图文解说S参数（基础篇）
s参数是rf工程师/si工程师必须掌握的内容，业界已有多位大师写过关于s参数的文章，即便如此，在相关领域打滚多年的人， 可能还是会被一些问题困扰着。你懂s参数吗? 请继续往下看...台湾同行图文独特讲解！
1、
简介：从时域与频域评估传输线特性
良好的传输线，讯号从一个点传送到另一点的失真(扭曲)，必须在一个可接受的程度内。而如何去衡量传输线互连对讯号的影响，可分别从时域与频域的角度观察。
s参数即是频域特性的观察，其中\\\\'s\\\\'意指\\\\'scatter\\\\'，与y或z参数，同属双端口网络系统的参数表示。
s参数是在传输线两端有终端的条件下定义出来的，一般这zo=50奥姆，因为vna port也是50奥姆终端。所以，reference impedance of port的定义不同时，s参数值也不同，即s参数是基于一指定的port zo条件下所得到的。
2. 看一条线的特性：s11、s21
看一条线的特性：s11、s21
如下图所示，假设port1是讯号输入端，port2是讯号输出端
s11表示在port 1量反射损失(return loss)，主要是观测发送端看到多大的的讯号反射成份；值越接近0越好(越低越好 ，一般-25~-40db)，表示传递过程反射(reflection)越小，也称为输入反射系数(input reflection coefficient)。
s21表示讯号从port 1传递到port 2过程的馈入损失(insertion loss)，主要是观测接收端的讯号剩多少；值越接近1越好(0db)，表示传递过程损失(loss)越小，也称为顺向穿透系数(forward transmission coefficient)。
3、看两条线的相互关系：s31、s41
虽然没有硬性规定1、2、3、4分别要标示在线哪一端，但[eric bogatin大师]建议奇数端放左边，且一般表示两条线以上cross-talk交互影响时，才会用到s31。以上图为例，s31意指near end cross-talk (next)，s41意指far end cross-talk (fext).
4、看不同模式的讯号成份：sdd、scc、scd、sdc
以上谈的都是single ended transmission line (one or two line)，接着要谈differential pair结构。
5、以史密斯图观察s参数
因为s11、s22是反映传输线的reflection，不难理解s11其实也可以直接以反射系数表示。
既然是反射系数，那就可以用史密斯图来观察了，史密斯图可以想做是把直角坐标的y轴上下尽头拉到x轴最右边所形成
水平轴表示实数r，水平轴以上平面表示电感性，水平轴以下平面表示电容性
以一条四英寸长，50欧姆的传输线为例，从15m~2ghz的史密斯图，s11会呈现螺旋状往圆心收敛，而这螺旋就是dielectric losses absorb造成，越高频loss越大。
本文目录 下：
简介：从时域与频域评估传输线特性
看一条线的特性：s11、s21
看两条线的相互关系：s31、s41
看不同模式的讯号成份：sdd、scc、scd、sdc
以史密斯图观察s参数
仿真范例
-- 地回路有没有slot对s11, s21的影响
-- 有效介电系数如何取得
问题与讨论
reference
6、仿真范例
取一条100mm长，线宽7mils、铜厚0.7mils、堆栈高4mils，特性阻抗50奥姆的microstrip，以下方reference plane是否有被slot切开做比对。trace1的地回路是完整的，而trace2的地有一个横切的slot造成地回路不连续。
6.1
观察trace 1的s11、s21：s11从1~5ghz都维持在-35db以下，表示反射成份很小；s21从1~5ghz都很接近0db，表示大部分的讯号成份都完整的从port 1传到port 2。
一条良好的传输线，s11、s21会拉蛮开的，随着频率增加彼此才会慢慢靠近一些 。另外，从s11可以很清楚看到由线长所决定的共振频点.
对于100mm长的microstrip，因为传输线所发射出的电力线路径，部分是通过空气而不是只有fr4，所以在计算谐振频点时，介电系数若 单以4.2~4.4计算， 而不是[有效介电系数]3.085，那算出的共振频点与模拟值会有很大误差。
波在真空的传递速度等于光速：
讯号在微带线(microstrip on fr-4)的传递速度：
，其中e是有效介电系数，而不是fr4的介电系数
所以，于fr4上100mm长的microstrip line，共振频率的传播速度 ：
if using e=4.3, then
and this result is incorrect.
if replacing e with 3.085, then
and the value is very close to the simulation result 840mhz.
一般50歐姆特性阻抗的microstrip on fr4，有效介電限數大約3.0~3.1，可以透過design/nexxim得到.
6.2
观察trace 2的s11、s21：s11在1ghz以上时，就超过-20db了，表示反射成份很大；s21与trace1比较起来，随频率降低的速度也大一倍，表示有较多讯号成份在port 1传到port 2的过程中损耗。
7.
问题与讨论
问题与讨论
7.1 埠端阻抗是如何影响s11参数的?
ans：端口阻抗(referenced impedance, zport)会影响zin，进而影响s11
for the transmission line with characteristic impedance zo, the max. impedance referenced to zport is zin=zo*2/zport ，s11=(zin-zport)/(zin+zport)
在hfss内，上式s11中的zport以实数考虑(non-conjugate matched load for s-parameter)，而在designer或一般电路仿真软件中，上式s11中的zport以复数 考虑(conjugate matched load for s-parameter)。在 一些天线或waveguide的应用中，如果埠 端阻抗含虚部，而又希望可以在designer内看到跟hfss的s参数 同样结果，可从以下设定[tools] [options] [circuit options]，un-check [use circuit s-parameter definition]。
请注意：这只是s参数埠端定义的不同，结果 都是对的，所以不管哪一种定义下，如果转到y或z参数(或是从designer透过dynamic link hfss)去看，其值是一样的。
7.2 touchstone file (.snp)跟s-parameter是什么关系?
ans：touchstone file (.snp)是基于每个频点的s参数，所定义的一种频域模型，其格式如下所示：
7.3 为何端口阻抗会影响s参数，但不影响z参数(z11)?
ans：z11=vi/iin与埠端阻抗无关。
7.4 除了靠软件，还有其他方法检查passivity、causality吗?
ans：如图所示，透过观察tdrnextfext是否在t=0之前有响应。
7.5 史密斯图(smith chart)与causality、passivity是否有关联性?
ans：有的
7.5.1 满足causality与passivity传输线的史密斯图，会呈现以顺时针方向往中心螺旋收敛的曲线。
将线长从10mm拉长一倍到20mm，发现越长的线，其smith chart中随频率增加而顺时针向中心旋转收敛的步幅也会增加。
把介质loss tangent从0.02改0.06，发现smith chart中随频率增加而顺时针向中心旋转的收敛会加快。顺时针向中心旋转与lossy有关。
7.5.2 满足causality但a bit violate passivity传输线的史密斯图，会出现部份频段贴合，没有往中心 旋转收敛。
近几年的hfss性能一直提升，想要用简单的例子搞出non-passivity还不太容易。本例是四条传输线(.s8p)，故意 降低mesh performance(放大error percentage=0.1%)，低频dc~0.1ghz刻意不求解，并且使用lossless介质。
7.5.3 non-causality and non-passivity的史密斯图，相对于n*n matrix中不同矩阵区块内的violate程度，曲线可能会折弯 (低频violate passivity严重，在smith chart也看到低频曲线有不规则的折弯)，或是不往中心收敛
笔者还看不到hfss产生的non-causal s参数的smith chart会逆时针旋转，或其时域响应提前发生的现象 。但可以用designer内的de-embedded功能产生逆时针旋转的smith chart。
一键打开和关闭微处理器
RA2快速设计指南 [8] I/O端口配置（2）
扛鼎之作vivo NEX双屏版发布 将采取前后双屏的设计
数明半导体三通道 LED 线性电流驱动方案满足汽车级需求
索尼Xperia1评测 向真实的影院观影体验靠拢
图文解说S参数（基础篇）
TSMC认证Synopsys IC Compiler II适合10-nm FinFET生产
应用丨基站电源防雷保护方案
3p+n漏电保护器和4p漏电保护器哪种好？功能、安全及应用剖析
FCI推出25Gb/s的XCede立式背板插头
MIS基板封装技术的推动者之一
化学氧消防自救呼吸器防护性能测试仪技术指标
红米5A和魅蓝6哪个值得买? 难道只是差价100元的区别？
全新GD32F4产品系列紧贴市场高端需求
浅谈ADAS和电动汽车
汽车电子常用EMC保护方案集
中国电信正在与中国联通推进11个互联网骨干网直联网间1530G扩容工作
地铁继电器柜预布线的方法
EMC电磁兼容性测试是什么
导热硅胶片在动力电池模组上的操作方法及注意事项
1、
简介：从时域与频域评估传输线特性
良好的传输线，讯号从一个点传送到另一点的失真(扭曲)，必须在一个可接受的程度内。而如何去衡量传输线互连对讯号的影响，可分别从时域与频域的角度观察。
s参数即是频域特性的观察，其中\\\\'s\\\\'意指\\\\'scatter\\\\'，与y或z参数，同属双端口网络系统的参数表示。
s参数是在传输线两端有终端的条件下定义出来的，一般这zo=50奥姆，因为vna port也是50奥姆终端。所以，reference impedance of port的定义不同时，s参数值也不同，即s参数是基于一指定的port zo条件下所得到的。
2. 看一条线的特性：s11、s21
看一条线的特性：s11、s21
如下图所示，假设port1是讯号输入端，port2是讯号输出端
s11表示在port 1量反射损失(return loss)，主要是观测发送端看到多大的的讯号反射成份；值越接近0越好(越低越好 ，一般-25~-40db)，表示传递过程反射(reflection)越小，也称为输入反射系数(input reflection coefficient)。
s21表示讯号从port 1传递到port 2过程的馈入损失(insertion loss)，主要是观测接收端的讯号剩多少；值越接近1越好(0db)，表示传递过程损失(loss)越小，也称为顺向穿透系数(forward transmission coefficient)。
3、看两条线的相互关系：s31、s41
虽然没有硬性规定1、2、3、4分别要标示在线哪一端，但[eric bogatin大师]建议奇数端放左边，且一般表示两条线以上cross-talk交互影响时，才会用到s31。以上图为例，s31意指near end cross-talk (next)，s41意指far end cross-talk (fext).
4、看不同模式的讯号成份：sdd、scc、scd、sdc
以上谈的都是single ended transmission line (one or two line)，接着要谈differential pair结构。
5、以史密斯图观察s参数
因为s11、s22是反映传输线的reflection，不难理解s11其实也可以直接以反射系数表示。
既然是反射系数，那就可以用史密斯图来观察了，史密斯图可以想做是把直角坐标的y轴上下尽头拉到x轴最右边所形成
水平轴表示实数r，水平轴以上平面表示电感性，水平轴以下平面表示电容性
以一条四英寸长，50欧姆的传输线为例，从15m~2ghz的史密斯图，s11会呈现螺旋状往圆心收敛，而这螺旋就是dielectric losses absorb造成，越高频loss越大。
本文目录 下：
简介：从时域与频域评估传输线特性
看一条线的特性：s11、s21
看两条线的相互关系：s31、s41
看不同模式的讯号成份：sdd、scc、scd、sdc
以史密斯图观察s参数
仿真范例
-- 地回路有没有slot对s11, s21的影响
-- 有效介电系数如何取得
问题与讨论
reference
6、仿真范例
取一条100mm长，线宽7mils、铜厚0.7mils、堆栈高4mils，特性阻抗50奥姆的microstrip，以下方reference plane是否有被slot切开做比对。trace1的地回路是完整的，而trace2的地有一个横切的slot造成地回路不连续。
6.1
观察trace 1的s11、s21：s11从1~5ghz都维持在-35db以下，表示反射成份很小；s21从1~5ghz都很接近0db，表示大部分的讯号成份都完整的从port 1传到port 2。
一条良好的传输线，s11、s21会拉蛮开的，随着频率增加彼此才会慢慢靠近一些 。另外，从s11可以很清楚看到由线长所决定的共振频点.
对于100mm长的microstrip，因为传输线所发射出的电力线路径，部分是通过空气而不是只有fr4，所以在计算谐振频点时，介电系数若 单以4.2~4.4计算， 而不是[有效介电系数]3.085，那算出的共振频点与模拟值会有很大误差。
波在真空的传递速度等于光速：
讯号在微带线(microstrip on fr-4)的传递速度：
，其中e是有效介电系数，而不是fr4的介电系数
所以，于fr4上100mm长的microstrip line，共振频率的传播速度 ：
if using e=4.3, then
and this result is incorrect.
if replacing e with 3.085, then
and the value is very close to the simulation result 840mhz.
一般50歐姆特性阻抗的microstrip on fr4，有效介電限數大約3.0~3.1，可以透過design/nexxim得到.
6.2
观察trace 2的s11、s21：s11在1ghz以上时，就超过-20db了，表示反射成份很大；s21与trace1比较起来，随频率降低的速度也大一倍，表示有较多讯号成份在port 1传到port 2的过程中损耗。
7.
问题与讨论
问题与讨论
7.1 埠端阻抗是如何影响s11参数的?
ans：端口阻抗(referenced impedance, zport)会影响zin，进而影响s11
for the transmission line with characteristic impedance zo, the max. impedance referenced to zport is zin=zo*2/zport ，s11=(zin-zport)/(zin+zport)
在hfss内，上式s11中的zport以实数考虑(non-conjugate matched load for s-parameter)，而在designer或一般电路仿真软件中，上式s11中的zport以复数 考虑(conjugate matched load for s-parameter)。在 一些天线或waveguide的应用中，如果埠 端阻抗含虚部，而又希望可以在designer内看到跟hfss的s参数 同样结果，可从以下设定[tools] [options] [circuit options]，un-check [use circuit s-parameter definition]。
请注意：这只是s参数埠端定义的不同，结果 都是对的，所以不管哪一种定义下，如果转到y或z参数(或是从designer透过dynamic link hfss)去看，其值是一样的。
7.2 touchstone file (.snp)跟s-parameter是什么关系?
ans：touchstone file (.snp)是基于每个频点的s参数，所定义的一种频域模型，其格式如下所示：
7.3 为何端口阻抗会影响s参数，但不影响z参数(z11)?
ans：z11=vi/iin与埠端阻抗无关。
7.4 除了靠软件，还有其他方法检查passivity、causality吗?
ans：如图所示，透过观察tdrnextfext是否在t=0之前有响应。
7.5 史密斯图(smith chart)与causality、passivity是否有关联性?
ans：有的
7.5.1 满足causality与passivity传输线的史密斯图，会呈现以顺时针方向往中心螺旋收敛的曲线。
将线长从10mm拉长一倍到20mm，发现越长的线，其smith chart中随频率增加而顺时针向中心旋转收敛的步幅也会增加。
把介质loss tangent从0.02改0.06，发现smith chart中随频率增加而顺时针向中心旋转的收敛会加快。顺时针向中心旋转与lossy有关。
7.5.2 满足causality但a bit violate passivity传输线的史密斯图，会出现部份频段贴合，没有往中心 旋转收敛。
近几年的hfss性能一直提升，想要用简单的例子搞出non-passivity还不太容易。本例是四条传输线(.s8p)，故意 降低mesh performance(放大error percentage=0.1%)，低频dc~0.1ghz刻意不求解，并且使用lossless介质。
7.5.3 non-causality and non-passivity的史密斯图，相对于n*n matrix中不同矩阵区块内的violate程度，曲线可能会折弯 (低频violate passivity严重，在smith chart也看到低频曲线有不规则的折弯)，或是不往中心收敛
笔者还看不到hfss产生的non-causal s参数的smith chart会逆时针旋转，或其时域响应提前发生的现象 。但可以用designer内的de-embedded功能产生逆时针旋转的smith chart。
一键打开和关闭微处理器
RA2快速设计指南 [8] I/O端口配置（2）
扛鼎之作vivo NEX双屏版发布 将采取前后双屏的设计
数明半导体三通道 LED 线性电流驱动方案满足汽车级需求
索尼Xperia1评测 向真实的影院观影体验靠拢
图文解说S参数（基础篇）
TSMC认证Synopsys IC Compiler II适合10-nm FinFET生产
应用丨基站电源防雷保护方案
3p+n漏电保护器和4p漏电保护器哪种好？功能、安全及应用剖析
FCI推出25Gb/s的XCede立式背板插头
MIS基板封装技术的推动者之一
化学氧消防自救呼吸器防护性能测试仪技术指标
红米5A和魅蓝6哪个值得买? 难道只是差价100元的区别？
全新GD32F4产品系列紧贴市场高端需求
浅谈ADAS和电动汽车
汽车电子常用EMC保护方案集
中国电信正在与中国联通推进11个互联网骨干网直联网间1530G扩容工作
地铁继电器柜预布线的方法
EMC电磁兼容性测试是什么
导热硅胶片在动力电池模组上的操作方法及注意事项