中心議題：

• S參數介紹的由來(lái)和含義
• S參數的使用范圍
• S參數在電路仿真中的應用

解決方案：

• 對于高頻電路，需要采用網(wǎng)絡(luò )法來(lái)進(jìn)行分析，此時(shí)需要用到S參數
• 可以使用元器件廠(chǎng)家的S參數也可以自己搭建測試電路使用網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)測得S參數
• 要想深刻的理解S參數，需要具備足夠的高頻電子電路的基礎知識
  

在進(jìn)行射頻、微波等高頻電路設計時(shí)，節點(diǎn)電路理論已不再適用，需要采用分布參數電路的分析方法，這時(shí)可以采用復雜的場(chǎng)分析法，但更多地時(shí)候則采用微波網(wǎng)絡(luò )法來(lái)分析電路，對于微波網(wǎng)絡(luò )而言，最重要的參數就是S參數。在個(gè)人計算機平臺邁入 GHz階段之后，從計算機的中央處理器、顯示界面、存儲器總線(xiàn)到I/O接口，全部走入高頻傳送的國度，所以現在不但射頻通信電路設計時(shí)需要了解、掌握S參數，計算機系統甚至消費電子系統的設計師也需要對相關(guān)知識有所掌握。

S參數的作用S參數的由來(lái)和含義
在低頻電路中，元器件的尺寸相對于信號的波長(cháng)而言可以忽略(通常小于波長(cháng)的十分之一)，這種情況下的電路被稱(chēng)為節點(diǎn)(Lump)電路，這時(shí)可以采用常規的電壓、電流定律來(lái)進(jìn)行電路計算。其回路器件的基本特征為：

• 具體來(lái)說(shuō)S參數就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎上的網(wǎng)絡(luò )參數，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò )。
• 針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數進(jìn)行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS（Advanced Design System），ADS被許多射頻設計平臺所集成。
• 在進(jìn)行需要較高頻率的設計時(shí)，設計師必須利用參數曲線(xiàn)以及預先計算的散射參數（即S-參數）模型，才能用傳輸線(xiàn)和器件模型來(lái)設計所有物理元件。

• 電阻：能量損失（發(fā)熱）
• 電容：靜電能量
• 電感：電磁能量

但在高頻微波電路中，由于波長(cháng)較短，組件的尺寸就無(wú)法再視為一個(gè)節點(diǎn)，某一瞬間組件上所分布的電壓、電流也就不一致了。因此基本的電路理論不再適用，而必須采用電磁場(chǎng)理論中的反射及傳輸模式來(lái)分析電路。元器件內部電磁波的進(jìn)行波與反射波的干涉失去了一致性，電壓電流比的穩定狀態(tài)固有特性再也不適用，取而代之的是“分布參數”的特性阻抗觀(guān)念，此時(shí)的電路被稱(chēng)為分布（Distributed） 電路。分布參數回路元器件所考慮的要素是與電磁波的傳送與反射為基礎的要素，即：

• 反射系數
• 衰減系數
• 傳送的延遲時(shí)間

分布參數電路必須采用場(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過(guò)于復雜，因此需要一種簡(jiǎn)化的分析方法。 微波網(wǎng)絡(luò )法廣泛運用于微波系統的分析，是一種等效電路法，在分析場(chǎng)分布的基礎上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導波傳輸系統等效為傳輸線(xiàn)，從而將實(shí)際的微波系統簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò )，把場(chǎng)的問(wèn)題轉化為路的問(wèn)題來(lái)解決。

一般地，對于一個(gè)網(wǎng)絡(luò )有Y、Z和S參數可用來(lái)測量和分析，Y稱(chēng)導納參數，Z稱(chēng)為阻抗參數，S稱(chēng)為散射參數；前兩個(gè)參數主要用于節點(diǎn)電路，Z和Y參數對于節點(diǎn)參數電路分析非常有效，各參數可以很方便的測試；但在處理高頻網(wǎng)絡(luò )時(shí)，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導納參數變得較抽象。與直接測量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數，即S參數矩陣，它更適合于分布參數電路。 S參數被稱(chēng)為散射參數，暗示為事務(wù)分散為不同的分量，散射參數即描述其分散的程度和分量的大小。

具體來(lái)說(shuō)S參數就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎上的網(wǎng)絡(luò )參數，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò )。 同N端口網(wǎng)絡(luò )的阻抗和導納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對N端口網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行完善的描述。

阻抗和導納矩陣反映了端口的總電壓和電流的關(guān)系，而散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò )分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡(luò )分析技術(shù)來(lái)計算。只要知道網(wǎng)絡(luò )的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。

下面以二端口網(wǎng)絡(luò )為例說(shuō)明各個(gè)S參數的含義，如圖所示。

二端口網(wǎng)絡(luò )有四個(gè)S參數，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測得的能量，如S11定義為從Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡(jiǎn)化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數的物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò )的特性如下：

S11：端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數
S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數
S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數
S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數

對于互易網(wǎng)絡(luò )，有：S12＝S21 對于對稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )，有：S11＝S22
對于無(wú)耗網(wǎng)絡(luò )，有：（S11）2＋（S12）2＝1

我們經(jīng)常用到的單根傳輸線(xiàn)，或一個(gè)過(guò)孔，就可以等效成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò )，一端接輸入信號，另一端接輸出信號，如果以Port1作為信號的輸入端口，Port2作為信號的輸出端口，那么S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個(gè)值越小越好，一般建議S11<0.1，即－20dB，S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸到目的端（Port2）了，這個(gè)值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸的效率越高，一般建議S21>0.7，即－3dB。如果網(wǎng)絡(luò )是無(wú)耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿(mǎn)足S21>0.7的要求，但通常的傳輸線(xiàn)是有耗的，尤其在GHz以上，損耗很顯著(zhù)，即使在Port1上沒(méi)有反射，經(jīng)過(guò)長(cháng)距離的傳輸線(xiàn)后，S21的值就會(huì )變得很小，表示能量在傳輸過(guò)程中還沒(méi)到達目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。

S參數在電路仿真中的應用
S參數自問(wèn)世以來(lái)已在電路仿真中得到廣泛使用。針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數進(jìn)行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS（Advanced Design System），ADS被許多射頻設計平臺所集成。

在許多仿真器中我們都可以找到S參數模塊，設計人員會(huì )設置每一個(gè)具體S參數的值。這也和S參數的起源一樣，同樣是因為頻率，在較低的頻率時(shí)，設計師可以在電路板上安裝分立的射頻元件，再用阻抗可控的印制線(xiàn)和通孔把它們連接起來(lái)。在進(jìn)行需要較高頻率的設計時(shí)，設計師必須利用參數曲線(xiàn)以及預先計算的散射參數（即S-參數）模型，才能用傳輸線(xiàn)和器件模型來(lái)設計所有物理元件。

設計師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)實(shí)際測量S參數，這樣做的好處是可以將器件裝配在與將要生產(chǎn)的PCB相同的PCB上進(jìn)行測試以得到精確的測量結果。設計師也可以采用元器件廠(chǎng)家提供的S參數進(jìn)行仿真，據安捷倫EDA部門(mén)的一位應用工程師在文章中介紹：“這些數據通常是在與最終應用環(huán)境不同的環(huán)境中測得的。這可能在仿真中引入誤差”他舉例：“當電容器安裝在不同類(lèi)型的印制電路板時(shí)，電容器會(huì )因為安裝焊盤(pán)和電路板材料(如厚度、介電常數等)而存在不同的諧振頻率。固態(tài)器件也會(huì )遇到類(lèi)似問(wèn)題(如 LNA 應用中的晶體管)。為避免這些問(wèn)題，最好應該在實(shí)驗室中測量S參數。但無(wú)論如何，為了進(jìn)行射頻系統仿真，就無(wú)法回避使用S參數模型，無(wú)論這些數據是來(lái)自設計師的親自測量還是直接從元器件廠(chǎng)家獲得，這是由高頻電子電路的特性所決定了的。