中心議題：
- S參數(shù)介紹的由來(lái)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(duì)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(shù)
- 可以使用元器件廠家的S參數(shù)也可以自己搭建測(cè)試電路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)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(shí)
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(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(duì)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(tái)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(chǔ)器總線到I/O接口，全部走入高頻傳送的國(guó)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(duì)相關(guān)知識(shí)有所掌握。
S參數(shù)的作用S參數(shù)的由來(lái)和含義
在低頻電路中，元器件的尺寸相對(duì)于信號(hào)的波長(zhǎng)而言可以忽略(通常小于波長(zhǎng)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(lái)進(jìn)行電路計(jì)算。其回路器件的基本特征為：
- 具體來(lái)說(shuō)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(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)。
- 針對(duì)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(tái)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(lái)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(zhǎng)較短，組件的尺寸就無(wú)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(chǎng)理論中的反射及傳輸模式來(lái)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(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過(guò)于復(fù)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(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場(chǎng)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(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場(chǎng)的問題轉(zhuǎn)化為路的問題來(lái)解決。
一般地，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來(lái)測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)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(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)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(duì)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(cè)量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來(lái)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(shuō)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(cè)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(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(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12＝S21 對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，有：S11＝S22
對(duì)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，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(hào)，另一端接輸出信號(hào)，如果以Port1作為信號(hào)的輸入端口，Port2作為信號(hào)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)男试礁撸话憬ㄗhS21>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(guò)長(zhǎng)距離的傳輸線后，S21的值就會(huì)變得很小，表示能量在傳輸過(guò)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(lái)已在電路仿真中得到廣泛使用。針對(duì)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(tái)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(huì)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(lái)。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(lái)設(shè)計(jì)所有物理元件。
設(shè)計(jì)師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)實(shí)際測(cè)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(cè)試以得到精確的測(cè)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(cè)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(huì)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(huì)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(cè)量S參數(shù)。但無(wú)論如何，為了進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真，就無(wú)法回避使用S參數(shù)模型，無(wú)論這些數(shù)據(jù)是來(lái)自設(shè)計(jì)師的親自測(cè)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。
