S参数入门

一、说明

S参数全称为散射参数，主要用来作为描述线性无源互联结构的一种行为模型，来源于网络分析方法。网络分析法是一种频域方法，在一组离散的频率点上，通过在输入和输出端口得到的参量完全描述线性时不变系统（定义参考《信号与系统》），无需了解系统的内部详细构造，是一种黑盒分析方法。

频域S参数分析和时域分析只是从不同角度观察信号，也可以相互转换，没有本质不同：

如上图，S参数的反射波可以测出S11，传输波可以计算S21；同样时域的反射波可以测得TDR，传输波可以计算TDT。他们之间通过傅里叶变换和逆变换也可以互相转换。需要说明的是，在频域中只有一种波形就是正弦波。

二、S参数的含义

S参数就是指输出波形和输入波形之比，即：

正弦波有三个参数，即幅值、频率和相位，而横坐标就是频率，因此主要关注幅值和相位。那么：

大家看S参数的时候纵坐标一般都是用dB表示，换算关系如下：

相位呢，S参数的相位是指输出波形和输入波形相位之差（本来是比值怎么成减法了呢，感兴趣的人可以思考下）：

针对二端口网络，S参数包括S11、S21、S12和S22，但是无源网络的S21和S12是相等的，如果网络是互易的，S11就等于S22。如果网络是无损的，那么S11*S11+S21*S21=1。

1.S11

S11(dB)工程上的叫法是回波损耗（return loss），S11具体定义是指1端口输入信号在1端口反射的正弦波幅值和1端口输入正弦波幅值之比：

S11=V-/V+

然后根据反射理论可知：

S11=V-/V+=(ZIN-Z0)/(ZIN+Z0)，其中ZIN是网络的输入阻抗，Z0是测试的参考阻抗（一般都是50Ω）；

需注意这里写的是S11不是S11(dB)，如果是网分直接测出的S11(dB)，则需要换算后参与计算。

举个例子，假设网络的输入阻抗为61Ω，网分的阻抗为50Ω，则：

S11=(61-50)/(61+50)=11/111，大概为0.1，换算为S11(dB)=-20dB。

知道了S11的含义，我们就不难理解S11的用途，例如测试传输线的S11，就可以看到走线的反射情况，评估中间处理的阻抗是否匹配（过孔、焊盘等）。如果反射过大，对双向传输的信号是否能造成误识别；多次反射造成最终接收信号的质量问题等。

在一些高速传输总线上也规定了回损的要求，如下是GMSL的S11的Limit限值：

2.S21

S21(dB)在工程上叫插入损耗（Insertion Loss），描述的是1端口输入信号在2端口输出正弦波幅值和1端口输入正弦波幅值之比。影响S21大小的原因很多，包括传导损耗、介质损耗、辐射、串扰等等，当然也保护反射引起的损耗。看S参数曲线，一般回损＞-10dB时，就对插损有明显的影响了。

实际应用中，影响插损大小的主要是线长、频率以及耗散因子。FR4板材，50Ω传输线的插损的经验大小为0.1dB/英寸/GHz，例如5cm线长，频率3GHz处插损大概为0.6dB。

在一些高速传输总线上会规定插损的要求，如下是GMSL的S21的Limit限值：

三、差分S参数

差分S参数又叫混模（Mixed-Mode）S参数、均衡（Balanced）S参数，是指差分对的S参数。

差分S参数主要分为四类：差分转差分、差分转共模、共模转差分和共模转共模。

然后每类还包括4个S参数（2个回损和2个插损）：

举个例子：

• SDC11代表从port1输入共模信号，在port1接收到的差分信号；

• SDC12代表从Port2输入共模信号，在Port1接收到的差分信号；

• SCD21代表从port1输入差分信号，在port2接收到的共模信号；

• SCD22代表从port2输入差分信号，在port2接收到的共模信号；

  本质上差分S参数也是4端口单端S参数（P1+/P1-可以看成端口1和3，对端为2和4），那怎么相互转换呢？

  

  以SDD11举例，从名称可以看出是差分输入和差分输出，即2和4是没有输入，1为+V，3为-V，即输入为1-3=2V，输出为：S11*V+S13*(-V)-S31*V-S33*(-V)=V*(S11-S13-S31+S33)

  SDD11=输出/输入=V*(S11-S13-S31+S33)/2V=0.5*(S11-S13-S31+S33)。

  同理，其它的差分S参数也可以对应单端S参数，具体为：

  

  四、S参数的应用

  在高速信号中（USB、MIPI、DP等）都会对无源通道、线材甚至连接器提出S参数要求，只要满足这些要求，就代表本部分符合规范。如果S参数不符合要求，也可以通过IBIS模型，进行channel仿真，查看RX眼图是否符合规范进行评估影响。

  实际上，在射频、滤波器设计等方面S参数也应用很多，比如天线多测试S11查看谐振点，滤波器更是以S参数定义性能参数。

  S参数还可以代替实际器件进行仿真，例如走线在连接器处有一个ESD的TVS管，如果可以获取该器件的S参数，就可以直接带入进行仿真，无需自己建模。