【往年优秀论文】基于S 参数模型的信号完整性仿真验证

传统的“样机-测试-改进-新样机”式PCB 设计方法不仅耗时长、效率低、成本高，而且不能满足产品快速更新换代的需求，固有的设计理念在进行高速复杂电路设计时显得捉襟见肘。而如果能够采用软件进行信号完整性（Signal Integrity，SI）仿真分析，不仅能够直观地观测各类信号的性能指标，还能有效地缩短研发周期、提高产品设计的一次成功率。

本文是在基于时域信号完整性仿真分析流程的基础上，引入了信号线频域S 参数模型，并给出了基于S 参数模型的信号完整性仿真验证流程。采用了ANSYS 公司的两款电磁仿真软件SIwave 及Designer 进行信号完整性仿真分析，并通过矢量网络分析仪（VNA）和高速示波器对相关仿真参数进行了测试验证。

S 参数全称是散射参数（Scatter Parameters, S-parameters）,最早应用于微波和射频工程领域，由于其自身的“黑盒”特性以及频域属性，使其得以在高频领域得到广泛地应用。目前，S 参数已经能够描述电阻、电容、PCB 走线、电源地平面、回流路径、封装、插座、接插件、线缆等。

一般而言，使用最多的是双端口S 参数，它包含四个量S11、S12、S21、S22，构成了最简单的S 参数矩阵。其中，S11 或者S22 又通常称为回波损耗，S11 反应了信号传播的反射情况，与之对应的信号完整性问题为反射及阻抗的匹配问题。利用S11 曲线可以很容易地找到信号传输的 “频率共振点”（即S11 的谷值频点），从而指导信号走线长度及阻抗设计。

对于PCB 走线的S 参数而言，S11 还有一个重要的特性：峰峰值（或者谷谷值）频率周期特性，如果将峰峰值（或者谷谷值）用Δf 来表示，则它与传播延时的关系可用下式来计算：

S21 称为插入损耗，反映了信号的传输能力，一般要求越大越好。与S11 类似，S21 的一个重要特性就是其真实地反映了介质损耗和导体损耗的程度。对于阻抗连续的传输线而言，由于导体损耗相对于介质损耗要小得多，叠层材料的介质耗散因数与插入损耗的关系如下：

其中：tanδ 为介质损耗因数（或者称为损耗正切），S21 为插入损耗（dB），ε 为介质的介电常数，Len 为走线长度（in），f 为频点频率（GHz）。由上式可以看出，如果信号线长度以及介质的介电常数都确定了，就可以通过S21 来确定介质损耗因子的大小。

由于S 参数是一个比值，并且一定在-1 到1 之间，为了使S 参数表述更清晰，在实际中通常将其转化为dB单位形式：SdB = 20 log (Smag )。如未做说明，本文以下S 参数均以dB形式表示，不再赘述。

与双端口类似，对于两条点对点信号线（含参考平面），共有四个端口，对应的S 参数将达到4 2 个，这时将出现多模S 参数、混合模S 参数等概念，常应用于差分对分析，限于本文篇幅，这里不作详细介绍。而对于信号完整性，最关心的四端口S 参数是S31 和S41（如下图所示），与其相对应的是信号完整性问题中的近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT），为了控制信号串扰水平，通常要求将S31、S41 的幅值限制在合理范围内。

上述仿真验证流程主要通过两个闭环过程来实现对仿真结果的验证及修正。第一次循环过程为从PCB 设计数据到走线S 参数模型生成阶段，该过程主要是通过SIwave 软件提取PCB 走线的S 参数模型，并通过VNA 对走线进行S 参数进行测试来对模型参数进行验证及修正，提高走线的模型精度。此外，还可通过查看TDR/TDT 曲线观察走线的阻抗分布情况。该模型结果不仅考虑了电源地平面去耦电容的寄生参数对信号线S 参数的影响，还考虑了各走线之间的耦合、跨槽或过孔等引起的阻抗不连续、非理想导体及介质等因素对S 参数结果的影响，具有较高的模型精度。而在传统的SI 仿真流程中，一般直接提取传输线物理参数（长度、宽度、叠层、过孔及分支等）并套用相关标准理想传输线及过孔模型构成新的传输线模型，使得传输线模型的精度完全取决于标准模型的精度，后续仿真结果的精度要受到标准模型的限制。

础。

利用上述信号完整性仿真验证方法，对某总线速率约为100MHz 左右的DSP 信号处理系统（基本设计框图见图3 所示）PCB 板进行仿真验证分析。为了测试走线的S 参数结果，这里要求先对PCB“光板”进行R\L\C 等无源器件安装，制作一块仅含无源器件的PCB，以下简称无源PCB。无源PCB 测试完成后再焊装好其余有源器件，构成PCB 有源电路系统，以下简称有源PCB。

对无源PCB主要进行的是信号线S 参数测试及S参数模型的提取，采用的仪器是Agilent公司的E5071C ENA 网络分析仪。对于非实验PCB 而言，PCB 自身基本不会预设SMA 接口，因此不能直接进行S 参数的测量，这里将采用手动焊接SMA 接头方法，并采用单端开路S 参数测试方法减少焊接难度。

对有源PCB 主要进行的是关键信号波形测试、眼图测试、抖动测试、一致性测试等，采用的仪器是Agilent 公司的Infiniium 9000 系列DSO9404A 高速示波器及其配套眼图、抖动分析软件。

3.1 无源PCB 走线S 参数测试结果与仿真对比

在DSP 外挂FLASH 焊盘引脚EA8 及其附近参考地焊盘间焊装一个SMA 接头，对EA8走线的单端开路S 参数进行仿真与测试对比如下：

从上述仿真与试验对比结果可以看出，如果直接使用SIwave 默认的FR-4 材料（相对介电常数在1GHz 时为4.5，介质损耗因子为0.035），仿真结果与实验结果存在明显的“频点偏移”现象，说明仿真参数设置不够合理。从PCB 设计软件中查到该走线长度约为4129mil，为偏移带状线，根据公式（1）可知该信号线传播延时约为1/2*0.690GHz/4.129 in≈175.5ps/in，根据文献[8]修正介质材料相对介电常数修正4.2，再根据公式（2）修正介质损耗因子为0.028。

修正后的仿真结果（图4 中方块线）与试验结果在4GHz 范围内基本没有出现频点偏移，但是高频（2.8GHz~5GHz）幅值存在一定的偏差，并且试验值略大于仿真值，也就是说试验中信号反射比仿真更严重，对于传播100MHz 的信号线来说，这种高频误差是能够容许的，受实验操作以及接口条件等因素影响，这种偏差也是符合现实的。

为了验证该仿真参数设置的有效性，选取另一走线进行相同的测试并与仿真对比如下：

上述两组对比结果表明，修正后的信号线开路S 参数仿真结果在3GHz 范围内与试验结果基本一致，且在5GHz 范围内峰谷值基本对应。具有一定的参考价值。

综合上述结果可知，本文给出了单端开路S 参数测试方法以及仿真参数纠正方法是有效的。这为S 参数模型的纠正提供了一种新思路。

将上述纠正后的模型引入到Designer 时域分析软件中，并搭建仿真电路图，选取最长数据线ED29 作为分析对象，仿真与试验波形测试结果如下：

本文分析了频域S 参数理论在信号完整性分析中的作用，给出了一套基于S 参数模型的信号完整性仿真验证方法。该方法综合考虑了频域S 参数模型以及时域波形结果的优点，提高了PCB 传输线模型的准确性。通过软件仿真与试验测试对比，验证了单端开路S 参数测试方法的可行性，给出了仿真参数纠正的新思路；同时波形测试对比结果表明了该仿真验证流程地有效性，为信号完整性改进奠定了良好的模型基础。