S参数基础知识1

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/ n4 x' N$ O7 y2 d8 rS参数的定义
关于S参数的定义，查找相关的资料整合出两种说法：
1、S参数表征的是信号在互连被测端口之间的行为模型，这里的互连电气行为就是散射，包括散射回源端，散射到另一个端口等，这里的互连不仅仅是传输线，还有连接器和电缆等。
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2、S参数表征的是信号经过传输线从一个端口到另一个端口性能情况，需要注意的是传输线的两端是需要做阻抗匹配的，默认的阻抗50 Ohm。
3 `) W3 Y: K# c9 I, U$ m
对于产品的无源结构，比如电源分配网络(PDN)，信号传输线等，这些都是线性时不变的系统，不管系统内部如何，只要端口上测得相关参数，就可以完全描述该系统的特性。
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( \+ g' C* a3 T: P$ g图片来源于网络，侵删

( ^& K6 }/ k5 M/ C. K5 A关于端口测试，常见的时域测量TDR时域反射计，频域测量VNA网络分析仪，不管时域还是频域，都有注意的问题。时域测量，会存在寄生效应，对测量结果产生影响，频域测量，需要关注去嵌的问题。
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S参数的公式
信号的传输就是能量传输，端口S参数是以功率来表征：P=U^2/R。端口是默认匹配的，R值是相等的，以此推算出S11=Vin/Vout。下图就是很多资料给出的参数表示图：

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& ^# j5 J" F% ]% e9 _: c; R! Q

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图片来源于网络，侵删

$ \& k2 |. V* a; PS参数的相关公式都有一个注明条件，比如a2=0，这说明a2需要端接匹配，否则就会存在信号反射。

' b8 `# A% N* U- \  `除了上图，S11用输入输出电压来表示，默认传输线和端口的阻抗匹配，根据电压公式也可推导：
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S11表征端口的反射特性，S out/in就是先输出后输入。
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搭建相关电路图，来验证公式：
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根据公式计算出S11=0.25，和仿真得出的结果一致。
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除了上面所说的电压和电压的表现形式，常见S参数的就是dB加以描述，这是因为S参数的幅值是0~1之间的数，上述S参数公式是输入输出电压的幅值比值，dB可以对应电压幅值与其对应的功率比值有关，可以得出相关公式如下：

bu3onbdccal64083254325.png

常见的比值需要了解，后面的工作会经常遇到，简单来说，就是dB绝对值越大，反射越小。

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S参数的特征
1 D* b. B) x4 O6 T下图为S参数的Touchstone 文本格式：
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文件里包含关键信息，比如频率，S参数，幅度与相位角，端口参考阻抗，接下来就是对应不同频点，S11,S12包含相关信息，这些格式和信息都是标准的。S参数包含这个电气行为模型所有无源信息。
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7 o6 u( J: I8 `- y- Q  kS参数是随频率发生变化的复数，以两端口单端信号为例，S11称为反射系数，幅度的绝对值（dB为单位）代表回波损耗，S21=S12称为传输系数，幅度的绝对值（dB为单位）代表插入损耗，S31=S13幅度的绝对值（dB为单位）代表近端串扰，S41=S14幅度的绝对值（dB为单位）代表远端串扰。
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6 v' F& T7 P. U0 S% ^图片来源于网络，侵删

  D# ?' a" W+ W& L一般来说，端口的排序没有相关规定，可以任意排序，但一般常见就是左奇右偶。
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下面是基于理想传输线得出的S参数仿真波形，对S参数的幅值和相位有直观体现：

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, I  F- F0 f3 d' f5 ~简单来说：

S11和S21的dB曲线存在周期性不断变化的波动

S11的相位是从90°跳变成-90°，相互之间来回跳变

S21的相位是从0°到-180°再到180°的跳变

, L1 O# r2 z6 _) B7 M: _- B相关资料给出的S参数的测试波形：
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dw4tllveg1l64083254825.png

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