S参数在SI仿真中的应用_进阶篇

上篇文章我们介绍了S参数的基本应用，了解了插损与回损的概念，但是S参数中所包含的通道信息远远不止这么多，我们可以通过S参数来评估通道的串扰情况，还可以粗略计算通道的传输延时，查看通道的阻抗一致性等等，就像小陈在之前的文章中所说的，S parameter is all…神奇的S参数：这条线是如何描述信号的？ （戳文字，有超链接~）

这篇文章我们还是通过解答问题的形式来继续聊聊S参数在SI仿真中的应用。

 怎样从S参数中看出通道的串扰情况？

串扰指的是相邻信号线之间的电磁干扰，如下图所示的两个相邻信号通道，信号线之间的电磁能量会存在相互耦合的情况。

图1

如上图所示，当port1与port2之间通信时，port3与port4端口处也会有电流产生，我们称耦合到port3处的能量为近端串扰（S31），耦合到port4处的能量为远端串扰（S41）。我们来做一个实验，如上图所示通道，使用仿真软件提取传输通道的S参数，改变两根传输线之间的耦合距离，S分别为1H,2H和3H（H表示的是信号到参考层之间的距离）。得到的近端串扰S13曲线如下：

图2

上图中，红色，蓝色，紫色分别代表两根线间距为1H，2H和3H时的近端串扰。这种串扰是用dB的形式表示的，我们将dB换算成百分比，如下： 

可以看到，随着间距的拉开，串扰逐渐变弱，当线间距达到3H的时候，串扰能量是很弱的，如果驱动端电压是1V的话，那么近端串扰感受到的电压幅值只有36mV。我们也可以在时域里面验证下，图1所示通道，在port1处引入一个幅值为1V的5GHz正弦波，改变两线之间的间距，在port3处得到的波形对比如下，其中红色正弦曲线为输入波形

图3

可以看到，我们采用时域分析的方法得到的信号串扰幅值和频域提取的S参数得到的dB值是非常接近的。所以，只要得到了传输通道的S参数，我们就很容易看出通道的串扰情况。

怎样通过S参数得到通道的传输延时？

我们知道，S参数中除了包含通道的损耗信息外，还包含相位信息，下图为传输时延为1nS的单根传输线（2端口）的S12相位波形。

图4

如上图所示，通道的相位曲线是一系列的锯齿波，并且呈周期性变化（并不是严格的周期性变化）。要想理解其中的含义，我们首先需要理解相位差的概念。如下图：

图5

当端口1的正弦波到达端口2时，由于互连结构的延时，两个正弦波之间会存在一个相位差。对于同一个传输通道，不同频率的正弦波对应的相位差不同，如下图，分别为0.25G，0.5G，1G正弦波对应的相位差

图6

同样的通道，该通道的相位曲线如下图所示： 

图7

可见，S参数中的相位，与我们直接使用正弦波仿真得到的结果是一样的。当我们理解了相位曲线的含义后，就不难通过相位偏移来计算传输通道的延时了。一般使用以下公式来计算通道延时 : 

对于这个通道，我们代入公式，有：

这样，我们就通过S参数的相位信息计算出了通道的延时。