S參數的案例
【往年優秀論文】基于S 參數模型的信號完整性仿真驗證
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 干貨 | ANSYS SIwave PCB板S參數的分析
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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電磁仿真 | 多階PCB+PKG過孔自動建模和S參數AI瞬仿
<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 Ansys Lumerical | FDTD 應用：設計光柵耦合器
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。
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【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器3丨仿真流程
本期主要展示從設計端面耦合器，到參數優化以實現模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創建耦合面，但其優勢在于能提供較大的工作帶寬。
本期文章參考文獻[1]設計了一個基于絕緣體上硅（SOI）結構的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進/出傳統SMF-28光纖，工作中心波長為1550 nm，其結構示意圖如圖1所示。
圖1 （a）端面耦合器結構示意圖；（b）橫截面示意圖
如上圖所示，該端面耦合器包含3個 層，且硅波導采用倒錐形結構，用于將光場擴展成更大的波導模式，使其與光纖模式更兼容。此外， 層的有效折射率由亞波長光柵控制，即高折射率（ ）和低折射率（ ）材料的交替條帶。該器件的品質因數（FOM）是波導模式和光纖模式之間的耦合效率，它是有效折射率失配和模式尺寸失配的函數。在此示例中，重點是優化光纖位置和倒錐形波導的長度。對于倒錐形波導的設計，使用本征模擴展（EME）方法，因為它允許在掃描器件長度或器件的任何部分時立即重新計算S矩陣結果，不需重復運行仿真。設計過程包括以下5個主要步驟：
利用FDE對光纖位置進行優化。利用EME對無基底的倒錐形波導長度進行優化。加入基底，利用EME進行最終優化。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。
展開 實例分享 I Sigrity電容模型應用與管理指導
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 Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應導出為S參數，S參數可用于隨后的電路模擬。
根據上一步計算的周期將自動用于“模型”參數。使用腳本運行EME求解器并計算布拉格光柵的S參數。我們在模擬區域中有兩個單元格，每個單元格代表高折射率區域和低折射率區域。腳本計算給定溫度范圍內的所有S參數。但在這里，我們將主要關注光柵的反射，如下所示。觀察到峰值反射（對應于布拉格波長）約為90%，并且隨著溫度從25℃升高到1.000℃，呈現紅移。
布拉格波長與溫度的關系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻中缺乏有關材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數的差異，而參考文獻中并未完全提供這些參數。
該腳本還提取與溫度相關的S參數，并將其保存為S參數文件格式（fbg_S_param_T.dat），以便在下一步進行interconnect電路模擬。
步驟3：INTERCONNECT-光子電路模擬
使用光學時間調制S參數元件將與溫度相關的S參數導入INTERCONNECT，用于模擬FBG溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當需要附加PIC元件對FBG的整體性能的影響時，該電路模型仿真是有用的。
展開 Lumerical案例 | 使用Synopsys OptoCompiler和Lumerical工具進行光子器件版圖繪制和緊湊模型仿真
仿真器件
請按照以下步驟在MODE中運行仿真，為提取S參數做好準備。在本工作流程中，該過程通過使用軟件包中的Lumerical腳本文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”實現自動化。
請按照以下步驟運行腳本文件。
1.在腳本文件編輯器中，打開項目后，使用“打開”按鈕打開腳本文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”。
2.點擊運行按鈕運行腳本。該腳本文件會清理仿真和掃描環境，然后添加各種對象，例如EME求解器、EME單元、EME端口、網格和監視器。它還會創建參數掃描，運行掃描并保存模型文件。下面的屏幕截圖顯示了仿真文件的最終狀態。
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。有關如何使用向導以及特定設置含義的更多信息和詳細說明，請參閱S-parameter data collection wizard page。
相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/45266900204563-S-parameter-Fixed-data-collection-wizard
1.下載并運行數據收集向導。
2.在第一頁，加載步驟2中生成的仿真文件，并填寫以下基本信息。以下信息必須與之前生成的仿真文件一致：
一個與波長掃描參數名稱和計數相匹配的注釋屬性值。
QA波長范圍與波長掃描范圍相匹配。
展開 HFSS常見問題及解答 | 建模與仿真方法（十二）
圖1.34(c)
正確設置后的十字形非規則端口橫截面的場分析如下
圖1.34（d）
1.35 Q：如何在Designer中添加N端口S參數模型？
A: Designer作為系統和電路的仿真平臺，軟件可支持N端口S參數模型的導入，具體操作如下圖所示，在Project Manager窗口中展開Definitions目錄樹，右鍵點擊Models，選擇Add Nport Models。當然，也可添加其他形式的模型，如HFSS、Q3D、SIwave等其他場仿真軟件的模型。
圖1.35(a)
在出現的對話框中，通過下圖紅色圓圈按鈕指定S參數文件的地址，再給該S參數文件命名，即可完成對該S參數模型的添加。
展開 HFSS常見問題及解答 | 建模與仿真方法（一）
其作用有以下幾項：
1）確保端口相位的一致性，避免多端口求解時出現的端口相位相差180 度的情況，如果關心S參數的相位，或者在多端口的天線系統中，推薦定義積分線。正確的定義如圖1.1(a)所示。
圖1.1(a)
2）求解端口的Zpv和Zvi，即功率-電壓阻抗和電壓-電流阻抗，如圖1.1（b）所示。HFSS默認求解的是Zpi，即功率-電流阻抗。對于TEM模的傳輸線來說，三者是相等的，對于非TEM模的傳輸線來說，三者不等，積分線的作用是告訴HFSS， 求解電壓時，電場的積分路徑。
圖1.1(b)
3）定義極化E場，對于圓波導或正方形波導，由于垂直極化和水平極化兩個模式的截止頻率相同，為了保證模式求解和我們計劃的一致，可通過定義積分線，并將極化E選項選中，控制兩個模式。圖1.1（c）表示圓波導端口模式定義。
圖1.1(c)
Renormalize指的是重新歸一化。HFSS直接得到的是廣義S參數，HFSS會根據求解得到的端口阻抗進行歸一化得到S參數， 端口阻抗有可能會隨頻率變化，如波導問題。如果要得到給定阻抗下的S參數，可通過端口后處理選項卡中的重新歸一化選項指定S參數的歸一化阻抗。如圖1.1（d）所示。
展開 Ansys Lumerical | 針對多模干涉耦合器的仿真設計與優化
· taper寬度掃描
確定taper區域的最佳寬度,在“Optimizations and Sweeps”窗口中，設置參數掃描任務，將結構組的寬度屬性掃描在0.4μm~1.1μm之間，并收集S矩陣。腳本文件用于運行此參數掃描并收集S矩陣結果。然后將從S矩陣的S21元素獲得的值平方，以提供通過兩個輸出端口的傳輸,結果繪制如下。
第 2 步：S參數提取
找到最佳設計后，提取S參數作為每個感興趣模式的波長函數。MMI_write_s_params.lsf 腳本文件提取 1×2 MMI 耦合器的s參數（作為TE和TM模式波長的函數）并將它們保存到文件 MMI-s-params.txt 中。
下圖顯示了TE和TM模式到輸出端口之一的傳輸，正如預期的那樣，TE模式性能更好，因為該設備是為TE模式設計的。
第 3 步：INTERCONNECT 中的電路仿真
使用光學n端口S參數(SPAR)元素在 INTERCONNECT 中創建一個緊湊模型，并將第2步得到的數據導入。通過重現上一步中獲得的傳輸曲線來驗證 MMI 緊湊模型。該圖顯示了兩種偏振的傳輸。
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Ansys中S-N 疲勞分析的參數 ￥2
更重要的是需要選擇并理解疲勞參數。
本文通過S-N曲線和Ansys 分析例子結果來一一說明上述參數。
二 疲勞理論的發展歷史
1852年，August W?hler基于前人的研究，開始探索鐵軌斷裂原因，逐漸發展起來疲勞理論，并完成測試驗證。在1867年后廣為人知。
1910年，O. H. Basquin 使用W?hler測試數據寫成了對數形式的Basquin Law，將S-N數據擬合成理論公式。
1945年，Miner推廣了Palgrem的線性損傷累積假設。
1954年，Coffin和 Manson研究了塑性變形的疲勞理論。
1968年，Tatsuo Endo 和M. Matsuishi提出了雨流計數法計算隨機振動疲勞。
通過研究歷史，可以為我們提供清晰的學習路線，如何由淺入深。
三 疲勞理論基礎
3.1 如何表示循環
展開 Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應導出為S參數，S參數可用于隨后的電路模擬。
布拉格波長與溫度的關系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻中缺乏有關材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數的差異，而參考文獻中并未完全提供這些參數。
該腳本還提取與溫度相關的S參數，并將其保存為S參數文件格式（fbg_S_param_T.dat），以便在下一步進行 interconnect 電路模擬。
步驟3：INTERCONNECT-光子電路模擬
使用光學時間調制 S 參數元件將與溫度相關的S參數導入 INTERCONNECT，用于模擬 FBG 溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當需要附加 PIC 元件對 FBG 的整體性能的影響時，該電路模型仿真是有用的。
FBG 溫度的電路模擬需要三個要素：
1、光網絡分析儀（ONA），既可作為光源又可作為檢測器。
2、代表 FBG 溫度傳感器的光學時變 S 參數元件。
3、用作溫度控制器并連接到 FBG 溫度傳感器元件的直流電源。
下圖為電路仿真的原理圖設計。按下運行按鈕，模擬將計算溫度傳感器在25°C室溫下的反射光譜。右圖顯示了反射率光譜，右鍵單擊 ONA，然后顯示結果即可獲得反射率光譜。
接下來，在優化和掃描選項卡中運行“Gain_vs_Temperature”掃描，以計算一系列溫度的反射光譜。
展開 利用FEKO進行天線等端口隔離度/耦合度的仿真
STEP1:如圖所示，在configuration一欄添加一個multiports-S-parameter求解項，需要說明的是：standardconfiduration為通常求解天線方向圖以及各種散射等絕大部分問題的求解項，而multiports-S-parameter則專門是求解段端口S參數的求解項。
STEP2:如圖所示，在求解設置request中將想要求解隔離的相關端口全部添加到S-Parameter中，注意：1）S-Parameter求解工作量和時間與添加的端口數目成正比，且兩兩端口之間的S參數是互易的，因此對于不需要要激勵的端口，關閉active即可，這樣可以大大節約計算時間。2）求解S-parameter時，ports無需添加激勵source。
STEP3:結果查看，在求解結果request中選擇S參數，在右邊欄中選擇想要查看兩個端口的S參數，即為相應端口間的隔離度。
展開 Ansys Lumerical | 針對多模干涉耦合器的仿真設計與優化
taper寬度掃描
確定taper區域的最佳寬度,在“Optimizations and Sweeps”窗口中，設置參數掃描任務，將結構組的寬度屬性掃描在0.4μm~1.1μm之間，并收集S矩陣。腳本文件用于運行此參數掃描并收集S矩陣結果。然后將從S矩陣的S21元素獲得的值平方，以提供通過兩個輸出端口的傳輸,結果繪制如下。
第 2 步：S參數提取
找到最佳設計后，提取S參數作為每個感興趣模式的波長函數。MMI_write_s_params.lsf 腳本文件提取 1×2 MMI 耦合器的s參數（作為TE和TM模式波長的函數）并將它們保存到文件 MMI-s-params.txt 中。
下圖顯示了TE和TM模式到輸出端口之一的傳輸，正如預期的那樣，TE模式性能更好，因為該設備是為TE模式設計的。
第 3 步：INTERCONNECT 中的電路仿真
使用光學n端口S參數(SPAR)元素在 INTERCONNECT 中創建一個緊湊模型，并將第2步得到的數據導入。通過重現上一步中獲得的傳輸曲線來驗證 MMI 緊湊模型。該圖顯示了兩種偏振的傳輸。
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