1.6　S參數

在進行射頻、微波等高頻電路設計時，集總電路理論已不再適用，必須采用分布參數電路的分析方法，這時可以采用復雜的場分析法，但更多采用的是微波網絡分析法。對于微波網絡而言，最重要的參數就是S參數。

1.6.1　集總電路和分布電路

在低頻電路中，元器件的尺寸相對于信號的波長而言可以被忽略（通常小于波長的1/10），這種情況下的電路稱為集總（Lump）電路。這時，可以采用常規的電壓、電流定律來進行集總電路相關參數的計算，其元器件的基本特征如下。

電阻：能量損失（發熱）。

電容：靜電能量。

電感：電磁能量。

在高頻微波電路中，波長較短，元器件的尺寸就無法再視為一個節點，某一瞬間元器件上所分布的電壓、電流也就不一致了。這時基本的電路理論不再適用，必須采用電磁場理論中的反射及傳輸模式來分析電路。元器件內部電磁波的進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固有特性不再適用，取而代之的是“分布參數”的特性阻抗觀念，此時的電路稱為分布（Distributed）電路。分布電路元器件所要考慮的要素是以電磁波的傳送與反射為基礎的要素，即反射系數、衰減系數、傳送的延遲時間。

分布電路必須采用場分析法。由于場分析法過于復雜，因此需要一種簡化的分析方法。微波網絡法廣泛運用于微波系統的分析，是一種等效電路法，即在分析場分布的基礎上，用路的方法將微波元器件等效為電抗或電阻，將實際的導波傳輸系統等效為傳輸線，從而將實際的微波系統簡化為微波網絡，從而把場的問題轉化為路的問題來解決。

1.6.2　S參數的作用和含義

一般地，一個網絡可以測量和分析Y、Z和S參數，Y參數即導納參數，Z參數即阻抗參數，S參數即散射參數；前兩個參數主要用于集總電路的分析，Z和Y參數在集總電路中可以很方便地被測量；但在處理高頻網絡時，等效電壓和電流及有關的阻抗和導納參數會變得較抽象。更能反映直接測量入射、反射及傳輸波概念的參數是散射參數，即散射矩陣，它更適用于分布電路的分析。S參數用于描述事務分散的程度和分量的大小。具體來說，S參數就是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，適用于微波電路的分析，以元器件端口的反射信號及從該端口傳向另一個端口的信號來描述電路網絡。同N端口網絡的阻抗和導納矩陣一樣，用散射矩陣也能對N端口網絡進行完善的描述。

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系。S參數可以直接通過網絡分析儀的測量得到，也可以通過網絡分析技術計算得到。只要知道網絡的S參數，就可以將它變換成其他矩陣參數。

下面以二端口網絡為例說明各S參數的含義，如圖1-6-1所示。

二端口網絡有4個S參數，Sij代表的意思是從端口j注入的能量與從端口i測得的能量的比值的平方根，如S11定義為從端口1反射的能量與輸入的能量的比值的平方根，也經常被簡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絡的特性如下所述。

S11：與端口2匹配時，端口1的反射系數。

S22：與端口1匹配時，端口2的反射系數。

S12：與端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數。

S21：與端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數。

對于互易網絡，有S12=S21；對于對稱網絡，有S11=S22。

對于無耗網絡，有S11+S12=1。

我們經常用到的單根傳輸線或一個過孔，就可以等效成一個二端口網絡，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。如果網絡是無損耗的，那么只要Port1上的反射能量很小，就可以滿足S21>0.7的要求。但通常的傳輸線是有損耗的，尤其在工作頻率達到吉赫茲以上時，損耗很顯著，即使在Port1上沒有反射能量，經過長距離的傳輸線后，S21的值也會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地時，就已經大部分消耗在傳輸線上了。

1.6.3　S參數在電路仿真中的應用

S參數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具有用S參數進行仿真的能力，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，設計人員會設置每一個具體S參數的值。這也和S參數的起源一樣。在較低頻率時，設計師可以在電路板上安裝分立的射頻元器件，再用阻抗可控的印制線和通孔把它們連接起來。在較高頻率時，設計師必須利用參數曲線及預先計算的S參數模型，才能用傳輸線和元器件模型來設計所有物理元器件。

設計師可以通過網絡分析儀來實際測量S參數，這樣做的好處是可以將元器件裝配在與將要生產的PCB相同的PCB上測量S參數，以得到精確的測量結果。設計師也可以采用元器件廠家提供的S參數進行仿真，但這些數據通常是在與最終應用環境不同的環境中測得的。這可能在仿真中引入誤差。例如，當電容器安裝在不同類型的印制電路板時，電容器會因為安裝焊盤和電路板材料（如厚度、介電常數等）而存在不同的諧振頻率。固態元器件也會遇到類似問題（如LNA應用中的晶體管）。為避免這些問題，最好在實驗室中測量S參數。為了進行射頻系統仿真，就無法回避使用S參數模型，無論這些數據通過設計師的親自測量得到還是直接通過元器件廠家獲得，這是由高頻電子電路的特性所決定的。

1.6.4　S參數的優/缺點

S參數在高速串行仿真中，體現出來的優/缺點如下。

1.S參數的優點

（1）能夠把一個很復雜的網絡繪制成S參數，以查看該網絡的頻率響應特性，這樣可以很好地了解衰減、反射等相關頻率參數。

（2）用黑盒子的形式代表一個網絡結構。我們只要關注想要的仿真結構，而不用去關心中間的具體網絡構成。

（3）S參數能夠通過實驗室儀器測量得到，并將S參數導入仿真電路中進行信號的仿真，從而省去了尋找和創建模型的過程，也可以通過S參數來驗證仿真結果是否和實際結果一致。

2.S參數的缺點

（1）S參數是一個行為模型，它失去了實際的物理特性。

（2）S參數的精度取決于實驗室測量的精度，由生成S參數軟件工具輸入的參數設定。一旦創建了一個S參數模型，就要檢查S參數模型生成的質量、無源性和互逆性。首先應該用S參數在時域中做仿真，如果仿真出來的信號波形符合預期的信號波形，那么再去判斷S參數的精度，最終得到能夠使用的S參數模型。