S参数的基础知识简介

射频微波行业，相关高速产品，很多硬件工程师，很多实际工作，哪一个不拿S参数说事？基础知识有很多健忘了，温故知新。话不多说，直接上思维导图：

1、定义

S参数最新应用于射频和微波领域，起源于频域的分析技术。S参数作为互连行为的通用基准，相关的原理和公式也应用于时域。这里的互连行为包含线性的和无源的。

S参数中的S，是单词Scattering的简写，表示散射的意思。所以，S参数代表是一种行为模型，即互连如何与一个标准的入射波之间的相互作用。

在频率描述时，这个标准波形是正弦波。时域描述时，这个标准波形可以是阶跃或者冲激波形。

入射波散射回源端的波称为反射波，通过元器件散射出去的波形称为传输波。

关于入射波，反射波，传输波，端口比值等，可以参考下图：

时域反射计（TDR）测量时域的反射响应。矢量网络分析仪（VNA） 测正弦波的反射响应和传输响应，这里的矢量是指正弦波的幅度和相位。

2、作用

S参数包含着大量的信息，这些信息描述了互连的一些特性，比如阻抗曲线、串扰大小和差分信号衰减。

使用仿真软件，对互连的行为进行搭建，拟合出基于电路拓扑的互连模型，如走线、连接器、过孔或整个背板模型。所有链路中的模型都可以用S参数来包含。

对于所有线性无源元件而言，散射波的频率和入射波的频率完全一样。正弦波唯一可以改变的两个属性就是散射波的幅度和相位。

为了区别每个S参数所涉及的端口组合，看下标值，第一个下标值对应输出端口，而第二个下标值对应输入端口。比如S21，代表从端口1进入并从端口2输出的正弦波的S参数，这和我们预想的相反，即S out in。

有时候，搞不懂有些厂商就喜欢不一样，非要随意指派，这就为下游厂商的仿真带来不必要的麻烦。

实际工作中，互连不是对称的，S11和S22就不相等。但对于所有线性无源元件而言，总有S21=S12，所以在4个元素的S参数矩阵中，实际只有3个独立项。

S11 称为反射系数，幅度的绝对值称为返回损耗（单位为dB），S21 称为传输系数，幅度的绝对值称为插入损耗（单位为dB）。

反射系数与返回损耗，传输系数与插入损耗，这个对应关系是相反的。

能量守恒定律对于S参数，也是遵守的，所以返回损耗和插入损耗有着千丝万缕的联系。

如果不考虑电磁辐射，耦合等损耗，那么互连的能量就等于反射能量与传输能量之和，公式表示为：

对于给定的返回损耗，插入损耗为：
 

举例，某处的互连阻抗为50Ω，有一处阻抗突变为60Ω或者70Ω，这种情况下的返回损耗为：
 

根据dB = 10log (P1/P2)= 20 log (V1 / V2)(P代表功率，V代表电压)推出。

dB表示时，返回损耗越小，负dB值越大。列两个算式，是让大家有个直观印象。

插入损耗：
 

经验值：返回损耗不高于-20 dB ，则相应的插入损耗将会非常小，几乎等于0 dB。
 

这里面详细列举，也是想着大家算一算，之前的笔者对这个是有点一知半解。

讲到能量守恒，想到之前与网友有过交流，为什么现有很多资料把插入损耗看成总损耗？

如果说插入损耗是对由导体损耗和介质损耗所引起衰减的度量，也就是互连中热能的损耗，这个没问题。但不可以理解为总和，除了互连中热能量的损耗，还有辐射能量，耦合能量等。

现有的技术文档或者产品，为什么把插入损耗当做一个重要参考指标，甚至让人有总和的感觉，是因为其他损耗影响较小，也不好测量得出，被忽略不计。

3、耦合谐振

不同于LC振荡串并联电路电磁波辐射频率，即谐振频率：
 

耦合谐振除了传输线之间还有平面之间。平面之间的谐振是由于返回电流在返回平面之间的切换，会耦合到腔内，形成谐振耦合。

对于100 cm线长的传输线，介电常数取值为4，谐振最低频率为半波长。

平面耦合谐振的解决就是无外乎不要在不同返回平面之间切换信号，或者在每个信号过孔处增加返回地孔，以抑制谐振。

平面耦合谐振，关于这种现象，之前也做过相关的仿真

写到这，笔者有两个疑惑：

1.之前的消费类产品，有些高速信号选择包地，方式如下：

这个地孔之间的长度是有要求的？印象中是1/4波长。后来有去面试，面试官也提到过地孔打法的问题。

关于半波长或1/4波长的选择，不知道有哪位朋友能给讲讲。私聊。

2.考虑没有转换参考层的情况下，返回地孔的问题。

4、单端&混模S参数

前面我们所说的都是针对两个独立且相互耦合的传输线，两条互连之间串扰，近端串扰是S31和S42，远端串扰是S41和S32。近端和远端噪声会随着线间距、耦合长度及是带状线还是微带线的拓扑而不同。

当用一个差分对对两条相同的互连加以描述，当S参数用于描述互连的差分特性时，有很多种叫法，最常用为混模S参数。

单端转混模的公式：

采用混模S参数，存在的信号类型只包括差分信号和共模信号。实际工作中，使用字母D和C分别差分信号和共模信号。SDD用来表示差分信号输入、差分信号输出。SCC用来表示共模信号输入、共模信号输出。顺序也是相反的。

关于混模S参数一些下标，想通上图就可以了。

阻抗的问题。假设单端阻抗是50Ω，差分信号是双端口驱动，以串联形式，差分信号阻抗是100Ω。共模信号驱动双端口，端口阻抗是并联方式，共模信号阻抗是25Ω。这个阻抗和之前的差分对基础知识一致。

差分通道性能的一个指标就是差分插入损耗。实际工作中，很多高速串行链路中，都会传输差分信号。S参数元素中，相位包含了差分信号的延时和散射信息，幅度包含了由于损耗和其他因素所引起的衰减信息。高速串行链路中，链路的任何不对称，都会引起模态转化，比如过孔，连接器，走线转换层等，都会使差分信号转成共模信号，造成电磁干扰。

消费类产品都会进行电磁辐射测试，所以一般会对其链路进行管控，增加CMC或者屏蔽双绞线等方式保证FCC认证。还有一个UL认证，负责安规方面的。

至于S参数其他的深入知识，后面再说。



审核编辑：刘清