射頻微波行業，相關高速產品，很多硬件工程師，很多實際工作，哪一個不拿S參數說事？基礎知識有很多健忘了，溫故知新。話不多說，直接上思維導圖：

1、定義

S參數最新應用于射頻和微波領域，起源于頻域的分析技術。S參數作為互連行為的通用基準，相關的原理和公式也應用于時域。這里的互連行為包含線性的和無源的。

S參數中的S，是單詞Scattering的簡寫，表示散射的意思。所以，S參數代表是一種行為模型，即互連如何與一個標準的入射波之間的相互作用。

在頻率描述時，這個標準波形是正弦波。時域描述時，這個標準波形可以是階躍或者沖激波形。

入射波散射回源端的波稱為反射波，通過元器件散射出去的波形稱為傳輸波。

關于入射波，反射波，傳輸波，端口比值等，可以參考下圖：

時域反射計（TDR）測量時域的反射響應。矢量網絡分析儀（VNA） 測正弦波的反射響應和傳輸響應，這里的矢量是指正弦波的幅度和相位。

2、作用

S參數包含著大量的信息，這些信息描述了互連的一些特性，比如阻抗曲線、串擾大小和差分信號衰減。

使用仿真軟件，對互連的行為進行搭建，擬合出基于電路拓撲的互連模型，如走線、連接器、過孔或整個背板模型。所有鏈路中的模型都可以用S參數來包含。

對于所有線性無源元件而言，散射波的頻率和入射波的頻率完全一樣。正弦波唯一可以改變的兩個屬性就是散射波的幅度和相位。

為了區別每個S參數所涉及的端口組合，看下標值，第一個下標值對應輸出端口，而第二個下標值對應輸入端口。比如S21，代表從端口1進入并從端口2輸出的正弦波的S參數，這和我們預想的相反，即S out in。

有時候，搞不懂有些廠商就喜歡不一樣，非要隨意指派，這就為下游廠商的仿真帶來不必要的麻煩。

實際工作中，互連不是對稱的，S11和S22就不相等。但對于所有線性無源元件而言，總有S21=S12，所以在4個元素的S參數矩陣中，實際只有3個獨立項。

S11 稱為反射系數，幅度的絕對值稱為返回損耗（單位為dB），S21 稱為傳輸系數，幅度的絕對值稱為插入損耗（單位為dB）。

反射系數與返回損耗，傳輸系數與插入損耗，這個對應關系是相反的。

能量守恒定律對于S參數，也是遵守的，所以返回損耗和插入損耗有著千絲萬縷的聯系。

如果不考慮電磁輻射，耦合等損耗，那么互連的能量就等于反射能量與傳輸能量之和，公式表示為：

對于給定的返回損耗，插入損耗為：

舉例，某處的互連阻抗為50?，有一處阻抗突變為60?或者70?，這種情況下的返回損耗為：

根據dB = 10log (P1/P2)= 20 log (V1 / V2)(P代表功率，V代表電壓)推出。

dB表示時，返回損耗越小，負dB值越大。列兩個算式，是讓大家有個直觀印象。

插入損耗：

經驗值：返回損耗不高于-20 dB ，則相應的插入損耗將會非常小，幾乎等于0 dB。

這里面詳細列舉，也是想著大家算一算，之前的筆者對這個是有點一知半解。

講到能量守恒，想到之前與網友有過交流，為什么現有很多資料把插入損耗看成總損耗？

如果說插入損耗是對由導體損耗和介質損耗所引起衰減的度量，也就是互連中熱能的損耗，這個沒問題。但不可以理解為總和，除了互連中熱能量的損耗，還有輻射能量，耦合能量等。

現有的技術文檔或者產品，為什么把插入損耗當做一個重要參考指標，甚至讓人有總和的感覺，是因為其他損耗影響較小，也不好測量得出，被忽略不計。

3、耦合諧振

不同于LC振蕩串并聯電路電磁波輻射頻率，即諧振頻率：

耦合諧振除了傳輸線之間還有平面之間。平面之間的諧振是由于返回電流在返回平面之間的切換，會耦合到腔內，形成諧振耦合。

對于100 cm線長的傳輸線，介電常數取值為4，諧振最低頻率為半波長。

平面耦合諧振的解決就是無外乎不要在不同返回平面之間切換信號，或者在每個信號過孔處增加返回地孔，以抑制諧振。

平面耦合諧振，關于這種現象，之前也做過相關的仿真

寫到這，筆者有兩個疑惑：

1.之前的消費類產品，有些高速信號選擇包地，方式如下：

這個地孔之間的長度是有要求的？印象中是1/4波長。后來有去面試，面試官也提到過地孔打法的問題。

關于半波長或1/4波長的選擇，不知道有哪位朋友能給講講。私聊。

2.考慮沒有轉換參考層的情況下，返回地孔的問題。

4、單端&混模S參數

前面我們所說的都是針對兩個獨立且相互耦合的傳輸線，兩條互連之間串擾，近端串擾是S31和S42，遠端串擾是S41和S32。近端和遠端噪聲會隨著線間距、耦合長度及是帶狀線還是微帶線的拓撲而不同。

當用一個差分對對兩條相同的互連加以描述，當S參數用于描述互連的差分特性時，有很多種叫法，最常用為混模S參數。

單端轉混模的公式：

采用混模S參數，存在的信號類型只包括差分信號和共模信號。實際工作中，使用字母D和C分別差分信號和共模信號。SDD用來表示差分信號輸入、差分信號輸出。SCC用來表示共模信號輸入、共模信號輸出。順序也是相反的。

關于混模S參數一些下標，想通上圖就可以了。

阻抗的問題。假設單端阻抗是50?，差分信號是雙端口驅動，以串聯形式，差分信號阻抗是100?。共模信號驅動雙端口，端口阻抗是并聯方式，共模信號阻抗是25?。這個阻抗和之前的差分對基礎知識一致。

差分通道性能的一個指標就是差分插入損耗。實際工作中，很多高速串行鏈路中，都會傳輸差分信號。S參數元素中，相位包含了差分信號的延時和散射信息，幅度包含了由于損耗和其他因素所引起的衰減信息。高速串行鏈路中，鏈路的任何不對稱，都會引起模態轉化，比如過孔，連接器，走線轉換層等，都會使差分信號轉成共模信號，造成電磁干擾。

消費類產品都會進行電磁輻射測試，所以一般會對其鏈路進行管控，增加CMC或者屏蔽雙絞線等方式保證FCC認證。還有一個UL認證，負責安規方面的。

至于S參數其他的深入知識，后面再說。



審核編輯：劉清