快速认识S参数
快速认识S参数
S参数是射频（RF）和信号完整性（SI）工程师必须掌握的基础知识。它不仅能够描述线性无源传输通道的频域特性，还是分析高频无源器件的重要工具。本文将从基本概念出发，深入探讨S参数的物理意义及其在实际应用中的重要性。
S参数简介
S参数，即散射参数，是微波传输中的一个重要参数。具体来说：
- S12：反向传输系数，也称为隔离。
- S21：正向传输系数，也称为增益。
- S11：输入反射系数，也称为输入回波损耗。
- S22：输出反射系数，也称为输出回波损耗。
在进行串行链路SI分析时，获得通道的准确S参数是一个关键环节。通过S参数，可以全面了解传输通道的特性，包括信号反射、串扰和损耗等。
S参数在高频产品的设计中应用广泛，特别是在二端口网络的分析中。下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义。
图1 二端口网络
二端口网络模型
二端口网络共有四个S参数，其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。
根据信号的频域特性，任何信号都可以分解为一系列不同频率的正弦波的叠加。随着频率的增加，高频频点的正弦波信号传输到接收端的信号能量将逐渐减少。S参数能够清晰地描述各个频点的正弦波通过互连后的衰减情况。采用S参数不仅可以分析导通对信号的影响，还可以根据需要补偿衰减严重的高频频点。
图2 ADS仿真模型S11和S21分析结果
我们经常用到的单根传输线或一个过孔，其实就可以等效成一个二端口网络。如果二端口网络Port1作为信号的输入端口，Port2作为信号的输出端口，a1、b1、a2、b2是表示入射波和反射波的参量。
根据信号流的流动方向，S11表示回波损耗，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表示插入损耗或正向传输系数，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，S11越大，说明信号传输损耗越低，传输的效率也就越高。
二端口网络建模如下图3所示，根据网络分析法，可以计算出图中a1、b1、a2、b2对应的值。当入射信号是非正弦波时，可以根据频域特性，将信号分解为一个个不同频点和幅值的正弦信号分别分析。总之，S参数在频域中的应用是求解无源互连结构的一把重要利器。
图3 二端口网络建模并计算端口各值
对于S参数的提取，如果是PCB已经生产出来了，那么就可以利用网络分析仪提取PCB的S参数；如果是PCB设计文件，则可以利用相关PCB仿真工具如ADS来提取PCB走线的S参数。S参数的文件结构如下图4所示。
图4 S参数的文件结构
总结
综上所述，S参数与信号完整性有着密切联系，其中S11能够反映信号反射及阻抗匹配问题，S21能够反映信号的传输特性。此外，利用S参数还能够直接得到介质材料的相对介电常数、介质损耗等参数信息，这是一般的时域分析所不具备的。因此可见，S参数可以很好地分析信号完整性问题。