1.6　S参数

在进行射频、微波等高频电路设计时，集总电路理论已不再适用，必须采用分布参数电路的分析方法，这时可以采用复杂的场分析法，但更多采用的是微波网络分析法。对于微波网络而言，最重要的参数就是S参数。

1.6.1　集总电路和分布电路

在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以被忽略（通常小于波长的1/10），这种情况下的电路称为集总（Lump）电路。这时，可以采用常规的电压、电流定律来进行集总电路相关参数的计算，其元器件的基本特征如下。

电阻：能量损失（发热）。

电容：静电能量。

电感：电磁能量。

在高频微波电路中，波长较短，元器件的尺寸就无法再视为一个节点，某一瞬间元器件上所分布的电压、电流也就不一致了。这时基本的电路理论不再适用，必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉失去了一致性，电压电流比的稳定状态固有特性不再适用，取而代之的是“分布参数”的特性阻抗观念，此时的电路称为分布（Distributed）电路。分布电路元器件所要考虑的要素是以电磁波的传送与反射为基础的要素，即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。

分布电路必须采用场分析法。由于场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，即在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元器件等效为电抗或电阻，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，从而把场的问题转化为路的问题来解决。

1.6.2　S参数的作用和含义

一般地，一个网络可以测量和分析Y、Z和S参数，Y参数即导纳参数，Z参数即阻抗参数，S参数即散射参数；前两个参数主要用于集总电路的分析，Z和Y参数在集总电路中可以很方便地被测量；但在处理高频网络时，等效电压和电流及有关的阻抗和导纳参数会变得较抽象。更能反映直接测量入射、反射及传输波概念的参数是散射参数，即散射矩阵，它更适用于分布电路的分析。S参数用于描述事务分散的程度和分量的大小。具体来说，S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适用于微波电路的分析，以元器件端口的反射信号及从该端口传向另一个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一样，用散射矩阵也能对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。S参数可以直接通过网络分析仪的测量得到，也可以通过网络分析技术计算得到。只要知道网络的S参数，就可以将它变换成其他矩阵参数。

下面以二端口网络为例说明各S参数的含义，如图1-6-1所示。

二端口网络有4个S参数，Sij代表的意思是从端口j注入的能量与从端口i测得的能量的比值的平方根，如S11定义为从端口1反射的能量与输入的能量的比值的平方根，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所述。

S11：与端口2匹配时，端口1的反射系数。

S22：与端口1匹配时，端口2的反射系数。

S12：与端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数。

S21：与端口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+S12=1。

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。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。如果网络是无损耗的，那么只要Port1上的反射能量很小，就可以满足S21>0.7的要求。但通常的传输线是有损耗的，尤其在工作频率达到吉赫兹以上时，损耗很显著，即使在Port1上没有反射能量，经过长距离的传输线后，S21的值也会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地时，就已经大部分消耗在传输线上了。

1.6.3　S参数在电路仿真中的应用

S参数已在电路仿真中得到广泛使用。针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都具有用S参数进行仿真的能力，这其中包括安捷伦公司的ADS（Advanced Design System），ADS被许多射频设计平台所集成。

在许多仿真器中，我们都可以找到S参数模块，设计人员会设置每一个具体S参数的值。这也和S参数的起源一样。在较低频率时，设计师可以在电路板上安装分立的射频元器件，再用阻抗可控的印制线和通孔把它们连接起来。在较高频率时，设计师必须利用参数曲线及预先计算的S参数模型，才能用传输线和元器件模型来设计所有物理元器件。

设计师可以通过网络分析仪来实际测量S参数，这样做的好处是可以将元器件装配在与将要生产的PCB相同的PCB上测量S参数，以得到精确的测量结果。设计师也可以采用元器件厂家提供的S参数进行仿真，但这些数据通常是在与最终应用环境不同的环境中测得的。这可能在仿真中引入误差。例如，当电容器安装在不同类型的印制电路板时，电容器会因为安装焊盘和电路板材料（如厚度、介电常数等）而存在不同的谐振频率。固态元器件也会遇到类似问题（如LNA应用中的晶体管）。为避免这些问题，最好在实验室中测量S参数。为了进行射频系统仿真，就无法回避使用S参数模型，无论这些数据通过设计师的亲自测量得到还是直接通过元器件厂家获得，这是由高频电子电路的特性所决定的。

1.6.4　S参数的优/缺点

S参数在高速串行仿真中，体现出来的优/缺点如下。

1.S参数的优点

（1）能够把一个很复杂的网络绘制成S参数，以查看该网络的频率响应特性，这样可以很好地了解衰减、反射等相关频率参数。

（2）用黑盒子的形式代表一个网络结构。我们只要关注想要的仿真结构，而不用去关心中间的具体网络构成。

（3）S参数能够通过实验室仪器测量得到，并将S参数导入仿真电路中进行信号的仿真，从而省去了寻找和创建模型的过程，也可以通过S参数来验证仿真结果是否和实际结果一致。

2.S参数的缺点

（1）S参数是一个行为模型，它失去了实际的物理特性。

（2）S参数的精度取决于实验室测量的精度，由生成S参数软件工具输入的参数设定。一旦创建了一个S参数模型，就要检查S参数模型生成的质量、无源性和互逆性。首先应该用S参数在时域中做仿真，如果仿真出来的信号波形符合预期的信号波形，那么再去判断S参数的精度，最终得到能够使用的S参数模型。