI示例相關的信息以及步驟的簡要描述。
整個模型共有9個材料參數(有時算上彈性參數共11個):A、Q/R、ξ、m、h?、a、?、n、s?。這些參數通常通過恒應變率拉伸/壓縮試驗、在不同溫度和應變率下擬合得到,不同焊料合金(如SAC305、Sn63Pb37等)參數差異較大,且會受老化影響。典型的SAC305焊料的ANAND本構如下圖所示。
通過建立精確的3D電磁模型,結合Ansys HFSS進行頻域S參數提取,并利用Ansys Circuit進行時域仿真,優化PCB布局布線方案,提升信號傳輸穩定性。實驗結果表明,基于Ansys的協同仿真方法可有效預測高速信號鏈路的眼圖抖動、上升時間等關鍵指標,降低EMI風險,為大尺寸屏的高速信號設計提供可靠的理論依據和工程實踐指導。
基于HFSS的寬帶圓極化天線設計2個月前
雙層微帶天線設計
圖1
如圖1所示,天線采用雙層結構,下方是正方形貼片,在兩個角引出饋電點,這兩個點施加幅度相同,相位相差90度的激勵信號,天線將實現圓極化輻射
二.90度小型化電橋設計
圖2
圖2是所設計的電橋,采用兩個常規的90度電橋級聯,為進一步縮小空間,采用彎折處理,仿真得到的s參數如下。
圖1.光路布局
圖2是用于實現10 Gb/s傳輸的全局參數。
圖2.全局參數設置
圖3為脈沖參數。
圖3 脈沖參數設置
我們設定:
比特速率 B= 10 Gb/s → TB = 100 ps.
第二種是在元件庫中選擇S parameters→Optical→Optical N Port S-Parameter,其流程如圖4(b)所示,該方法是先使用FDTD求解器對單個MRR進行仿真,然后導出其S參數,最后將該S參數導入INTERCONNECT中選擇的元件中,不需要設置其他參數。本次仿真采用第一種設計方法。
S參數提?。哼\行以獲取作為波長函數的S參數并將結果導出到數據文件。緊湊模型創建:將S參數數據導入INTERCONNECT。
步驟1:利用FDE對光纖位置進行優化
將FDE求解器放置在SMF-28光纖和倒錐形波導相接的截面處,分別計算二者的橫截面模場分布。