S參數的含義 - 全文

微波系統主要研究信號和能量兩大問題：信號問題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問題主要是研究能量如何有效地傳輸。微波系統是分布參數電路，必須采用場分析法，但場分析法過于復雜，因此需要一種簡化的分析方法。微波網絡法被廣泛運用于微波系統的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實際的導波傳輸系統等效為傳輸線，從而將實際的微波系統簡化為微波網絡，把場的問題轉化為路的問題來解決。微波網絡理論是在低頻網絡理論的基礎上發展起來的，低頻電路分析是微波電路分析的一個特殊情況。一般地，對于一個網絡有Y、Z和S參數可用來測量和分析，Y稱為導納參數，Z稱為阻抗參數，S稱為散射參數；前兩個參數主要用于集總電路，Z和Y參數對于集總參數電路分析非常有效，各參數可以很方便的測試；但是在微波系統中，由于確定非TEM波電壓、電流非常困難，而且在微波頻率測量電壓和電流也存在實際困難。因此，在處理高頻網絡時，等效電壓和電流以及有關的阻抗和導納參數變得較抽象。與直接測量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數，即S參數矩陣，它更適合于分布參數電路。S參數就是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網絡。同N端口網絡的阻抗和導納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對N端口網絡進行完善的描述。阻抗和導納矩陣反映了端口的總電壓和電流的關系，而散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關系。散射參量可以直接用網絡分析儀測量得到，可以用網絡分析技術來計算。只要知道網絡的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。

下面以二端口網絡為例說明各個S參數的含義，如上圖所示。二端口網絡有四個S參數，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測得的能量，如S11定義為從Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數的物理含義和特殊網絡的特性如下：
S11：端口2匹配時，端口1的反射系數；
S22：端口1匹配時，端口2的反射系數；
S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數；
S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數；
對于互易網絡，有：S12=S21；
對于對稱網絡，有：S11=S22 ；
對于無耗網絡，有：（S11）2+（S12）2=1 ；
我們經常用到的單根傳輸線，或一個過孔，就可以等效成一個二端口網絡，一端接輸入信號，另一端接輸出信號，如果以Port1作為信號的輸入端口，Port2作為信號的輸出端口，那么S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個值越小越好，一般建議S11< 0.1，即－20dB；S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸到目的端（Port2）了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸的效率越高，一般建議S21>0.7，即－3dB。

S參數在工程測試和理論計算中都得到廣泛采用。
一般利用各種參數(H, Y, Z, S) 來對器件進行描述：
1、器件的線性模型
2、反映器件在不同頻率和阻抗端接情況下工作性能
3、通過測試來對器件進行建模
4、通過計算對器件進行匹配,阻抗變化等處理

在某些應用中采用器件參數可通過轉換由S參數得到.

利用S參的優點如下：
1、概念與器件性能指標對應
2、方便復雜系統分析
3、完整反映被測器件性能
4、便于建立器件數學模型
5、級連系統的S參數計算
6、便于導出H, Y, 或Z 等參數
7、EDA 設計軟件的數據格式

S參數可全面直觀表示一個器件(系統)的性能指標：
對于20dB衰減器，20dB為功率對數表示，轉換為相應線性電壓表示為：0.1。
輸入端駐波比1.2，轉換為反射系數為0.09。
當然S參數應包含相位信息，對于象衰減器這樣的互易器件，其S12=S21。
微波晶體管是非互易器件，其S參數隨頻率及工作電平變化很大。器件的生產廠商應提供各頻率范圍內及直流偏置條件下S參數數值。

S參數的含義