S参数简介及分析

对于高频电路，需要采用网络分析仪来进行分析，此时需要用到S参数，可以使用元器件厂家的S参数也可以自己搭建测试电路使用网络分析仪来测得S参数，要想深刻的理解S参数，需要具备足够的高频电子电路的基础知识。

S参数对于仿真和信号完整性来说，可能是基础的仿真流程和知识。

一、S参数简介

S参数，也就是散射参数。这些物理量被称为入射电压，反射电压，传输电压，等等。很多无源器件如电缆，连接器， PCB走线等传输介质都会表现出这种特性，因此都可以用S参数来表征。

下图非常形象的表示信号的走向。a1是入射的信号，b1是反射的信号，b2是传输的信号。S参数就是建立在这些信号能量关系基础上的网络参数。

2、四端口S参数定义

官方定义

下面用四端口来具体的量化一下，信号的传输方向如红色箭头所示。

我们定义P1为端口1、P2为端口2、P3为端口3、P4为端口4，端口1与端口2是一条传输线，端口3与端口4是一条传输线。以此为基础就有了如下定义：

S11：定义为从端口1反射出去的能量(反射波)与从端口1进入的能量(入射波)的比值。S21：定义为从端口2输出的能量(传输波)与从端口1进入的能量(入射波)的比值。S31：定义为从端口3测得输出的能量(传输波)与从端口1进入的能量(入射波)的比值。S41：定义为从端口4测得输出的能量(传输波)与从端口1进入的能量(入射波)的比值。

S11称为反射损耗(回波损耗)、S21称为传输损耗(插入损耗)、S31称为近端串扰、S41称为远端串扰。

通常可能会有好多个端口，只要记住对于自己的端口S11S22S33S44表示的是端口自己的反射波与入射波之比，对于一条传输线的两个端口S21S43表示的是这条传输线的传输损耗，对于两条传输的一个端口和另外两个端口表示的是隔离度，也分为近端串扰和远端串扰。对于这四个指标的要求，可能不同的产品有不同的要求。有的可能会根据这四个指标来优化走线，有的可能会提取S参数，当作一个模型去进行一个完整的电路仿真。

3、S参数特性

S参数的三大特性：无源性（Passivity），互易性（Reciprocal），因果性（Causality）。

无源性

对于一个无损网络，S矩阵一个单位矩阵，对于二端口网络存在下面关系式：|S11|²+|S21|²=1，由于没有损耗，所以散射的总量是100%。当S21大的时候，S11就会下一些。对于无源的二端口的网络|S11|²+|S21|²<1,因此一个无源器件的S参数不会大于1（0dB）。

互易性

如果一个器件是可交换方向使用，则Sij=Sji。

因果性

因果性指的是先有激励才有输出。对于无源系统的S参数，由于信号的传输一定会产生相应的延时，因此无源系统的S参数应该符合因果性原理的。但实际测得的S参数往往会由于种种原因产生一定的非因果性，导致不正确的仿真结果。

S参数图可以更加直观地理解S参数的物理意义。S参数图的横坐标表示频率的大小，纵坐标表示幅度或相位的“散射”程度，下图的左边表示S11和S21的幅值S参数图，右边表示S12和S22的幅值S参数图。

二、S参数分析：

简单分析S11：下图显示的就是相应网络的回波损耗（S11），图1是S11的幅值显示，图2是dB值显示，具体换算如下：

一般回波损耗在没有特殊要求下要小于-20dB，由下图可知在112MHz时，损耗就已经大于了-20dB。并且随着频率的变大，信号的损耗也会变大。

下图显示的是相应网络的插入损耗（S21），通常在没有特俗情况下，保证在-3dB以上可以保证信号正常传输，下图在1G范围以内都是在-3dB以上。