这一次，为你揭开 S 参数的秘密（一）

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这一次，为你揭开 S 参数的秘密（一）

EDA365原创 作者：汪洋大海

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作为一个电子工程师，他每天的日常工作，毫无例外的需要与电压，电流，电阻，电容，电感…这些电路参数打交道。

而作为一个射频工程师， 他每天除了需要面对电子工程师同样的电路参数，他还需要面对一个非常关键的射频参数-----S参数！

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说起S参数，我估计很多射频新手会一脸懵，什么S11,S22,S21, 一会说是反射，一会说是插损，一会说是增益，同一个指标怎么会有那么多不同的理解？

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然后它的单位还有一大堆，有用dB表示的，有用角度表示的，最后居然还有用复数表示的，什么鬼？

其实，S参数没那么复杂，只要理解了它的基本概念，熟悉了它的转换方法，你就会发现，S参数是你在射频研发道路上最可靠的伙伴。

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你将通过S参数，洞悉各种射频网络的秘密。

这一次，让我们一起揭开S参数的秘密。

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1、什么是S参数

在解释S参数之前，我们必须了解另一个基本概念---射频网络。

那么，什么是射频网络？

简单来说，所有可供信号输入输出的射频器件、传输线，甚至是一个射频器件组合体，都可以称之为射频网络。

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就好像用电阻，电容，电感描述集总参数器件的特性一样，射频网络也需要一个合适的参数来描述它的性能！

传统低频网络通常用电压电流来分析其时域上的性能。

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而对于射频网络来说，仅仅分析端口上的电压电流不足以全面反映其性能，也非常的不直观。

这种情况下，S参数横空出世！

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S参数是用于描述射频网络频域性能的直接表现。它直接描述了某个频率下射频信号，在射频网络内，端口到端口的传输过程中所发生的电性能的变化！

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简单来说，一个射频信号通过射频网络后，它有可能被衰减了，有可能被放大了，有可能相位变化了，甚至有可能消失了，这些情况都可以通过S参数来进行衡量和描述！

下面让我们用最简单的双端口网络来为大家讲解，S参数真正的意义。

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射频信号在通过一个双端口网络时，有以下几种情况：

第一，匹配良好，能量从1端口进入，全部从2端口输出。

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第二，匹配不好，能量从1端口进入，部分从2端口输出，部分反射回1端口。

第三，完全失配，能量从1端口进入，没有能量从2端口输出，全部反射回1端口。

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而不同频率的射频信号，在通过射频网络时，其传输表现又是不一样的。

因为同一个射频网络在面对不同频率信号时，其频率响应是不一样的。

举个例子，问电容和电感在直流和高频电流下的电性能有什么不同？

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上图虽然是个特例，但是对于我们理解射频网络的频率响应很有帮助。

射频网络的频率响应指的是，网络在某个特定频率下的电性能。

而为了描述射频网络端口之间在不同频率下，输入输出的复杂关系，S参数的定义和应用，应运而生了。

S参数，其中“S”意指“Scatter”，中文解释就是散射参量。S参数描述了一个射频网络的频域特性。

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我们假定在某一特定频率F下，一个射频信号S从端口1进入射频网络。

信号在穿过射频网络后，到达了端口2，由于匹配的关系，端口2仅允许S信号的一小部分通过端口，而另一部分未获得允许的S信号只能打道回府，掉头返回1端口。

则在信号S进入网络后，我们可以得到两个射频信号，其中一个为1端口到2端口的传输信号,我们用S21描述；另一个为从1端口到1端口的反射信号，我们用S11来描述。

为什么1端口到2端口的传输信号用S21描述，而不是用S12描述？

这和我们后面要了解的S矩阵有关，这里2代表是端口2,而1代表信号源自1端口。

Sij 就定义为描述从在i端口输出，在j端口输入的射频参数的比值。

这里需要加上一条，我们在定义Sij时，默认网络中，除了j端口以外的其他端口处于完全匹配状态（无反射），并且无能量进入。

在本文中，为了降低复杂度，我们只描述双端口网络。

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有了对Sij的描述，我们可以很清晰的定义，S21为从1端口进入，2端口输出的射频参数；S11定义为从1端口进入，又反射回1端口的射频参数（2端口匹配）；S12为从2端口进入，1端口输出的射频参数；S22定义为从2端口进入，又反射回2端口的射频参数（1端口匹配）。

由此，我们就组成了一个双端口网络的S参数矩阵！

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2、S参数的计算及其物理意义

在前面，我们已经了解了，什么是S参数，那么接下来，我们需要了解其计算方式及其真实的物理意义。

作为一个射频参数，我们必须用一个可以量化的数值来对S参数进行定义。

那么，这个数值是如何计算的呢？

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以双端口网络为例，S参数可以根据两端口的入射波电压和反射波电压来计算。

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直接理解可能有点困难，所以下面我们用输入输出电压之间的关系来理解S参数的计算。

用和U1+和U2+分别表示端口1和端口2的输入电压，用和U1-和U2-分别表示端口1和端口2的输出电压。

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当U2+=0时（端口2无能量进入），则U1-完全来自于1端口自身能量的反射，U2-完全则来自于1端口的能量传输。

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此时有：

由此可见S参数与反射系数及传输系数之间的关系。（不明白反射系数和传输系数的同学，请继续关注我们的公众号）

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同理，当1端口输入为0且端口完全匹配的情况下，我们可以得到：

S22就是2端口的反射系数，

S12是从2端口到1端口的传输系数。

对反射系数取log就是return loss，对传输系数取log则是通路插损insert loss或者增益 gain。

所以，对于S11，我们有:

return loss =-20lg | Γ| = -20lg S11

而对于S21，我们有两种情况：

当T>0时，

我们通常有Gain = 20 lg T

而当T<0时，

我们习惯：insert loss =- 20 lg T

注意，通常我们在表达损耗的时候，会在数值前面加一个“ - ”号。

S参数的物理意义就在于可以很轻易的计算得到通路return loss，insert loss，gain。

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好了，关于S参数的基本概念及其物理意义到这就算是说完了。

不知道各位同学都看明白了没？

下一期我们将为你讲述，S参数与VSWR，阻抗Z，导纳Y以及相位phase之间的关系，敬请期待吧~

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出品丨EDA365

原创作者丨汪洋大海

排版编辑丨阿迟

插画绘制丨弯弯

注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载。

hycoyhuyu

一个图错了，s22写成了s21

yingjian

继续加油

zxli36

很形象。多谢分享。

苏ss

优秀

shunluren

这么形象还看不懂，那要楼主怎么说呢！太优秀了。

随心11111

不错

爱还没来

写得很棒，就是看不懂

dbjjndnn

优秀优秀

2682439952

学习学习

SHZSAINT

非常形象

haohaoge

学习学习了

236lrd

讲的很好，必须点赞

ikki

说的太好了

hxtxf

优