一分钟带你快速认识S参数

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，但即使如此，在相关领域打滚多年的人，仍然可能还是会被一些问题困扰着。你懂S参数吗? 不懂的话，那么请继续往下看~~~

S参数简介

S参数，也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。

S参数作为描述线性无源传输通道的频域特性，在进行串行链路SI分析的时候，获得通道的准确S参数是一个很重要的环节，通过S参数，我们能看到传输通道的几乎全部特性。信号完整性关注的大部分问题，例如信号的反射，串扰，损耗，都可以从S参数中找到有用的信息。

S参数是射频工程师分析无源器件的可靠的行为级模型，S参数在分析高频无源应用中得到了广泛的应用。S参数描述了，在高频产品的设计中，应用最为广泛的是二端口网络，下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义，如下图1 所示：

图1 二端口网络

二端口网络模型

二端口网络共有四个S参数，分别为S11、S12、S21和S22，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；
根据信号的频域特性，任何信号都可以拆解为一系列不同频率的正弦波的叠加。随着频率的不断增加，高频频点的正弦波信号传输到接收端的信号能量将逐渐减少，而S参数恰恰能够清晰的描述各个频点的正弦波通过互连导通后的衰减情况，采用S参数不仅可以分析导通对信号的影响，还可以根据需要进行补偿一些衰减比较严重的高频频点。如下图2所示，为ADS仿真模型S11和S21的分析结果。

图2 ADS仿真模型S11和S21分析结果

我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，其实就可以等效成一个二端口网络，我们对二端口网络进行建模分析，如果二端口网络Port1作为信号的输入端口， Port2作为信号的输出端口，a1、b1、a2、b2是表示入射波和反射波的参量。

根据信号流的流动方向，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；S21 表示插入损耗或正向传输系数，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，S11 越大，说明信号传输损耗越低，传输的效率也就越高。

二端口网络建模如下图3所示，根据网络分析法，可以计算出图中a1、b1、a2、b2对应的值。当入射信号是非正弦波时，可以根据频域特性，将信号分解为一个个不同频点和幅值的正弦信号分别分析。总之，S参数在频域中的应用是求解无源互连结构的一把重要利器。

图3 二端口网络建模并计算端口各值

对于S参数的提取，如果是PCB已经生产出来了，那么就可以利用网络分析仪提取PCB的S参数；如果是PCB设计文件，则可以利用相关PCB仿真工具如ADS来提取PCB走线的S参数。S参数的文件结构如下图4所示。

图4 S参数的文件结构

总结

综上所述，S参数与信号完整性有着密切联系，其中S11能够反映信号反射及阻抗匹配问题，S21能够反映信号的传输特性。此外，利用S参数还能够直接得到介质材料的相对介电常数、介质损耗等参数信息，这是一般的时域分析所不具备的。因此可见，S参数可以很好的分析信号完整性问题。

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