在高速和射频领域，S参数是一个极其重要的参数，S参数即反射和传输系数，用于衡量高速（RF）器件和传输线之间的阻抗匹配情况。在链路仿真、器件性能评估、设计优化方面使用非常广泛，本节简述S参数相关知识。

€1. S参数的定义

S参数也叫散射参数，通常表示为频率的函数，散射参数或S参数提供了一个基于输入传输信号和反射信号的比率来描述网络的框架，这对于电路设计非常有用，因为可以使用这些比率来计算输入阻抗、频率响应和隔离等属性而无需了解网络的详细信息。

可以使用矢量网络分析仪 (VNA) 直接测量S参数，如图5-1显示了双端口网络的示例，其中入射波量为ax，反射波量为bx，其中x为端口。假设被测设备是线性网络，因此适用叠加性。

S11表示从端口1反射的功率比（b1/a1，而 a2=0）。

S21表示从端口1传输到端口2的功率比（b2/a1，而 a2=0）。

对于诸如缓冲器之类的单向设备（端口1作为输入，端口2作为输出），S11是描述输入阻抗匹配水平的输入端口电压反射系数，而S21是正向电压增益，描述频率响应。

通常VNA每次通过将入射波驱动到一个端口，同时测量所有端口上的反射波，测量很复杂，因为每个量都有相应的幅度和相位，在每个测试频率下对每个端口重复该过程。对于双端口设备，可以从测量数据中得出四个有意义的比率，这些比率传统上表示为Sij，其中i是反射端口，j是入射端口。

假设一次只有一个端口受到刺激，因此其他端口的入射波为零（以系统的特性阻抗Z0终止）。公式1至公式4适用于四个2端口S参数，S11和S22分别表示端口1和2的复阻抗。S21表示传输特性，端口1为输入，端口2为输出（S12相同，但端口2为输入，端口1为输出）。

S11 = b1/a1；当a2=0 （1）

S21 = b2/a1；当a2=0 （2）

S12 = b1/a2；当a1=0 （3）

S22 = b2/a2；当a1=0 （4）

对于单向设备（例如放大器，端口1为输入，端口2为输出），可以将S11视为输入阻抗，S21视为频率响应，S12视为反向隔离，S22视为输出阻抗。数据转换器也是单向设备，但端口2通常是数字的，这对测量和解释都有特定的影响。

€2. S参数的含义

S11表示端口1的反射系数，反映从端口1入射的信号在端口1反射回来的部分；S21表示从端口1到端口2的传输系数，描述了端口1入射的信号传输到端口2的部分；同理，S12和S22分别表示端口2到端口1的传输系数和端口2的反射系数。

反射系数：如前面提到的S11和S22，它们从功率角度描述了端口的反射情况。在天线设计和测试中，通过测量S11（假设天线为单端口网络）来评估天线与传输线的匹配程度。当S11的值很小（以分贝表示时为较大的负数，如-10dB或更小），说明天线对入射信号的反射很小，天线与传输线匹配良好，大部分能量被天线辐射出去。（RF 术语与概念-4：驻波比VSWR）

传输系数：S21和S12体现了信号在不同端口之间的传输能力。在放大器设计中，S21是一个关键参数，它表示输入信号从端口1（输入端口）传输到端口2（输出端口）的放大倍数和相移情况。例如，一个放大器的S21为10（20dB），表示信号从输入端口到输出端口被放大了10倍。同时，S21也包含了信号的相移信息，这在高频信号处理中，如相控阵雷达系统中非常重要，因为信号的相位关系到天线波束的指向和扫描。

€3. 将S参数扩展至多端口和差分设备

可以将S参数框架扩展到任意数量的端口，其中有意义的参数数量等于2N，其中N是端口数量，由于摆幅和共模抑制增加，许多集成电路具有差分输入和输出。射频采样ADC通常具有差分射频和时钟输入，可以进一步扩展S参数框架以支持差分端口。对于差分端口，必须区分共模波和差模波，如图5-3所示，两种模式具有相同的入射振幅，但差模入射波具有180度的相移，而共模波具有相同的相位。

图5-3：差模波与共模波

对于端口之间没有反馈的线性设备，可叠加性可以从单端S参数测量（其中只有一个端口在任何给定时间具有活动入射波）计算差分和共模混合模式S参数，高性能VNA还支持同时使用差分或共模波刺激两个端口。

€4. 小结

S参数广泛应用于射频和微波电路的网络分析，在设计一个复杂的射频系统，如包含多个滤波器、放大器和耦合器的通信链路时，通过各个组件的S参数，可以利用矩阵运算来分析整个系统的性能。例如，将各个组件的S参数矩阵相乘，就可以得到整个系统的S参数矩阵，从而预测系统的反射和传输特性。