中心議題：

• S參數(shù)介紹的由來和含義
• S參數(shù)的使用范圍
• S參數(shù)在電路仿真中的應(yīng)用

解決方案：

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

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

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

• 具體來說S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，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描述電路網(wǎng)絡(luò)。
• 針對射頻和微波應(yīng)用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)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(shè)計(jì)平臺所集成。
• 在進(jìn)行需要較高頻率的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須利用參數(shù)曲線以及預(yù)先計(jì)算的散射參數(shù)（即S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來設(shè)計(jì)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，由于波長較短，組件的尺寸就無法再視為一個(gè)節(jié)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，而必須采用電磁場理論中的反射及傳輸模式來分析電路。元器件內(nèi)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(wěn)定狀態(tài)固有特性再也不適用，取而代之的是“分布參數(shù)”的特性阻抗觀念，此時(shí)的電路被稱為分布（Distributed） 電路。分布參數(shù)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(chǔ)的要素，即：

• 反射系數(shù)
• 衰減系數(shù)
• 傳送的延遲時(shí)間

分布參數(shù)電路必須采用場分析法，但場分析法過于復(fù)雜，因此需要一種簡化的分析方法。 微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎(chǔ)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(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場的問題轉(zhuǎn)化為路的問題來解決。

一般地，對于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來測量和分析，Y稱導(dǎo)納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)；前兩個(gè)參數(shù)主要用于節(jié)點(diǎn)電路，Z和Y參數(shù)對于節(jié)點(diǎn)參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)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(dǎo)納參數(shù)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(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。 S參數(shù)被稱為散射參數(shù)，暗示為事務(wù)分散為不同的分量，散射參數(shù)即描述其分散的程度和分量的大小。

具體來說S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，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描述電路網(wǎng)絡(luò)。 同N端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗和導(dǎo)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(dǎo)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)來計(jì)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)為例說明各個(gè)S參數(shù)的含義，如圖所示。

二端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)S參數(shù)，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)常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數(shù)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(shù)
S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)
S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)
S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)

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

我們經(jīng)常用到的單根傳輸線，或一個(gè)過孔，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?shù)侥康亩耍≒ort2）了，這個(gè)值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸?shù)男试礁?，一般建議S21>0.7，即－3dB。如果網(wǎng)絡(luò)是無耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S21>0.7的要求，但通常的傳輸線是有耗的，尤其在GHz以上，損耗很顯著，即使在Port1上沒有反射，經(jīng)過長距離的傳輸線后，S21的值就會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達(dá)目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。

S參數(shù)在電路仿真中的應(yīng)用
S參數(shù)自問世以來已在電路仿真中得到廣泛使用。針對射頻和微波應(yīng)用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)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(shè)計(jì)平臺所集成。

在許多仿真器中我們都可以找到S參數(shù)模塊，設(shè)計(jì)人員會設(shè)置每一個(gè)具體S參數(shù)的值。這也和S參數(shù)的起源一樣，同樣是因?yàn)轭l率，在較低的頻率時(shí)，設(shè)計(jì)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和通孔把它們連接起來。在進(jìn)行需要較高頻率的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須利用參數(shù)曲線以及預(yù)先計(jì)算的散射參數(shù)（即S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來設(shè)計(jì)所有物理元件。

設(shè)計(jì)師可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來實(shí)際測量S參數(shù)，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(jié)果。設(shè)計(jì)師也可以采用元器件廠家提供的S參數(shù)進(jìn)行仿真，據(jù)安捷倫EDA部門的一位應(yīng)用工程師在文章中介紹：“這些數(shù)據(jù)通常是在與最終應(yīng)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(dāng)電容器安裝在不同類型的印制電路板時(shí)，電容器會因?yàn)榘惭b焊盤和電路板材料(如厚度、介電常數(shù)等)而存在不同的諧振頻率。固態(tài)器件也會遇到類似問題(如 LNA 應(yīng)用中的晶體管)。為避免這些問題，最好應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室中測量S參數(shù)。但無論如何，為了進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真，就無法回避使用S參數(shù)模型，無論這些數(shù)據(jù)是來自設(shè)計(jì)師的親自測量還是直接從元器件廠家獲得，這是由高頻電子電路的特性所決定了的。