一．為什么要引入S參數(shù)

S參數(shù)的全稱為Scattering 參數(shù)，即散射參數(shù)。微波系統(tǒng)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(tǒng)是分布參數(shù)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(wǎng)絡(luò)法被廣泛運用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎(chǔ)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(tǒng)等效為傳輸線，從而將實際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場的問題轉(zhuǎn)化為路的問題來解決。

微波網(wǎng)絡(luò)理論是在低頻網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上發(fā)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(wǎng)絡(luò)，有Y、Z和S參數(shù)可用來測量和分析，Y稱為導納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)；前兩個參數(shù)主要用于集總電路，Z和Y參數(shù)對于集總參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便地測試；但是在微波系統(tǒng)中，由于確定非橫電磁波（TEM）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(wǎng)絡(luò)時，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導納參數(shù)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(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。

S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，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(wǎng)絡(luò)。同N端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗和導納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對N端口網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來計算。只要知道網(wǎng)絡(luò)的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。

二．典型二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)

二端口網(wǎng)絡(luò)是指有一個輸入口Port1和一個輸出口Port2的無源電路網(wǎng)絡(luò)。對于線性無源二端口網(wǎng)絡(luò)，從端口出去的正弦信號一定與進去的正弦信號同頻率。

二端口網(wǎng)絡(luò)共有四個S參數(shù)，分別為S11、S12、S21和S22，各參數(shù)的物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò)的特性如下：

S11 = b1/a1，端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)；S22 = b2/a2，端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；S12 = b1/a2，端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；S21 = b2/a1，端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)。S參數(shù)具有對稱性，即如果傳輸通道完全對稱則S11=S22；S21=S12。

信號關(guān)系如下：

即：

三．S參數(shù)特性

S參數(shù)的三大特性：無源性，互易性，因果性。

無源性：對于一個無損網(wǎng)絡(luò)，S矩陣是一個單位矩陣，對于二端口網(wǎng)絡(luò)存在下面關(guān)系式：| S11 |2+| S11 |2=1，由于沒有損耗，所以散射的總量是100%。當S21大的時候，S11就會小一些。對于無源的二端口的網(wǎng)絡(luò), | S11 |2+| S11 |2<1，因此一個無源器件的S參數(shù)不會大于1（0dB）。

互易性：如果一個器件是可交換方向使用而不是單相的，如隔離器、環(huán)行器，S矩陣是對稱的，因此，Sij=Sji。也可以說是從通道兩側(cè)分別看過去，它的特性應該是一致的。

因果性：因果性指的是先有激勵才有輸出。對于無源系統(tǒng)的S參數(shù)，由于信號的傳輸一定會產(chǎn)生相應的延時，因此無源系統(tǒng)的S參數(shù)應該符合因果性原理的。但實際測得的S參數(shù)往往會由于種種原因產(chǎn)生一定的非因果性，導致不正確的仿真結(jié)果。

S參數(shù)不滿足三要素就會導致結(jié)果不準確，這是就需要從新提取S參數(shù)，例如調(diào)整網(wǎng)格劃分和收斂值，重新提取即可。

四．S參數(shù)的信號完整性分析應用

根據(jù)信號的頻域特性，任何信號都可以拆解為一系列不同頻率的正弦波的疊加。隨著頻率的不斷增加，高頻頻點的正弦波信號傳輸?shù)浇邮斩说男盘柲芰繉⒅饾u減少，而S參數(shù)恰恰能夠清晰的描述各個頻點的正弦波通過互連導通后的衰減情況，采用S參數(shù)不僅可以分析導通對信號的影響，還可以根據(jù)需要進行補償一些衰減比較嚴重的高頻頻點。

S參數(shù)與信號完整性有著密切聯(lián)系，其中S11能夠反映信號反射及阻抗匹配問題，S21能夠反映信號的傳輸特性。

此外，利用S參數(shù)還能夠直接得到介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等參數(shù)信息，這是一般的時域分析所不具備的。因此可見，S參數(shù)可以很好地分析信號完整性問題。