微波网络如何使用S参数来分析电路

对于高频电路，需要采用网分来进行分析，此时需要用到S参数，可以使用元器件厂家的S参数也可以自己搭建测试电路使用网络分析仪来测得S参数，要想深刻的理解S参数，需要具备足够的高频电子电路的基础知识。

在进行射频、微波等高频电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用分步参数电路的分析方法，这是可以采用复杂的场分析法，但更多的时候则采用微波网络来分析电路。

对于微波网络而言，最重要的参数就是S参数，在个人计算机平台迈入GHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到I/O接口，全部走入高频传送的国度，所以现在不但射频通信电路设计时需要了解、掌握S参数，计算机系统甚至消费电子系统的设计师也需要对相关知识有所掌握。

什么是s参数？

微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。

分布参数电路必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。 微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。

微波网络理论在低频网络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。

微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。

一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。

因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。

S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。

阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。

只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。

二端口网络为例说明各个S参数的含义：

如图所示。二端口网络有四个S参数，Sij代表的意思是能量从j口注入，在i口测得的能量。如S11定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值。各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：

S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；

S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；

S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；

S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数。

对于互易网络，有：S12＝S21。

对于对称网络，有：S11＝S22 对于无耗网络，有：（S11）2＋（S12）2＝1 。

S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。

我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端 口，Port2作为信号的输出端口，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议 S11<<0.1，即－20dB。

S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即 0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>>0.7，即－3dB。

如果网络是无耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以满足 S21>>0.7的要求，但通常的传输线是有耗的，尤其在GHz以上，损耗很显著，即使在Port1上没有反射，经过长距离的传输线后，S21的值就 会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消耗在路上了。

在高速信号测试当中，会经常用到S参数，比如需要根据实际的测试案例，演示用网络分析仪实测PCB板上单端走线和差分走线的S参数等。

编辑：黄飞