1．S參數的概念

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1/10)，這種情況下的電路被稱為節點(Lump)電路，此時可以采用常規的電壓、電流定律來進行電路計算。

但是在高頻/微波電路中，由于波長較短，組件的尺寸就無法再被視為一個節點，某一瞬間組件上所分布的電壓、電流會不一致。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。元器件內部電磁波的進行波與反射波的干涉使電壓和電流失去了一致性，電壓電流比為穩定狀態的固有特性也 不再適用，取而代之的是“分布參數”的特性阻抗觀念，此時的電路以電磁波傳送與反射為基礎要素，即反射系數、衰減系數、傳送的延遲時間。

分布參數電路采用場分析法，但場分析法過于復雜，因此需要一種簡化的分析方法。微波網絡法廣泛運用于微波系統的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基 礎上，用電路的分析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等效為傳輸線，從而將實際的微波系統簡化為微波網絡，將“場”的問題轉化為 “路”的問題來解決。

一般地，對于一個有Y、Z和S參數的網絡是可以實際測量和分析的，其中Y稱為導納參數，Z稱為阻抗參數，S稱為散射參數。Z和Y參數對于集總參數電路分析 非常有效，各參數可以很方便地測試。但是在微波系統中，由于確定非TEM波電壓、電流的困難性，而且在微波頻率測量電壓和電流中也存在實際困難，因此在處 理高頻網絡時，等效電壓和電流，以及有關的阻抗和導納參數變得較抽象。與直接測量入射波、反射波及傳輸波概念更加一致的是散射參數，即S參數矩陣，它更適 合于分布參數電路。

S參數是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，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絡。同N端口 網絡的阻抗和導納參數一樣，用散射參數也能對N端口網絡進行完善的描述。阻抗和導納參數反映了端口的總電壓和電流的關系，而散射參數是反映端口的入射電壓 波和反射電壓波的關系。散射參數可以直接用網絡分析儀測量得到，而且可以用網絡分析法來計算。

下面以二端口網絡為例說明S參數的含義，如圖6-1所示。

二端口網絡有4個S參數，Sij表示能量從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，也經常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數的物理含義和特殊網絡的特性如下所述。

● S11：端口2匹配時，端口1的反射系數

● S22：端口1匹配時，端口2的反射系數

● S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數

● S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數

對于互易網絡S12＝S21；對于對稱網絡S11＝S22；對于無耗網絡(S11)2 +(S22)2=1

通常可以將單根傳輸線或一個過孔等效成一個二端口網絡。一端Port1接輸入信號，另一端Port2接輸出信號，那么S11表示回波損耗，即有多少能量被反射回源端(Port1)，該值越小越好，一般建議S11<0.1，即?20dB；S21表示插入損耗，即有多少能量被傳輸到目的端(Port2)，該值越大表示傳輸的效率越高，理想值是1，即0dB。一般建議S21>0.7，即?3dB。如果網絡是無耗的，那么只要Port1上的S11很小就可以使S21>0.7的要求得到滿足，但通常傳輸線是有耗的，尤其頻率在GHz以上時，損耗很顯著，即使在Port1上沒有反射，經過長距離的傳輸線后，S21的值也會變得很小，說明能量在傳輸過程中受到消耗。

2．S參數在電路仿真中的應用

S參數自問世以來，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參數進行仿真的能力，這其中包括安捷倫公司的ADS(Advanced Design System)。

ADS仿真器中都可以找到S參數模塊，用戶可以對每個S參數進行設置完成相應的仿真。同時，用戶也可以通過網絡分析儀對要生產的PCB進行精確的S參數測 量。用戶還可以采用元器件廠家提供的S參數進行仿真，據安捷倫EDA部門的一位應用工程師在文章中介紹：“這些數據通常是在與最終應用環境不同的環境中測 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PCB時，電容器會因為安裝焊盤和電路板材料(如厚度、介電常數等)而存在不同的諧振 頻率。固態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，最好在實驗室中測量S參數。但無論如何，為了進行射頻系統仿真，無法回避使用S參數模型，無論這些數據是來自設計師的 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的。

S參數仿真的主要功能包括以下5個方面。

● 獲得器件或電路的S參數，并可以將該參數轉換成Y參數或Z參數

● 仿真群延時

● 仿真線性噪聲

● 分析頻率改變對小信號的影響

● 仿真混頻器電路的S參數

總結

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