High-Speed-Boards S-Parameter helfen bei Leiterplatten-Simulation bis in den GHz-Bereich

Moderne Leiterplatten sind sind heute in der Regel High-Speed-Boards, bei deren Simulation übliche Modelle oft an ihre Grenzen stoßen. Die Methode der S-Parameter hilft weiter.

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IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

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Mittlerweile hat sich die DDR-Speichertechnologie zum De-facto-Standard in PC-Leiterplattendesigns entwickelt. Doch dadurch wird jede Leiterplatte zu einem High-Speed-Design; gängige Modelle der Simulation reichen oft nicht mehr aus. Methoden der Mikrowellentechnik durch den Einsatz von S-Parametern werden zum Standard im High-Speed-Leiterplattendesign.

Was S-Parameter sind und welche Aufgaben sie erfüllen, wird anhand der Zweitor-Theorie beschrieben, obgleich sich die Technik auch für komplexere Anwendungen eignet. Die Parameter werden durch Messungen ermittelt, deren Ziel es ist Transmissions- und Reflexionsfaktoren, also Übertragungsverhalten von Netzwerken, zu bestimmen.

Man muss für die S-Parameter die entsprechenden in das Netzwerk (Zweitor) hinein- oder herauslaufenden Wellenanteile ermitteln. S-Parameter ist die Kurzform für Streuparameter: Diese beschreiben wie die in ein Tor einlaufenden Wellenanteile auf alle Tore – einschließlich des Tors, in das die Welle eingelaufen ist – gestreut werden.

Jeder S-Parameter bezeichnet dabei das Tor, von dem die Welle gestreut wird, gefolgt von dem Tor, in das Welle einlief. S₂₁ ist somit der S-Parameter für die Welle, die zu Tor 2 von Tor 1 gestreut wurde und gibt die Amplituden– und Phasenänderung an.

Bei High-Speed-Schaltungen sind die physikalischen Größen Transmission und Reflexion von entscheidender Bedeutung. Bei einer Linse lassen sich diese Größen verständlicher darstellen, da bei hohen Frequenzen das Verhalten einer Linse dem einer High-Speed-Schaltung z.B. einem Filter entspricht. In unserem Beispiel (Bild 1) stellen a₁ und a₂ die links (Tor 1) bzw. rechts (Tor 2) in die Linse einfallenden Wellen dar. Für jede einzelne Frequenz werden ermittelt:

1. Die Amplitude und die Phasenverschiebung des von Tor 1 zu Tor 2 transmittierten Lichts. Der Parameter S₂₁ verkörpert diese Änderung. Somit lautet bei Eingang von a₁ an Tor 1 der Ausgang an Tor 2: S₂₁a₁.

2. Die Amplitude und Phase des von Tor 1 reflektierten Lichts für Eingang a₁. Der Parameter S₁₁ verkörpert diese Änderung. Somit lautet die Reflexion an Tor 1: S₁₁a₁.

3. Dieselben Informationen wie bei 1), jedoch für Licht, das von Tor 2 zu Tor 1 (S₁₂a₂) transmittiert wurde.

4. Dieselben Informationen wie bei 2), jedoch für Licht, das von Tor 2 (S₁₂a₂) reflektiert wurde.

An Tor 1 und Tor 2 sind die Endresultate (b₁ bzw. b₂) die Summe der transmittierten und reflektierten Wellen.

S-Parameter für Filter und Schnittstellen

Wie das sichtbare Licht auch, besitzen digitale elektronische Signale Frequenzen mit unterschiedlichen Größen und Phasenwinkeln. In der Praxis werden S-Parameter vor allem für Komponenten wie Filter und Schnittstellen verwendet, wobei Messverfahren und Modellformat gleich bleiben. Sind S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂ für eine Reihe von Frequenzen innerhalb der Betriebsgrenzen bekannt, lässt sich ein solcher Filter simulieren. Ohne die interne Struktur zu kennen oder Vermutungen über andere Größen anstellen zu müssen, die eventuell die Genauigkeit der Resultate beeinflussen könnten.

Alle S-Parameter-Modelle für High-Speed-Leiterplattendesigns müssen zwei Grundvoraussetzungen erfüllen:

Passivität: Das Modell darf nicht mehr Energie erzeugen, als Energie zugeführt wird. Ein passiver Filter bzw. eine passive Komponente, wie ein Stecker oder ein Kabel, hat keine Verstärkerwirkung.

Kausalität: Grundsätzlich gilt, dass die Reaktion des Modells nur von gerade eingehenden oder zuvor eingegangenen Signalen abhängig sein darf, was bei einem korrekt aufgebauten Modell für einen passiven Filter oder eine passive Schnittstelle stets der Fall ist.

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