S参数的含义
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S参数的含义
S参数的含义
以二端口网络为例，如单根传输线，共有四个S参数：S11，S12，S21，S22，对于互易网络有S12＝S21，对于对称网络有S11＝S22，对于无耗网络，有S11*S11+S21*S21＝1，即网络不消耗任何能量，从端口1输入的能量不是被反射回端口1就是传输到端口2上了。
在高速电路设计中用到的微带线或带状线，都有参考平面，为不对称结构（但平行双导线就是对称结构），所以S11不等于S22，但满足互易条件，总是有S12＝S21。
假设Port1为信号输入端口，Port2为信号输出端口，则我们关心的S参数有两个：S11和S21，S11表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好，一般建议S11<0.1，即－20dB，S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB，如果网络是无耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以满足S21>0.7的要求，但通常的传输线是有耗的，尤其在GHz以上，损耗很显著，即使在Port1上没有反射，经过长距离的传输线后，S21的值就会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消耗在路上了。
对于由2根或以上的传输线组成的网络，还会有传输线间的互参数，可以理解为近端串扰系数、远端串扰系统，注意在奇模激励和偶模激励下的S参数值不同。
需要说明的是，S参数表示的是全频段的信息，由于传输线的带宽限制，一般在高频的衰减比较大，S参数的指标只要在由信号的边缘速率表示的EMI发射带宽范围内满足要求就可以了。
信息电子产品的运算速度与传输信息量大幅提升，相关电子零部件的高频特性也愈显重要。
如PCB、缆线、连接器等过去被视为单纯桥接作用的零部件，为满足高频应用的需要，现有规格逐渐纳入了衰减、特性阻抗、串音、传输延迟、传输延迟时滞、隔离效果、信号抖动等高频特性的项目。
本文将主要介绍S参数在高频测量中的应用。
在个人计算机平台迈入GHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到I/O接口，全部走入高频传送的国度，于是高频参数的测量便浮出了台面。
通常高频测量必须考虑的基本项目包括下面几个：
◆Impedance─特性阻抗。
我们常见的电缆/信号线有50、75、100欧姆等不同的阻抗标示，此处所指的阻抗并非直流电阻，而是所谓的特性阻抗，也就是信号传输的每一个经过驿站所面临的阻抗。
◆S-Parameters——S参数（S11、S21、S12、S22）
◆Propagation Delay——传播延迟
◆SWR——驻波比
◆Crosstalk——串音
在高速传输运作下，信号载送的质量相当重要，为了获得最大的传输效率，各项高频参数将成为设计、除错改良、实际应用上的重要参考依据，并须特别注意阻抗（Impedance）的匹配问题、信号延迟时间（Propagation Delay）、时滞（Propagation Skew）、噪声（Noise）、信号损失（Loss）以及信号衰减（Attenuation）等课题。
然而，这些参数不容易推算及测量，必须依靠高精密度的仪器来协助才能求得准确的数值。
一般来说，在高频测试中所使用的仪器大致上有“时域反射计”（Time Domain Reflectometry）以及“网络分析仪”（Network Analyzer）。
对工程人员来说，S参数是一个重要的指标，S参数的原文名称是“Scattering-Parameter”。
电磁能量是在空气等介质或导体中以电磁波形式传送，电磁波会因为回路特性阻抗的不匹配而产生信号反射。
当回路内有无数个信号反射时，电磁能量分布与时间的变化就显得相当复杂。
在频率较低的场合，零部件的大小与构成信号波形的波长相比显得微小。
反射波的影响相对于信号变化时间，很短时间内退出，故呈现稳定的状态。
因此，可采用电压电流比的阻抗来表现器件的固有特性。
一般是以“集中定数”回路来视之。
也有人用节点（Lump）电路来称呼。
其回路器件基本特征为：
◆电阻：能量损失（发热）
◆电容：静电能量
◆电感：电磁能量
一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。
因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。
与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。
S 参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。
同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。
阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。
散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。
只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。
下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义，如图所示。
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二端口网络有四个S参数，Sij代表的意思是能量从j口注入，在i口测得的能量，如S11定义为从Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，
各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：
S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；
S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；
S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；
S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；
对于互易网络，有：S12＝S21；
对于对称网络，有：S11＝S22 对于无耗网络，有：（S11）2＋（S12）2＝1 ；
S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。
我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端口，Port2作为信号的输出端口，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议S11< 0.1，即－20dB.。
