電子元器件S參數(shù)的含義和用途在進行射頻、微波等高頻電路設計時，節(jié)點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，這時可以采用復雜的場分析法，但更多地時候則采用微波網(wǎng)絡法來分析電路，對于微波網(wǎng)絡而言，最重要的參數(shù)就是S參數(shù)。在個人計算機平臺邁入 GHz階段之后，從計算機的中央處理器、顯示界面、存儲器總線到I/O接口，全部走入高頻傳送的國度，所以現(xiàn)在不但射頻通信電路設計時需要了解、掌握S參數(shù)，計算機系統(tǒng)甚至消費電子系統(tǒng)的設計師也需要對相關知識有所掌握。S參數(shù)的作用S參數(shù)的由來和含義在低頻電路中，元器件的尺寸相對于信號的波長而言可以忽略(通常小于波長的十分之一)，這種情況下的電路被稱為節(jié)點(Lump)電路，這時可以采用常規(guī)的電壓、電流定律來進行電路計算。其回路器件的基本特征為：具體來說S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關系基礎上的網(wǎng)絡參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡。針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)進行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS（Advanced Design System），ADS被許多射頻設計平臺所集成。在進行需要較高頻率的設計時，設計師必須利用參數(shù)曲線以及預先計算的散射參數(shù)（即S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來設計所有物理元件。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，由于波長較短，組件的尺寸就無法再視為一個節(jié)點，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，而必須采用電磁場理論中的反射及傳輸模式來分析電路。元器件內(nèi)部電磁波的進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的要素，即：反射系數(shù)衰減系數(shù)傳送的延遲時間分布參數(shù)電路必須采用場分析法，但場分析法過于復雜，因此需要一種簡化的分析方法。 微波網(wǎng)絡法廣泛運用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實際的導波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡，把場的問題轉化為路的問題來解決。一般地，對于一個網(wǎng)絡有Y、Z和S參數(shù)可用來測量和分析，Y稱導納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)；前兩個參數(shù)主要用于節(jié)點電路，Z和Y參數(shù)對于節(jié)點參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便的測試；但在處理高頻網(wǎng)絡時，等效電壓和電流以及有關的阻抗和導納參數(shù)變得較抽象。與直接測量入射、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。具體來說S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關系基礎上的網(wǎng)絡參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡。 同N端口網(wǎng)絡的阻抗和導納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對N端口網(wǎng)絡進行完善的描述。阻抗和導納矩陣反映了端口的總電壓和電流的關系，而散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡分析技術來計算。只要知道網(wǎng)絡的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。下面以二端口網(wǎng)絡為例說明各個S參數(shù)的含義，如圖所示。 二端口網(wǎng)絡有四個S參數(shù)，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測得的能量，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)絡的特性如下：S11：端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)S22：端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)對于互易網(wǎng)絡，有：S12S21 對于對稱網(wǎng)絡，有：S11S22對于無耗網(wǎng)絡，有：（S11）2（S12）21我們經(jīng)常用到的單根傳輸線，或一個過孔，就可以等效成一個二端口網(wǎng)絡，一端接輸入信號，另一端接輸出信號，如果以Port1作為信號的輸入端口，Port2作為信號的輸出端口，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），這個值越小越好，一般建議S110.7，即3dB。如果網(wǎng)絡是無耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S210.7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)過長距離的傳輸線后，S21的值就會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。S參數(shù)在電路仿真中的應用S參數(shù)自問世以來已在電路仿真中得到廣泛使用。針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)進行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS（Advanced Design System），ADS被許多射頻設計平臺所集成。在許多仿真器中我們都可以找到S參數(shù)模塊，設計人員會設置每一個具體S參數(shù)的值。這也和S參數(shù)的起源一樣，同樣是因為頻率，在較低的頻率時，設計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。在進行需要較高頻率的設計時，設計師必須利用參數(shù)曲線以及預先計算的散射參數(shù)（即S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來設計所有物理元件。設計師可以通過網(wǎng)絡分析儀來實際測量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上進行測試以得到精確的測量結果。設計師也可以采用元器件廠家提供的S參數(shù)進行仿真，據(jù)安捷倫EDA部門的一位應用工程師在文章中介紹：“這些數(shù)據(jù)通常是在與最終應用環(huán)境不同的環(huán)境中測得的。這可能在仿真中引入誤差”他舉例：“當電容器安裝在不同類型的印制電路板時，電容器會因為安裝焊盤和電路板材料(如厚度、介電常數(shù)等)而存在不同的諧振頻率。固態(tài)器件也會遇到類似問題(如 LNA 應用中的晶體管)。為避免這些問題，最好應該在實驗室中測量S參數(shù)。但無論如何，為了進行射頻系統(tǒng)仿真，就無法回避使用S參數(shù)模型，無論這些數(shù)據(jù)是來自設計師的親自測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。-S參數(shù)的含義S參數(shù)的含義以二端口網(wǎng)絡為例，如單根傳輸線，共有四個S參數(shù)：S11，S12，S21，S22，對于互易網(wǎng)絡有S12S21，對于對稱網(wǎng)絡有S11S22，對于無耗網(wǎng)絡，有S11*S11+S21*S211，即網(wǎng)絡不消耗任何能量，從端口1輸入的能量不是被反射回端口1就是傳輸?shù)蕉丝?上了。在高速電路設計中用到的微帶線或帶狀線，都有參考平面，為不對稱結構（但平行雙導線就是對稱結構），所以S11不等于S22，但滿足互易條件，總是有S12S21。假設Port1為信號輸入端口，Port2為信號輸出端口，則我們關心的S參數(shù)有兩個：S11和S21，S11表示回波損耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，這個值越小越好，一般建議S110.7，即3dB，如果網(wǎng)絡是無耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以滿足S210.7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)過長距離的傳輸線后，S21的值就會變得很小，表示能量在傳輸過程中還沒到達目的地，就已經(jīng)消耗在路上了。對于由2根或以上的傳輸線組成的網(wǎng)絡，還會有傳輸線間的互參數(shù)，可以理解為近端串擾系數(shù)、遠端串擾系統(tǒng)，注意在奇模激勵和偶模激勵下的S參數(shù)值不同。需要說明的是，S參數(shù)表示的是全頻段的信息，由于傳輸線的帶寬限制，一般在高頻的衰減比較大，S參數(shù)的指標只要在由信號的邊緣速率表示的EMI發(fā)射帶寬范圍內(nèi)滿足要求就可以了。信息電子產(chǎn)品的運算速度與傳輸信息量大幅提升，相關電子零部件的高頻特性也愈顯重要。如PCB、纜線、連接器等過去被視為單純橋接作用的零部件，為滿足高頻應用的需要，現(xiàn)有規(guī)格逐漸納入了衰減、特性阻抗、串音、傳輸延遲、傳輸延遲時滯、隔離效果、信號抖動等高頻特性的項目。本文將主要介紹S參數(shù)在高頻測量中的應用。 在個人計算機平臺邁入 GHz階段之后，從計算機的中央處理器、顯示界面、存儲器總線到I/O接口，全部走入高頻傳送的國度，于是高頻參數(shù)的測量便浮出了臺面。 通常高頻測量必須考慮的基本項目包括下面幾個： Impedance特性阻抗。我們常見的電纜/信號線有50、75、100歐姆等不同的阻抗標示，此處所指的阻抗并非直流電阻，而是所謂的特性阻抗，也就是信號傳輸?shù)拿恳粋€經(jīng)過驛站所面臨的阻抗。 S-ParametersS參數(shù)（S11、S21、S12、S22） Propagation Delay傳播延遲 SWR駐波比 Crosstalk串音 在高速傳輸運作下，信號載送的質(zhì)量相當重要，為了獲得最大的傳輸效率，各項高頻參數(shù)將成為設計、除錯改良、實際應用上的重要參考依據(jù)，并須特別注意阻抗（Impedance）的匹配問題、信號延遲時間（Propagation Delay）、時滯（Propagation Skew）、噪聲（Noise）、信號損失（Loss）以及信號衰減（Attenuation）等課題。然而，這些參數(shù)不容易推算及測量，必須依靠高精密度的儀器來協(xié)助才能求得準確的數(shù)值。一般來說，在高頻測試中所使用的儀器大致上有“時域反射計”（Time Domain Reflectometry）以及“網(wǎng)絡分析儀”（Network Analyzer）。 對工程人員來說，S參數(shù)是一個重要的指標，S參數(shù)的原文名稱是“Scattering-Parameter”。電磁能量是在空氣等介質(zhì)或導體中以電磁波形式傳送，電磁波會因為回路特性阻抗的不匹配而產(chǎn)生信號反射。當回路內(nèi)有無數(shù)個信號反射時，電磁能量分布與時間的變化就顯得相當復雜。 在頻率較低的場合，零部件的大小與構成信號波形的波長相比顯得微小。反射波的影響相對于信號變化時間，很短時間內(nèi)退出，故呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，可采用電壓電流比的阻抗來表現(xiàn)器件的固有特性。一般是以“集中定數(shù)”回路來視之。也有人用節(jié)點（Lump）電路來稱呼。其回路器件基本特征為： 電阻：能量損失（發(fā)熱） 電容：靜電能量 電感：電磁能量 然而，對于高頻的元器件與回路而言，相對于元器件內(nèi)部電磁波傳送速度，零部件的大小就不能忽視了。畢竟，在零部件內(nèi)部電磁波的進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“分布定數(shù)”的特性阻抗觀 念，也有人用分布（Distributed） 電路來稱呼。因此，分布定數(shù)回路零部件所考慮的要素是與電磁波的傳送與反射為基礎的要素，也就是： 反射系數(shù) 衰減系數(shù) 傳送的延遲時間 以上的多種考慮，就是S參數(shù)概念的基本源頭。 低頻傳送線路可以采用底下雙端口（2 Port）回路的電壓電流關系呈現(xiàn)回路的特性。請注意，此處所提及的網(wǎng)絡是指電路，而非服務器連網(wǎng)或因特網(wǎng)。 常用到的各種參數(shù)，不外乎有Z參數(shù)、Y參數(shù)與F參數(shù)等。F參數(shù)（image parameters）的表現(xiàn)如下式： V1 A B V2 = I1 C D I2 .（1） Z參數(shù)（open-circuit impedance parameters）的表現(xiàn)如下式： V1 Z11 Z12 I1 = V2 Z21 Z22 I2 .（2） Y參數(shù)（short-circuit admittance parameters）的表現(xiàn)如下式： I1 Y11 Y12 V1 = I2 Y21 Y22 V2 .（3） 請留意，無論是上述的哪一個參數(shù)，都可以采用終端短路或終端開路的簡單測定方式。以下就以Y參數(shù)為示范來說明。 I1 = Y11V1 + Y12V2 I2 = Y21V1 + Y22V2 當終端短路時，也就是V2=0時，Y21 = I2/V1。若是在晶體管的場合，便可借助于Z參數(shù)與Y參數(shù)混合衍生出來的h參數(shù)。 然而，躍進高頻的國度，引線的電感量、端點的電容量所引起的影響也不容忽視，不是單純的終端短路狀態(tài)（阻抗為零）或終端開路狀態(tài)（阻抗無限大）就能實現(xiàn)。例如Z11的求得，讓I2為零的方針，使用100%反射的測定變成毫無道理可言。 基于這個緣故，具有進行波與反測波概念的S參數(shù)，就可以來描繪高頻的特性。圖3中的入射波（Incident Wave）分別是a1與a2，反射波（Reflected Wave）則是以b1及b2來表示。入射波與反射波的關系可用以下數(shù)學式來呈現(xiàn)： b1 S11 S12 a1 = b2 S21 S22 a2 .（4） 若是展開數(shù)學式，可以用下面兩個式子來表示：b1 = S11a1 + S12a2 .（5）b2 = S21a1 + S22a2.（6） S11、S12、S21、S22就是S參數(shù)。可以使用無反射終端來測定。意思是說，當Z1=Z0時，a2就等于零，于是S11=b1/a1。 一般情況下，S參數(shù)可以使用網(wǎng)絡分析儀來測量。S11與S22與電壓反射系數(shù)相關，可以通過阻抗的測量來計算。而S21與S12涉及到傳送特性，比如說衰減或相位的特性，通過震蕩器與示波器等儀器的組合，也可以來測定。至于使用S參數(shù)的回路計算方法，請先參考圖4，試著來計算b2作為一個示范。 如果發(fā)送端、接收端都是以終端的傳送特性來考慮，依據(jù)前面S參數(shù)（5）與（6），負荷的反射系數(shù)若以l來表示，則有：a2 = l b2 將此式帶入（6），即可求得： b2 = S21 a1/（1 S22l） .（7） 相同的道理，發(fā)送端的反射系數(shù)以s來表示，則有： bs = Vs sqrt（Z0）/（Zs+Z0） 由于a1 = bs + s b1，將此式帶入式（5），即可求得： a1 = bs + s （S11 a1 + S12 s b2）.（8） 綜合（7）與（8），就可以求得傳送特性： b2 = S21 bs/（1 - s S11） （1 - S22 l） - s l S12 S21）.（9） l = （Zl - Z0）/（Zl + Z0） s = （Zs - Z0）/（Zs + Z0） 其中的Z0，就是網(wǎng)絡的特性阻抗。 從上面的說明不難看出使用S參數(shù)的計算，沒有用到電壓、電流，而是采用了接續(xù)點的反射系數(shù)。 如果以信號流程圖（Signal Flow Graph）來展現(xiàn)回路的話，可以運用下列變換法則來實現(xiàn)： 入射波與反射波的變量轉換成接點 S參數(shù)成為枝狀 枝狀是從獨立變量節(jié)點出進入從屬變量節(jié)點 S參數(shù)的妙用 毫無疑問，S參數(shù)是頻域（Frequency Domain）里面判斷系統(tǒng)特性的有效之道。 若是觀察S參數(shù)與光波，兩者之間頗有異曲同工的涵義。 再仔細一想，S11就是TDR（Time Domain Reflection），而S21就是TDT（Time Domain Transmission），所以TDR/TDT與單端的S參數(shù)存在著可以解釋的關系。S21的TDT意味著插入損失（Insertion Loss），S11的TDR就是回送損失（Return Loss）。但在高速傳輸?shù)膱龊现校遣捎貌罘謧鬏敚―ifferential）的模式，因此差分模式下（也可以稱為混合模式）的S參數(shù)，也是必要認知的一環(huán)。要滿足差分傳輸就要導入4端口（4 Port）的回路。在以上的呈現(xiàn)方式中，其中，Sghij的詮釋涵義分別是S（輸出模式）（輸入模式）（輸出端口）（輸入端口）。 以下便將以Maxim公司 的MAX3950 10Gbps