射频基础知识——S参数概念回顾

S参数，也就是散射参数，是射频设计领域里一个特别关键的概念。它能解释像放大器、滤波器、天线这类线性电子系统的工作特性。在射频电路和系统设计中，S参数常被用于设计、建模、评估和测试环节，所以对射频设计和测试工程师来说是必不可少的。

但首先，什么是S参数呢？为什么这个术语这么重要？简单说，S参数是一组复数，用来描述能被射频信号驱动的电路或元件的特性。它们能体现输出信号和输入信号之间的比例关系，也就是用输出信号和输入信号的比值，以及两者之间的相位移来量化表示。

一、那到底什么是S参数呢？

S参数是多端口电子网络中能量传播的数学表达，写成复数矩阵形式，也就是所谓的散射参数。这个S参数矩阵包含了多端口网络在特定频率下所有的反射和传输参数信息，能让我们了解被测设备在信号正向和反向传输时的表现。

S参数以矩阵形式呈现，在特定频率下，每个传输或反射信号都有对应的数值，还包含相位信息。这样一来，我们就能定量评估设备或电路在特定频率范围内对信号的响应情况。

在射频工程中，人们经常用S参数来描述高频领域里电路和元件的响应。通过这些参数，我们能相对直观地了解一个设备或电路是如何改变经过它的信号的。

咱们来看看双端口网络的情况。这里呢，被测设备是一个双端口无源带通滤波器，要测的是它的双端口S参数矩阵。

说到S参数，其实可以分成两类：一类是反射S参数，它能测出从某个设备或电路反射回来的功率有多少；另一类是传输S参数，它能测出通过这个设备的功率有多少。

S11是端口1的反射系数。信号从矢量网络分析仪（VNA）的端口1发出，在端口1接收到反射回来的信号，这就是S11所反映的。

S12是反向传输（增益或损耗）。信号从VNA的端口2发出，在端口1接收到，这就是S12对应的情况。

S21是正向传输（增益或损耗）。信号从VNA的端口1发出，在端口2接收到，这就是S21所表示的。

S22是端口2的反射系数。信号从VNA的端口2发出，在端口2接收到反射回来的信号，这就是S22的含义。

S参数的行业标准格式是Touchstone文件格式。大多数矢量网络分析仪（VNA）也能把S参数记录成CSV和Matlab格式。而矢量网络分析仪就是用来测量S参数的仪器。

S参数的呈现形式有很多种，比如：

反射参数S11、S22可以用回波损耗、阻抗、导纳、电压驻波比（VSWR）来表示。

带通滤波器S11的史密斯圆图形式

传输参数S12和S21可以用增益/损耗（也就是插入损耗IL）、相位和群延迟来表示。

带通滤波器的S21响应

二、N端口S参数矩阵

要是网络里的端口数量增加了，S参数会随着端口数量的增多而变得复杂。二个端口的网络有4个参数，三个端口的就有9个参数，以此类推。任何一个S参数矩阵里的参数都用Snn来表示，其中S代表参数，n是端口的编号。

三、混合模式S参数

混合模式S参数是用来描述网络中平衡电路的。两个输入端口或者输出端口可以合并成一个平衡端口，这样就能进行联合测量了。

另外还有单端S参数和差分S参数。单端S参数对应的是单端情况，差分S参数对应的是差分情况。单端S参数在处理单端接口信号时特别有用，这种信号有一个输入和一个输出；而差分S参数在处理差分接口信号时更适用，这类信号有两个输入和两个输出。

不过要是说到达差分对，我们更关注的是混合模式S参数，比如差分信号和共模信号，以及它们在差分对里是怎么相互作用的。因为描述的是同一个互连结构，所以这两种参数矩阵是等效的。

在描述差分对时，根据混合模式S参数矩阵的定义，输入信号对应的输出情况只有四种可能：

- 差分信号输入差分对，输出的是差分信号

- 差分信号输入差分对，输出的是共模信号

- 共模信号输入差分对，输出的是差分信号

- 共模信号输入差分对，输出的是共模信号

上图是两条耦合传输线的单端S参数矩阵和混合模式S参数矩阵。

单端S参数（端口顺序如上图所示）可以用下表中的公式通过数学计算转换成混合模式S参数。

另外，是德科技的ADS软件能简化这个转换过程，既可以对4端口单端参数直接用公式计算，也可以用4端口巴伦元件，就像下图展示的那样。

上图是德科技ADS的原理图，用来把4端口单端S参数转换成2端口混合模式S参数，转换时可以用公式，也可以用4端口巴伦元件。差分端口和共模端口的编号分别是D1、D2、C1、C2。

下图展示了用上面表格中的公式得到的混合模式S参数曲线。每个象限都用了不同的颜色标记，和表中对应的象限保持一致。

四、Touchstone格式

Touchstone文件最初是由EEsof公司推出的，后来被惠普公司（现在是是德科技EEsof EDA）收购。它成了行业标准，在全球范围内都有使用。标准的Touchstone文件包含参数类型信息，比如是S参数、Y参数还是Z参数，还有数据格式信息，像幅度角度（DB）、实部虚部（RI）以及频率成分等。它的文件扩展名是.Snp，其中n代表端口的数量。

S参数文件示例

我们还可以用一些小工具来分析矢网导出来的S参数文件，具体请参考文章介绍几种好用且免费的查看S参数的小工具

五、矢量网络分析仪（VNA）

VNA是射频测试设备（如上面第1幅图所示），电子和射频工程师用它来测量复杂网络的电气特性。它有多个发射器和接收器组合，能计算被测设备的增益、损耗、反射、电压驻波比（VSWR）和阻抗。当然现在的网络分析仪还能完成更复杂的任务，例如功率扫描、多音或双音扫描测试以及TDR测试等。

六、S参数仿真和分析工具

有很多软件都能对S参数进行仿真和分析，这些软件的复杂程度和功能各不相同。目前市场上比较知名的软件包有是德科技的Advanced Design System（ADS）、ANSYS的HFSS以及Cadence的AWR Design Environment，例如我们在上面混合S参数里面用到的分析方法，就是使用的ADS仿真电路，下图是在AWR的Microwave Office里面进行S参数分析的一个例子，包括了仿真原理图和仿真后的S参数。

S参数仿真和分析工具能帮工程师在相对较短的时间内预估电路或设备的性能。这有助于在开始昂贵又耗时的原型制作和测试前，发现问题并找到更好的设计方案。

而且，这些工具还包含S参数数据分析功能，能让工程师在数据挖掘和电路性能分析方面有很大发挥空间，比如分析频率响应、增益、噪声系数等等。

七、S参数在射频工程中的重要性

S参数，也就是散射参数，是射频工程师在高频范围内设计和分析电路时会用到的重要参数。它们能全面反映电路中能量的行为，包括能量如何反射，这让工程师能预测自己的设计会有怎样的表现。

从另一个角度来说，S参数在射频工程中之所以好用，是因为它们能提供元件和网络的阻抗信息。这些信息对设计匹配网络很重要，而匹配网络对实现有效的功率耦合和最小的信号衰减来说必不可少。

此外，借助S参数，工程师还能确定由多个子组件和连接点组成的复合系统的性能特征。如果在系统的不同位置测量远端的S参数，工程师就能找出问题并进行修正，从而提升系统性能。

在设计新的射频设备以及测试新旧设备时，S参数也很有用。通过S参数分析某个设备的性能，必要的话在批量生产前进行修改，这样不仅能减少在这上面花费的时间和金钱，还能保证最终结果和预期一致。

最后总结一下：

S参数即散射参数，是射频设计关键概念，以复数矩阵呈现，能描述线性电子系统特性。它分反射和传输两类，行业标准格式为Touchstone。还有混合模式等类型，可借助软件仿真分析。借助矢量网络分析仪测量，能帮助工程师预测设计表现、获取阻抗信息、确定系统性能，提升设计效率。