图文解说S参数（进阶篇）
1. 前言
s参数是si与rf领域工程师必备的基础知识，大家很容易从网络或书本上找到s,y,z参数的说明，笔者也在多年前写了s参数 -- 基础篇。 但即使如此，在相关领域打滚多年的人， 可能还是会被一些问题困扰着。 你懂s参数吗? 请继续往下看...
2. 个别s参数与串联s参数的差别
问题1：为何有时候会遇到每一段的s参数个别看都还好，但串起来却很差的情况(loss不是1+1=2的趋势)?
quick answer : 如果每一线段彼此连接处的real port zo是匹配的，那loss会是累加的趋势，但若每一线段彼此连接处的real port zo差异很大，那就会看到loss不是累加的趋势，因为串接的接面上会有多增加的反射损失。
2.1 下图所示的三条传输线
line1是一条100mm长，特性阻抗设计在50ohm的微带线，左边50mm，右边50mm。
line2也是一条100mm长的微带线，左边50mm维持特性阻抗50ohm，但右边50mm线宽加倍，特性阻抗变 小到33。
line3也是一条100mm长的微带线，左边50mm维持特性阻抗50ohm，但右边50mm线宽加倍，特性阻抗变 小到33，且呈135o转折。
观察line1的s21发现，左右两段的s参数有累加特性
观察line2, line3的s21发现， 整条线的s参数比起左右两段个别看的s参数之累加差一些
问题2：为何各别抽bga与pcb的s参数后，在designer内串接看总loss，与直接抽bga+pcb看s参数的结果不同?
quick answer : 这与结构在3d空间上的交互影响，还有下port位置有时也有影响。
2.2 下图所示是两层板bga封装，放上有完整参考平面的pcb两层板， 这是在消费性电子产品很常见的应用条件。
黄色是高速的差动对讯号，其在pcb上走线的部分，有很好的完整参考平面，但在bga端则完全没有参考平面。
hfss 3d layout模拟结果
3. 双埠s参数对地回路效应的处理
问题1：rlc等效电路可以估出讯号线与地回路每一段的rlc特性，但s参数却不行，原因是什么? s参数带有地回路的寄生效应吗?
quick answer : rlc等效电路是terminal base model，而s参数是port base model，后者看的昰一个port的正负两端之间的差值。 所以s参数虽然有含地回路(return path)寄生效应，但无法单独分离出地回路的影响。
问题2：在designer汇入s参数模型时，可以选择该s参数的电路符号要不要有每一个port的reference ground (negative terminal)，或是使用common ground，使用common ground是否表示把每个port的negative terminal短路，会忽略地回路的寄生效应吗?
quick answer : 使用common ground，并不会把return path两端short，s参数本身已经内含地回路的效应。
4. 两个2-port s参数，有可能组成一个4-port s参数吗?
quick answer : no. 一个2-port s参数，内涵2x2 (4) matrix单元，即s11, s12, s21, s22，而一个4-port s参数，需内涵4x4 (16) matrix单元。 所以明显的，当有两条线的两个2-port s参数，并不足以充分且唯一定义一个4-port s参数，即这两条'之间'的近端耦合与远程耦合条件并未被定义。 换言之，一个4-port s参数可以简化(reduce order)分离出两个2-port s参数，但反之不然。
5. 全3d模型的s参数，与分开的3d模型s参数串连的差别
常见的问题是：封装与pcb板单独抽s参数后，再于电路仿真软件串接s参数，这样的做法跟把封装与pcb直接在仿真软件中3d贴合抽s参数会有怎样的差异?
quick answer : 封装与pcb间在z轴上的空间耦合路径，只有把封装与pcb直接在仿真软件中3d贴合抽s参数时，才会被考虑。 这样的做法当然是最准的做法，但需不需要每个案子都一定 非得这么做不可，其实取决于结构与带宽考虑。 当这条路径的耦合效应影响，在您所设计的结构下，在一定带宽以上的影响不能被忽略时，就必须考虑。
6. port阻抗的设定，对s参数本质上，与s参数的使用上，有没有影响?
quick answer : 虽然renormalize不同的port阻抗，会得到不同的s参数曲线，但该n-port model所定义的物理效应本质上是相同的。 所以对于model的使用，理论上没影响，但实际上 因为tool的transient analysis的数值处理能力(fitting ability)不同，有些时候有影响。
打个比方，在siwave v4.0很早期的文件，会建议讯号的port阻抗设50ohm，而电源的port阻抗设0.1~1ohm，但目前的siwave其实就不需要特别这么做，即你可以延续之前的设定习惯，或是全部都renormalize 50ohm，siwave吐出的s参数代到designer去用，都可以得到一样的结果。如果您使用其他的tool有遇到设不同的port阻抗，得到时域模拟结果不同的情况，建议您可以试试siwave.
7.export s参数模型时，有没有做port renormalize to 50ohm，对使用s参数有没有影
quick answer : no
8. 问题与讨论
**8.1 s参数无法汇入怎么办? **
ans：首先检查tool是否反馈任何错误讯息，再来以文本编辑器打开该s参数，检查其频点描述定义是否是递增排列(frequency monotonicity)。会出现这种乌龙错误，通常是有人手动编辑去修改s参数造成。
**8.2 s参数因为port数过多导致模拟耗时怎么办? **
ans：遇到s参数模拟耗时，首先我会检查该s参数是否有passivity与causality issue，或是在designer模拟过程中，注意看看是否在state-space fitting process卡很久。遇到多埠s参数，则试着转成state space model (.sss)，仿真速度会加快不少，而透过siwave或nde转state space model的程序中，建议只勾enforce passivity，不用勾enforce causality，这样也会节省不少时间。(因为state space algorithm本身就满足primitive causality，所以不用担心其因果性问题)
**8.3 toushstone1.0(ts1.0)与ts2.0主要有何差别? **
ans：ts2.0 (.ts)支持mixed reference impedance，而ts1.0 (.snp)每个port的reference impedance都要是相同的50ohm. 以siwave为例：
以designer内nde (network data explorer)为例
不管原本在siwave或hfss的port设定是否有指定renormalize，最后要export时还可以再决定要不要overwrite renormalize
**8.4 touchstone file可以设定noise data，那是什么东西，何时使用? **
ans：这是在ts1.0就有定义的功能，可以对touchstone file附加noise data定义，一般用于主动组件的s参数模型
当你在designer汇入s参数模型时，可以右键单击[edit model]检视noise data (如果有的话).
8.5 为何在2.2的例子，bga与pcb各别s参数的loss累加(-0.29-0.8=-1.09)反而是比整个3d model一起看所得到的s参数(-1.06)来的差?
ans：当bga与pcb做3d结合的条件下去抽s参数时，此时原本没有参考平面的bga上走线，会看到一些pcb上的平面透过solder ball所贡献的些微回流路径效应。 这点我们也可以透过观察z11(z profile)来验证。
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s参数是si与rf领域工程师必备的基础知识，大家很容易从网络或书本上找到s,y,z参数的说明，笔者也在多年前写了s参数 -- 基础篇。 但即使如此，在相关领域打滚多年的人， 可能还是会被一些问题困扰着。 你懂s参数吗? 请继续往下看...
2. 个别s参数与串联s参数的差别
问题1：为何有时候会遇到每一段的s参数个别看都还好，但串起来却很差的情况(loss不是1+1=2的趋势)?
quick answer : 如果每一线段彼此连接处的real port zo是匹配的，那loss会是累加的趋势，但若每一线段彼此连接处的real port zo差异很大，那就会看到loss不是累加的趋势，因为串接的接面上会有多增加的反射损失。
2.1 下图所示的三条传输线
line1是一条100mm长，特性阻抗设计在50ohm的微带线，左边50mm，右边50mm。
line2也是一条100mm长的微带线，左边50mm维持特性阻抗50ohm，但右边50mm线宽加倍，特性阻抗变 小到33。
line3也是一条100mm长的微带线，左边50mm维持特性阻抗50ohm，但右边50mm线宽加倍，特性阻抗变 小到33，且呈135o转折。
观察line1的s21发现，左右两段的s参数有累加特性
观察line2, line3的s21发现， 整条线的s参数比起左右两段个别看的s参数之累加差一些
问题2：为何各别抽bga与pcb的s参数后，在designer内串接看总loss，与直接抽bga+pcb看s参数的结果不同?
quick answer : 这与结构在3d空间上的交互影响，还有下port位置有时也有影响。
2.2 下图所示是两层板bga封装，放上有完整参考平面的pcb两层板， 这是在消费性电子产品很常见的应用条件。
黄色是高速的差动对讯号，其在pcb上走线的部分，有很好的完整参考平面，但在bga端则完全没有参考平面。
hfss 3d layout模拟结果
3. 双埠s参数对地回路效应的处理
问题1：rlc等效电路可以估出讯号线与地回路每一段的rlc特性，但s参数却不行，原因是什么? s参数带有地回路的寄生效应吗?
quick answer : rlc等效电路是terminal base model，而s参数是port base model，后者看的昰一个port的正负两端之间的差值。 所以s参数虽然有含地回路(return path)寄生效应，但无法单独分离出地回路的影响。
问题2：在designer汇入s参数模型时，可以选择该s参数的电路符号要不要有每一个port的reference ground (negative terminal)，或是使用common ground，使用common ground是否表示把每个port的negative terminal短路，会忽略地回路的寄生效应吗?
quick answer : 使用common ground，并不会把return path两端short，s参数本身已经内含地回路的效应。
4. 两个2-port s参数，有可能组成一个4-port s参数吗?
quick answer : no. 一个2-port s参数，内涵2x2 (4) matrix单元，即s11, s12, s21, s22，而一个4-port s参数，需内涵4x4 (16) matrix单元。 所以明显的，当有两条线的两个2-port s参数，并不足以充分且唯一定义一个4-port s参数，即这两条'之间'的近端耦合与远程耦合条件并未被定义。 换言之，一个4-port s参数可以简化(reduce order)分离出两个2-port s参数，但反之不然。
5. 全3d模型的s参数，与分开的3d模型s参数串连的差别
常见的问题是：封装与pcb板单独抽s参数后，再于电路仿真软件串接s参数，这样的做法跟把封装与pcb直接在仿真软件中3d贴合抽s参数会有怎样的差异?
quick answer : 封装与pcb间在z轴上的空间耦合路径，只有把封装与pcb直接在仿真软件中3d贴合抽s参数时，才会被考虑。 这样的做法当然是最准的做法，但需不需要每个案子都一定 非得这么做不可，其实取决于结构与带宽考虑。 当这条路径的耦合效应影响，在您所设计的结构下，在一定带宽以上的影响不能被忽略时，就必须考虑。
6. port阻抗的设定，对s参数本质上，与s参数的使用上，有没有影响?
quick answer : 虽然renormalize不同的port阻抗，会得到不同的s参数曲线，但该n-port model所定义的物理效应本质上是相同的。 所以对于model的使用，理论上没影响，但实际上 因为tool的transient analysis的数值处理能力(fitting ability)不同，有些时候有影响。
打个比方，在siwave v4.0很早期的文件，会建议讯号的port阻抗设50ohm，而电源的port阻抗设0.1~1ohm，但目前的siwave其实就不需要特别这么做，即你可以延续之前的设定习惯，或是全部都renormalize 50ohm，siwave吐出的s参数代到designer去用，都可以得到一样的结果。如果您使用其他的tool有遇到设不同的port阻抗，得到时域模拟结果不同的情况，建议您可以试试siwave.
7.export s参数模型时，有没有做port renormalize to 50ohm，对使用s参数有没有影
quick answer : no
8. 问题与讨论
**8.1 s参数无法汇入怎么办? **
ans：首先检查tool是否反馈任何错误讯息，再来以文本编辑器打开该s参数，检查其频点描述定义是否是递增排列(frequency monotonicity)。会出现这种乌龙错误，通常是有人手动编辑去修改s参数造成。
**8.2 s参数因为port数过多导致模拟耗时怎么办? **
ans：遇到s参数模拟耗时，首先我会检查该s参数是否有passivity与causality issue，或是在designer模拟过程中，注意看看是否在state-space fitting process卡很久。遇到多埠s参数，则试着转成state space model (.sss)，仿真速度会加快不少，而透过siwave或nde转state space model的程序中，建议只勾enforce passivity，不用勾enforce causality，这样也会节省不少时间。(因为state space algorithm本身就满足primitive causality，所以不用担心其因果性问题)
**8.3 toushstone1.0(ts1.0)与ts2.0主要有何差别? **
ans：ts2.0 (.ts)支持mixed reference impedance，而ts1.0 (.snp)每个port的reference impedance都要是相同的50ohm. 以siwave为例：
以designer内nde (network data explorer)为例
不管原本在siwave或hfss的port设定是否有指定renormalize，最后要export时还可以再决定要不要overwrite renormalize
**8.4 touchstone file可以设定noise data，那是什么东西，何时使用? **
ans：这是在ts1.0就有定义的功能，可以对touchstone file附加noise data定义，一般用于主动组件的s参数模型
当你在designer汇入s参数模型时，可以右键单击[edit model]检视noise data (如果有的话).
8.5 为何在2.2的例子，bga与pcb各别s参数的loss累加(-0.29-0.8=-1.09)反而是比整个3d model一起看所得到的s参数(-1.06)来的差?
ans：当bga与pcb做3d结合的条件下去抽s参数时，此时原本没有参考平面的bga上走线，会看到一些pcb上的平面透过solder ball所贡献的些微回流路径效应。 这点我们也可以透过观察z11(z profile)来验证。
MAX7500, MAX7501, MAX7502, MAX
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