一篇文章了解S参数的相关应用背景

在EDA仿真结果中，S参数是一个经常被提及的结果，关于S参数详细内容，其实不管是网上还是教科书都有较规范的介绍，但是大多数并不适用没有EDA背景的读者。

本文就S参数的相关应用背景，具体内容做一下介绍，主要针对没有任何EDA行业背景的朋友，EDA工程师可忽略。

S意为Scatter/Scattering，字面意思为散射。S参数也就是散射参数。

1.S参数计算方法

2. 差分线****和多端口

3.S参数文件

1.S参数计算方法：

一般书上用电压，电流来描述信号，为了方便理解，这里用能量来描述。

如下图微带线，假设有100单位能量进入端口1，然后从端口2出来。在传输过程中种种原因，能量并不能全部到达端口2，部分会反射。

情形1：假设有5单位能量反射。

则S参数计算如下：

S11 = 5/100=0.05

S12 = 95/100 = 0.95

S11表示反射比例，学名回波损耗(Return Loss)，简写RL

S12表示传送到比例，学名插入损耗(Insertion Loss)，简写IL

对于对称网络 ： S11=S22

S22 = 5/100 = 0.05

S21 = 95/100 = 0.95

情形2：如果反射值为0.01，则

S11=0.01/100=0.0001

S12-99.99/100=0.9999

因为这种计算数据跨度较大，通常习惯取20*log10(S11)，其中log10表示取以10为底的对数，也就是log10(10)=1，单位dB

上述情形1：

S11=20*log10(0.05)=-26.021dB

S12=20*log10(0.95)=-0.4455dB

上述情形2：

S11=20*log10(0.0001)=-80dB

S12=20*log10(0.9999)=-8.68e-3dB

几组dB值对应百分比

至此计算出的是一个频点的S参数值。我们通常要考虑频率范围内的S参数，比如从1GHz-10GHz。方法是采样取一定频率值，然后计算出每个频率的S参数，再进行插值；采样越多，精度越高，但计算量越大。

比如针对情形1，我们从1G到10G取10个频率，分别计算S参数

如下表

基于上表我们就可以画出S11参数图了，如下：

通常S参数是有连续性的曲线，在折线的基础上要再进行插值，插值拟合后的S11参数图类似如下图：

类似的，S12也可以画出。

采样计算S参数的操作也叫扫频操作

(Frequency Sweep)。

采样除了平均采样外，根据求解频率特点还有基于AWE

(Asymptotic Waveform Evaluation)和

ALPS(Adaptive Lanczos-Pade Sweep)

的快速扫频以及基于二分法的插值扫频。

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2 . 差分线****和多端口

通常两根传输线如果间隔太近，互相会造成干扰，用两条平行的，等长的走线传输相位差180°的同一信号。即一根线传输正信号，一根线传输负信号。正信号减去负信号，得到2倍强度的有用信号。而两根线路上的干扰信号是一样的，相减之后干扰信号就没了。这是差分线。

一个差分对包括两条信号线四个端口，S参数包括：

S11 S12 S13 S14

S21 S22 S23 S24

S31 S32 S33 S34

S41 S42 S43 S44

可以看出4端口可以构成一个4*4的矩阵数据。

进一步推广可以得知：N端口的数据可以构成一个N*N的矩阵数据。

差分线的S参数涉及到近端串扰，远端串扰，差模，共模等处理，在信号完整性中是个单独的话题，作为S参数基础入门这里就不展开。

3.S参数文件

TouchStone文件是一种被用于各种仿真软件的标准格式的文件，仿真软件中调用此文件来代表一个器件或电路。TouchStone文件名都是以.snp为后缀名，n表示端口数， .s2p即表示一个2端口网络， .s4p表示4端口网络。

*.snp文件是一个纯文本文件，可直接用记事本打开。

如下s2p文件为例

第一行中的

1.HZ表示频率的单位，可以是如下值：

HZ，MHZ，KHZ，GHZ

2.S表示参数类型，可以是如下值：

S--散射参数

Y--导纳参数

Z--阻抗参数

H/G--混合参数

以上参数可以相互转换

3.RI，可以是如下数值

DB--角度

MA--幅度-角度

RI--实部-虚部

4.R 端口阻抗

R50表示匹配的参考电阻是50欧姆。

上例中，2端口网络的S参数总共有 1 + 222 = 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排列。

4端口网络的S参数总共有 1 + 442 = 33 列

以上对S参数做了简要介绍，实际工程中可以通过S参数，结合眼图，Smith圆图等工具，得到更多的电路特性，指导设计。

文中所有标红的字是跟S参数以及信号完整性相关的内容，有兴趣的朋友可以自行查阅。