无源网络如电阻，电感，电容，衔接器，电缆，PCB线等在高频下会出现射频、微波方面的特性。S参数是表征无源网络特性的一种模型，在仿真中即用S 参数来代表无源网络，因而，S参数在射频、微波和信号完整性范畴的运用都很广泛。本文将分上、下两篇别离从S参数的界说、S参数的表达办法、S参数的特性、混合方式S参数、S参数丈量等多个方面介绍S参数的一些基本知识。
一、S参数的界说
我喜爱找到一句话来归纳一个术语。比如有人问我什么是带宽，我榜首句话会说，带宽便是示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点，然后再具体化这句话里 面的一些关键词的意义。遇到熟行人士，说了这句话就不必再烦琐了。那么该怎样用一句话来答复什么是S参数呢？ 我在网上查找到许多关于S参数的文章，现摘抄几段关于S参数的界说。
在维基百科上，关于S参数的界说是：Scattering parameters or S-parameters (the elements of a scattering matrix or S-matrix) describe the electrical behaviors of linear electrical networks when undergoing various steady state stimuli by electrical signals. The parameters are useful for electrical engineering, electronics engineering, and communication systems design. 翻译成中文：散射参数或者说S参数描绘了线性电气网络在改变的稳态电信号鼓励时的电气行为。该参数关于电气工程，电子工程和通讯体系的研制是很有用的。（ 抱愧，英语水平太差，翻译得很别扭。）这个界说好像不够好！
在一篇文章中的界说是：The S-parameter (Scattering parameter) expresses device characteristics using the degree of scattering when an AC signal is considered as a wave. The word “scattering” is a general term that refers to refl ection back to the source and transmission to other directions. 中文意义是：“S参数是运用器材在遭到带有“波”特色的AC信号鼓励下的散射程度来表达器材的特征。”这个界说比较简练，但或许翻译得不精确。我想了半响，不知道是将Wave翻译“微波”好，仍是“波”好。作者企图表达S参数主要是用于描绘在高频信号下的特性，但很不开门见山。
别的一篇文章中的界说更是简练明了： Scattering parameters or S-parameters are commonly used to describe an n-port network operating at high frequencies like RF and microwave frequencies. 中文意义是：“S参数一般用来描绘作业在相似于RF和微波频率的高频下的n端口网络。”
在力科的一篇运用文档中，咱们对S参数的表达是：“Scattering” or ‘s’ parameters are a measure of reflected power and transmitted power in a network as a function of frequency. The “Network” could be a coax cable, passive antenna, active amplifier, microwave filter, etc. S-parameters have magnitude and phase Typically, magnitude is measured in dB, phase is measured in degrees. 中文意义是：“S参数是丈量“传输网络”的反射功率和传输功率，终究丈量成果是和频率相关的。这儿的“传输网络”是或许同轴电缆，无源衰减器，有源功放， 微波滤波器等。
S参数有幅值的S参数和相位的S参数。一般地说，幅值丈量是以dB表明，相位是以视点表明。” 这个表达是从丈量视点来说的，好像不能作为一种术语的界说。 我个人觉得比较糟糕的一个界说是在可谓经典的国外教材上，叫《射频电路设计——理论与运用》（电子工业出书设，Reinhold Ludwig和Pavel Bretchko著）。 在其第111页的描绘是：“简略地说，S参量表达的是电压波，它使咱们能够用入射电压波和反射电压的办法界说网络的输入、输出联系。依据图示，能够界说为 归一化入射波电压an和归一化反射电压波bn。” 这个教材有英文版在国内出书，我没查英文是怎样表达的，但这个翻译过来的中文界说确是很难明。
但上面几种表达归纳在一起，应是给了咱们一个关于什么是S参数的概念。
在物理意义上究竟该怎样了解S参数的实质呢？咱们打一个比如：假定流速极快的水流过了两个衔接在一起但直径纷歧样的水管，在这两个水管的交界处会发生什么现象？一部分水会从一个水管流到别的一个水管，还有一部分水会反射回来，但假如水的流速很慢，一切的水都会从一个水管悉数流到别的一个水管，没有水反射回来的。咱们很简单了解这个现象。那么，咱们将水管换成电阻，电阻两头衔接的是导线，当电信号从导线流经电阻时会发生什么现象？答案是：当电信号的速率很低或直流信号时，一切的电信号能量除了转换为热能消耗掉，其他的都会流出电阻。输入电流等于输出电流。也便是说能够运用咱们在大 学里学习到的基尔霍夫电压和电流规律。但假如电信号的速率很高，“电阻”就不是咱们曩昔意义上了解的电阻了，电阻会体现出射频特性。流过电阻的电信号一部分会被反射回来，并且反射回来信号的相 位纷歧定是和入射的信号彻底反相，是一个矢量。当咱们将电阻作为一个“黑箱子”，来描绘电阻的特征时，该怎样描绘？ S参数便是一种描绘电阻在体现为射频特性的高频信号鼓励下的电气行为的东西，并且它的描绘的办法是以电阻对入射信号作出“反响”即“散射”后，从电阻“外 部”“散射”出的可丈量的物理量来完成的，丈量到的物理量的巨细反响出不同特性的电阻会对相同的输入信号“散射”的程度纷歧样，这种纷歧样的散射程度就可 以用来描绘电阻的特性，并且这种表达办法已成为作为一种十分有用的电气模型。这些物理量被称为入射电压，反射电压，传输电压，等等。 不只是电阻会体现这种特性，许多无源器材如电缆，衔接器，PCB走线等传输介质都会体现出这种特性，因而都能够用S参数来表征。图一表明了S参数的基本概念。
二、S参数的表达办法
S参数的表达办法多种多样。在数学表达上是一个矩阵方式，矩阵中的每个数值代表了必定的物理意义。在图形表达上，则是一个横轴表明频率，纵轴表明散射程度 的曲线。在仿真中，S参数便是代表了器材特性的一种模型，这个模型在仿真运用中的“输入”是一个叫touchstone格局的文件。
S参数矩阵
S参数矩阵如图二所示。对传输网络的输入输出端口都要编上数字，数字次第纷歧样代表的物理意义纷歧样。如Sij表明为入射端口为j，检测端口为i。记住这 个次第就不会混杂矩阵中每个符号的意义。反射表明为i=j，传输表明为i≠j，因而，关于一个n端口的网络，就有n的平方个参数值，将这些数值列在一起就 组成了S参数矩阵。
S参数是两个物理量的比值，因而严厉讲是没有单位的，但一般当表明幅值的S参数时，一般按对数的算法，终究用dB来表明，表一是dB和衰减比值之间的联系。
咱们先用二端口网络来了解S参数矩阵中的数值在理论上怎样得到的。图三为丈量二端口网络前向S参数时的微波功率传输示意图。入射能量（a1）输入到端口 1，有一部分能量（b1）被反射回来，别的一部分能量（b2）输出到端口2。S参数只能在输入、输出端口彻底匹配的条件下才干确认。
丈量“前向”S参数时，在输入端施加鼓励信号，在输出端接匹配电阻。
S11=b1/a1=反射功率/入射功率。S11表明在输出端端接匹配情况下的输入端反射系数，一般被称为回波损耗（return loss）。
S21=b2/a1=输出功率/输入功率。S21表明在输出端端接匹配情况下的前向传输增益（系数），一般被称为插入损耗(inset loss)。
丈量“反向”S参数时，在输出端施加鼓励信号，在输入端接匹配电阻，如图四所示。
S22=b2/a2=反射功率/入射功率。S22表明在输入端端接匹配情况下的输出端反射系数。
S12=b1/a2=输出功率/输入功率。S12表明在输入端端接匹配情况下的反向传输增益（系数）。
刚开始记这些参数时或许有些简单混杂。正向和反向是相对表达上的便利而言的，无源器材一般来说正向和反向的共同的成果。其实，咱们牢记住S21表明b2/a1就能够了，其它的就能够类推了。相同的后缀S11,S22表明反射，十分简单记住。
咱们能够用下面的两个联系式来完整地描绘二端口网络的输入，输出和S参数的联系。用图形描绘这些联系式如图五所示。
单端四端口或更多端口网络的S参数和二端口网络的丈量办法相似。在某一端施加鼓励信号，其它一切端口端接匹配电阻。得到的S参数矩阵如图六所示。
四端口网络S参数中，S11，S22，S33，S44别离表明各端口的回波损耗/反射系数。S21，S12，S34，S43表明插入损耗/传输增益。 S13，S31，S24，S42表明近端串扰（near end crosstalk）。S14，S41，S23，S32表明远端串扰（far end crosstalk）。 图七表明了串扰的物理意义。近端串扰表明在某端口施加鼓励，在附近的一端的别的一个端口耦合到的信号。远端串扰的意义便是在较远的一端耦合到的信号。示波 器目标中有一项通道隔离度其实便是串扰的一种体现。
S参数图
S参数图能够愈加直观地了解S参数的物理意义。S参数图的横坐标表明频率的巨细，纵坐标表明起伏或相位的“散射”程度，图八的左图表明S11和S21的幅 值S参数图，右图表明S12和S22的幅值S参数图。 S21和S12表明的二端口网络在不同频率正弦信号效果下的增益，全体上出现低通特性，跟着频率的添加，能量衰减越大，传输到别的一端的能量就越小，这其 实和咱们了解的示波器前端放大器的频响曲线的意义是共同的。关于频率越高的信号，通过相同的PCB或电缆之后的幅值衰减得越快。 所谓去加剧和预加剧便是针对传输网络的这种特性补偿高频衰减的一种解决办法。 S11和S22则恰恰相反，跟着频率的升高，反射回来的能量就越大。
TouchStone文件
TouchStone文件是一种被用于各种仿真软件的规范格局的文件，仿真软件中调用此文件来代表一个器材或电路。 TouchStone文件名都是以.snp为后缀名。n表明端口数。.s2p即表明一个2端口网络。 s4p表明4端口网络。图九是一个二端口网络的TouchStone文件的实例。该文件是一个纯文本文件，可直接用记事本翻开。 二端口网络的S参数总共有9列，按频率，幅值S11,相位S11，幅值S21，相位S21，幅值S12，相位S12，幅值S22，相位S22的次第摆放。 频率按由小到大的从上往下摆放，中心的距离没有严厉规则，但必须按从小到大的次序。 值得注意的一点是，用VNA丈量得到的TouchStone文件中，没有DC点，即没有0频率，是不能直接被仿真软件调用的，需求进行修改，弥补0频率及 相应的S参数数值，但运用SPARQ丈量，发生的TouchStone文件可直接被仿真软件调用。该实例中，榜首行中的dB表明复数的表达方式，这儿的 dB表明幅值单位是dB，相位单位是视点。文件中的这个方位上假如显现是MA，则表明起伏和相位都用实践的数值表明。 R50表明匹配的参阅电阻是50欧姆。
