S参数基础知识1

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S参数的定义
0 S: q" g/ }9 t关于S参数的定义，查找相关的资料整合出两种说法：
% s/ M" h0 s  j7 ^: j5 r2 I% \1、S参数表征的是信号在互连被测端口之间的行为模型，这里的互连电气行为就是散射，包括散射回源端，散射到另一个端口等，这里的互连不仅仅是传输线，还有连接器和电缆等。

, X0 H5 |( u; v7 X( I( O, h, K2、S参数表征的是信号经过传输线从一个端口到另一个端口性能情况，需要注意的是传输线的两端是需要做阻抗匹配的，默认的阻抗50 Ohm。

对于产品的无源结构，比如电源分配网络(PDN)，信号传输线等，这些都是线性时不变的系统，不管系统内部如何，只要端口上测得相关参数，就可以完全描述该系统的特性。

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% |* ^, X' p5 k6 `( E; k. y0 T- g: }* P图片来源于网络，侵删
0 l& y" _# v( q
4 _2 `  z# {9 }- W% F% b, W6 C) b+ \6 `关于端口测试，常见的时域测量TDR时域反射计，频域测量VNA网络分析仪，不管时域还是频域，都有注意的问题。时域测量，会存在寄生效应，对测量结果产生影响，频域测量，需要关注去嵌的问题。

$ C& F2 x$ r4 J4 vS参数的公式
7 U, I) |0 Y$ t7 C! {. L7 D/ }信号的传输就是能量传输，端口S参数是以功率来表征：P=U^2/R。端口是默认匹配的，R值是相等的，以此推算出S11=Vin/Vout。下图就是很多资料给出的参数表示图：


' r, E: e- b% l  m

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3 x0 `/ x7 Q! E' t1 R  s图片来源于网络，侵删

' e# A" N: e3 Y  z/ z* d+ yS参数的相关公式都有一个注明条件，比如a2=0，这说明a2需要端接匹配，否则就会存在信号反射。
2 R8 O: s5 r  y$ V" G8 C# c5 A. p" Z
除了上图，S11用输入输出电压来表示，默认传输线和端口的阻抗匹配，根据电压公式也可推导：

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S11表征端口的反射特性，S out/in就是先输出后输入。

. W# ~1 I: T& W, W搭建相关电路图，来验证公式：
& |7 Z2 G* v4 Z0 X/ h

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) f$ D( A+ R, W  W8 \, s# O6 F
$ P0 L" R$ s6 K3 u- D根据公式计算出S11=0.25，和仿真得出的结果一致。
3 K% Q" X! Q9 M8 T* x' B* W

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, _$ k4 W  `0 Y9 P4 `8 S& ~1 N
/ B% J0 x. Z( r, X% Q3 A/ r除了上面所说的电压和电压的表现形式，常见S参数的就是dB加以描述，这是因为S参数的幅值是0~1之间的数，上述S参数公式是输入输出电压的幅值比值，dB可以对应电压幅值与其对应的功率比值有关，可以得出相关公式如下：
( i) b6 o, P7 A, k

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0 H- n! R- N: ]& \
4 C9 ~, ]1 Y+ Z9 D$ x: U4 Y常见的比值需要了解，后面的工作会经常遇到，简单来说，就是dB绝对值越大，反射越小。
; {6 j. |" U; N
/ l0 j; `  J) H( l. L) x3 H

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S参数的特征
9 `% X  i+ C/ u/ m- A! g- E, b* \下图为S参数的Touchstone 文本格式：
% E$ l$ y( C$ O

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7 @" H* @) t# k4 e文件里包含关键信息，比如频率，S参数，幅度与相位角，端口参考阻抗，接下来就是对应不同频点，S11,S12包含相关信息，这些格式和信息都是标准的。S参数包含这个电气行为模型所有无源信息。
$ M$ \3 A$ O, T7 l
S参数是随频率发生变化的复数，以两端口单端信号为例，S11称为反射系数，幅度的绝对值（dB为单位）代表回波损耗，S21=S12称为传输系数，幅度的绝对值（dB为单位）代表插入损耗，S31=S13幅度的绝对值（dB为单位）代表近端串扰，S41=S14幅度的绝对值（dB为单位）代表远端串扰。

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图片来源于网络，侵删

  C$ S9 F8 ~- |( g* H5 p一般来说，端口的排序没有相关规定，可以任意排序，但一般常见就是左奇右偶。
# o; h' f- A9 R' i
下面是基于理想传输线得出的S参数仿真波形，对S参数的幅值和相位有直观体现：
0 s& r0 o4 [1 ?$ t/ o. z" r

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6 N6 T4 `8 Z& O) E& o简单来说：

S11和S21的dB曲线存在周期性不断变化的波动

S11的相位是从90°跳变成-90°，相互之间来回跳变

S21的相位是从0°到-180°再到180°的跳变

相关资料给出的S参数的测试波形：

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