S参数的计算测量及应用和多端口网络.ppt
传输线及S参数-PPT
反射系数 (reflection coefficient)
反射系数 ：传输线上任意一点处的反射波电压（或电流）与入射波电 压（或电流）之比，即
(z) U r (z) Ir (z) Ui (z) Ii (z)
对无耗传输线 j ，终端负载为Zl，则
(z)
A2e jz A1e jz
Zl Zl
21
散射参量(S)
实际的射频系统不能采用终端开路(电容效应)或短路(电感效应)的测量方
法，另外终端的不连续性将导致有害的电压电流波反射，并产生可能造成器
件损坏的振荡。
S 参量的定义
a1 b1
S
a2 b2
定义归一化入射电压波：an
Vn 2
Z0In Z0
定义归一化反射电压波：bn
Vn 2
Z0In Z0
+ -
v3
iN-1 N-1端口+- vN-1
其中
阻抗
Znm
矩阵
多端口 网络
vn i ik 0
m
i2 v2
+ -
2
端口
i4 v4
+ -
4
端口
iN vN
+- N
端口
for k m 19
同理：
i1 i2
Y11 Y21
iN YN1
Y12 Y22
YN 2
Y1N v1
Y2
N
相加：Vn an bn Z0 相减：In an bn / Z0
：
an Vn /
Z0
， I
n
Z0
bn Vn /
Z0
I
n
Z0
参量：
S参数的原理及使用详解
S参数的原理及使用详解在进行射频、微波等高频电路设计时，需采用分布参数电路分析方法。
大多采用微波网络分析法来分析电路，对于一个网络，可用S、Y、Z参数来进行测量和分析。
S称为散射参数（或散射系数），Y称为导纳参数，Z称为阻抗参数。
Y、Z参数主要用于集总电路，对集总电路分析非常有效，测试也比较方便。
在处理高频网络时，等效电压和电流及有关的阻抗、导纳参数变得很抽象。
散射参数能更准确地表示直接测量的入射波、反射波及传输波的概念。
参数矩阵更适合于分布参数电路。
S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，以元器件端口的反射信号及从该端口向另外一个端口发送信号的分散程度和分量大小来描述高频网络。
S参数可以用网络分析仪来实际测量。
本文将详细介绍S参数的原理及使用。
内容包含：S参数定义S参数端口特性史密斯图观察S参数S参数仿真讲解S参数模型讲解项目中S参数使用流程需要S参数的测试场景1.S参数定义S参数测量是射频设计过程中的基本手段之一。
S参数将元件描述成一个黑盒子，并被用来模拟电子元件在不同频率下的行为。
在有源和无源电路设计和分析中经常会用到S 参数。
1)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。
2)S散射也叫散射参数。
是微波传输中的一组重要参数。
由于我们很难在高频率时测量电流或电压，因此我们要测量散射参数或S 参数。
这些参数用来表征RF 元件或网络的电气属性或性能，与我们熟悉的测量（如增益、损耗和反射系数）有关。
如上图所示，其中：S12为反向传输系数，也就是隔离；S21为正向传输系数，也就是增益；S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗；S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
3)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VNAport也是50奥姆终端。
s参数的解释
S参数例子Ur1 = S11 Ui1 + S12 Ui2Ur2 = S21 Ui1 + S22 Ui2Ui1，Ui2，Ur1，Ur2：分别是端口1和端口2的归一化入射电压和反射电压S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；S 参数（散射参数）用于评估DUT 反射信号和传送信号的性能。
S 参数由两个复数之比定义，它包含有关信号的幅度和相位的信息。
S 参数通常表示为：S输出输入输出：输出信号的DUT 端口号输入：输入信号的DUT 端口号例如，S 参数S21 是DUT 上端口2 的输出信号与DUT 上端口1 的输入信号之比，输出信号和输入信号都用复数表示。
当启动平衡- 不平衡转换功能时，可以选择混合模S 参数。
S参数分析微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。
微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。
微波网络法被广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。
微波网络理论是在低频网络理论的基础上发展起来的，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。
一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称为导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流非常困难，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。
因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。
S参数
S参数的含义S参数的含义以二端口网络为例，如单根传输线，共有四个S参数：S11，S12，S21，S22，对于互易网络有S12＝S21，对于对称网络有S11＝S22，对于无耗网络，有S11*S11+S21*S21＝1，即网络不消耗任何能量，从端口1输入的能量不是被反射回端口1就是传输到端口2上了。
在高速电路设计中用到的微带线或带状线，都有参考平面，为不对称结构（但平行双导线就是对称结构），所以S11不等于S22，但满足互易条件，总是有S12＝S21。
假设Port1为信号输入端口，Port2为信号输出端口，则我们关心的S参数有两个：S11和S21，S11表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好，一般建议S11<0.1，即－20dB，S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB，如果网络是无耗的，那么只要Port1上的反射很小，就可以满足S21>0.7的要求，但通常的传输线是有耗的，尤其在GHz以上，损耗很显著，即使在Port1上没有反射，经过长距离的传输线后，S21的值就会变得很小，表示能量在传输过程中还没到达目的地，就已经消耗在路上了。
对于由2根或以上的传输线组成的网络，还会有传输线间的互参数，可以理解为近端串扰系数、远端串扰系统，注意在奇模激励和偶模激励下的S参数值不同。
需要说明的是，S参数表示的是全频段的信息，由于传输线的带宽限制，一般在高频的衰减比较大，S参数的指标只要在由信号的边缘速率表示的EMI发射带宽范围内满足要求就可以了。
信息电子产品的运算速度与传输信息量大幅提升，相关电子零部件的高频特性也愈显重要。
如PCB、缆线、连接器等过去被视为单纯桥接作用的零部件，为满足高频应用的需要，现有规格逐渐纳入了衰减、特性阻抗、串音、传输延迟、传输延迟时滞、隔离效果、信号抖动等高频特性的项目。
实验八微波二端口网络参数的测量
实验八微波二端口网络参数的测量、分析和计算一、实验目的(1)理解可变短路器实现开路的原理；(2)学会不同负载下的反射系数的测量、分析和计算；(3)学会利用三点法测量、分析和计算微波网络的[S]参数。
二、实验原理[S] 参数是微波网络中重要的物理量，其中[S]参数的三点测量法是基本测量方法，其测量原理如下：对于互易双口网络有S12=S21，故只要测量求得S11、S12 及S21三个量就可以了。
被测网络连接如图8-1 所示。
图8-1 [S] 参数的测量设终端接负载阻抗Z l，令终端反射系数为Γl，则有: a2 = Γl b2, 代入[S]参数定义式得：于是输入端（参考面T1）处的反射系数为将待测网络依次换接终端短路负载(既有Γl = -1)、终端开路负载(即Γl = 1)和终端匹配负载(即Γl = 0)时，测得的输入端反射系数分别为Γs、Γo 和Γm，代入式（8-1）并解出：由此得到[S]参数，这就是三点测量法原理。
在实际测量中，由于波导开口并不是真正的开路，故一般用精密可移动短路器实现终端等效开路l0位置（或用波导开口近视等效为开路），如图8-2 所示。
图8-2 用可变短路器测量[S]参数实验步骤三、实验内容和步骤(1)将匹配负载接在测量线终端，并将测量线测试系统调整到最佳工作状态；(2)将短路片接在测量线终端，从测量线终端向信源方向旋转探针座位置（测量线前的大旋钮），使选频放大器指示为零(或最小)，此时的位置即为等效短路面，记作zmin0 ；(3)在终端将短路片取下，换接上可变短路器，在探针位置zmin0 处，调节可变短路器使选频放大器指示为零(或最小)，记录此时可变短路器的位置l1 ；(4)继续调节可变短路器，使选频放大器指示再变为零，再记录此时可变短路器的位置l2 ；(5)在终端将可变短路器取下，换接上待测网络，并在待测网络的终端再接上匹配负载，按照实验五的方法测量和计算得到此时的反射系数Γm ；(6)在待测网络的终端取下匹配负载，换接上可变短路器，并将可变短路器调到位置l1 ，按照实验五的方法测量和计算得到此时的反射系数Γs；(7)将可变短路器调到终端等效开路位置，即l0=(l1+l2)/2 的位置，按实验五的方法测量和计算得到此时的反射系数Γo；(8)要求反复测量三次，并处理数据(即参考实验五方法，将根据测量得到的Imin 、Imax 、zmin1 等数据计算相应的反射系数) ；(9)再根据式（8-3）计算得到[S]参数。
波导高次模s参数
波导高次模S参数1. 引言波导是一种常见的传输电磁波的结构，它通常由金属或介质构成。
在波导中，高次模指的是波导中除了基本传播模式之外的其他模式。
对于波导高次模的研究，可以帮助我们更好地理解和设计波导器件，提高其性能。
S参数是描述多端口网络中信号传输特性的一种重要方法。
对于波导高次模S参数的研究，可以帮助我们了解不同高次模式之间的相互影响，并为波导器件设计提供参考。
本文将详细介绍波导高次模S参数的相关概念、测量方法以及在波导器件设计中的应用。
2. 波导高次模S参数概述2.1 S参数简介S参数是指散射参数（Scattering parameters），用来描述多端口网络中各个端口之间信号传输特性。
对于二端口网络而言，共有四个S参数：S11、S12、S21和S22。
其中，S11表示从端口1输入信号经过网络后从端口1反射回来的功率与输入功率之比；S12表示从端口2输入信号经过网络后从端口1输出的功率与输入功率之比；S21表示从端口1输入信号经过网络后从端口2输出的功率与输入功率之比；S22表示从端口2输入信号经过网络后从端口2反射回来的功率与输入功率之比。
2.2 波导高次模S参数对于波导而言，由于其结构的特殊性，除了基本传播模式外，还存在许多高次模式。
波导高次模S参数即用来描述不同高次模式之间的信号传输特性。
波导高次模S参数可以通过测量不同高次模式在波导中的传播特性得到。
通过测量不同入射角度下的反射系数和透射系数，可以计算得到不同高次模式之间的耦合效应和相互影响。
3. 波导高次模S参数测量方法3.1 实验装置波导高次模S参数的测量通常需要使用一些实验装置，包括：•高频信号源：用于产生测试信号。
•功分器：用于将测试信号分为多个分支。
•方向耦合器：用于将波导中的信号耦合到测试装置中进行测量。
•网络分析仪：用于测量各个分支上的电压、电流等参数，从而计算得到S参数。
3.2 测量步骤波导高次模S参数的测量步骤如下：1.将高频信号源连接到功分器的输入端口，将功分器的输出端口连接到方向耦合器。
S参数详解
电子元器件S参数的含义和用途在进行射频、微波等高频电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用分布参数电路的分析方法，这时可以采用复杂的场分析法，但更多地时候则采用微波网络法来分析电路，对于微波网络而言，最重要的参数就是S参数。
在个人计算机平台迈入 GHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到I/O接口，全部走入高频传送的国度，所以现在不但射频通信电路设计时需要了解、掌握S参数，计算机系统甚至消费电子系统的设计师也需要对相关知识有所掌握。
S参数的作用S参数的由来和含义在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略(通常小于波长的十分之一)，这种情况下的电路被称为节点(Lump)电路，这时可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。
其回路器件的基本特征为：●具体来说S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。
●针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都许诺具有用S参数进行仿真的能力，这其中包括安捷伦公司的ADS（Advanced Design System），ADS被许多射频设计平台所集成。
●在进行需要较高频率的设计时，设计师必须利用参数曲线以及预先计算的散射参数（即S-参数）模型，才能用传输线和器件模型来设计所有物理元件。
○电阻：能量损失（发热）○电容：静电能量○电感：电磁能量但在高频微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流也就不一致了。
因此基本的电路理论不再适用，而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。
元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉失去了一致性，电压电流比的稳定状态固有特性再也不适用，取而代之的是“分布参数”的特性阻抗观念，此时的电路被称为分布（Distributed）电路。
分布参数回路元器件所考虑的要素是与电磁波的传送与反射为基础的要素，即：○反射系数○衰减系数○传送的延迟时间分布参数电路必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。
S参数定义,矢量网络分析仪基本知识和S参数测量
S参数定义、矢量网络分析仪基础知识及S参数测量§1 基本知识1.1 射频网络这里所指的网络是指一个盒子，不管大小如何，中间装的什么，我们并不一定知道，它只要是对外接有一个同轴连接器，我们就称其为单端口网络，它上面若装有两个同轴连接器则称为两端口网络。
注意：这儿的网络与计算机网络并不是一回事，计算机网络是比较复杂的多端（口）网络，这儿主要是指各种各样简单的射频器件（射频网络），而不是互连成网的网络。
1．单端口网络习惯上又叫负载Z L。
因为只有一个口，总是接在最后又称终端负载。
最常见的有负载、短路器等，复杂一点的有滑动负载、滑动短路器等。
➢单端口网络的电参数通常用阻抗或导纳表示，在射频范畴用反射系数Γ（回损、驻波比、S11）更方便些。
2．两端口网络最常见、最简单的两端口网络就是一根两端装有连接器的射频电缆。
➢匹配特性两端口网络一端接精密负载（标阻）后，在另一端测得的反射系数，可用来表征匹配特性。
➢传输系数与插损对于一个两端口网络除匹配特性（反射系数）外, 还有一个传输特性，即经过网络与不经过网络的电压之比叫作传输系数T。
插损（IL）= 20Log│T│dB ，一般为负值，但有时也不记负号，Φ即相移。
V2➢两端口的四个散射参量测量两端口网络的电参数，一般用上述的插损与回损已足，但对考究的场合会用到散射参量。
两端口网络的散射参量有4个，即S11、S21、S12、S22。
S参数的基本定义：S11：端口2匹配时，端口1的反射系数Г及输入驻波，描述器件输入端的匹配情况，S11=a2/a1;也可用输入回波损耗RL=-2Olg(ρ)（能量方面的反应）表示。
S22：端口1匹配时，端口2输出驻波，描述器件输出端的匹配情况，S22=b2/b1。
S21：增益或插损，描述信号经过器件后被放大的倍数或者衰减量。
S21=b1/a1. 对于无源网络即传输系数T或插损，对放大器即增益。
S12：反向隔离度，描述器件输出端的信号对输入端的影响，S12=a2/b2。
s参数波形
s参数波形S参数波形（S-parameter waveform），又称散射参数波形，是用来描述线性多端口网络的电磁参数，是电磁波在多端口网络中的传输情况的特征量。
S参数波形常用于射频和微波电路设计中，能够描述电路中各个端口之间的功率传输和反射情况，对于电路的性能分析和优化具有重要意义。
在电磁波的传输过程中，电磁波会受到散射、反射和传输等多个因素的影响。
S参数波形是通过测量电磁波在不同端口之间的功率传输情况得到的。
具体而言，假设一个多端口网络有N 个端口，那么S参数波形可以用一个N×N的矩阵表示，矩阵的元素Sij表示从第j个端口向第i个端口传输的功率与从第i 个端口向第j个端口反射的功率之比。
S参数波形有四个基本的特征：幅度、相位、实部和虚部。
幅度描述了电磁波在传输过程中的功率损耗和反射情况，相位用于描述电磁波在传输过程中的相位差，实部和虚部可以用于计算电磁波的入射和反射角度。
对于一个具体的电路，测量S参数波形的方法有很多种。
常见的方法有两端法和四端法。
两端法是指将待测电路的输入端和输出端分别连接到独立的测试设备上进行测量，可以同时测量多个S参数。
四端法则是将待测电路的输入端和输出端通过两个复用器（Multiplexer）与测试设备的输入端和输出端相连，通过切换复用器来测量不同的S参数。
在实际应用中，S参数波形广泛用于射频和微波电路的设计和优化。
通过测量和分析S参数波形，可以评估电路的性能，并进行进一步的优化。
例如，在微波通信系统中，可以通过测量天线的S参数波形来评估天线的工作性能，以及调整天线的结构和参数。
在射频集成电路的设计中，也可以利用S参数波形进行电路的参数匹配，减少功率的损耗和反射。
总之，S参数波形是电磁波在多端口网络中传输的特征量，能够描述端口之间的功率传输和反射情况。
它在射频和微波电路设计中具有重要的应用价值，能够为电路的性能分析和优化提供有力支持。
通过测量和分析S参数波形，可以评估电路的性能并进行进一步的优化，让电路更加高效和可靠。
二端口散射参数
二端口散射参数在计算机网络中，二端口散射参数（Two-port scattering parameters）是描述线性电路或网络中信号传输特性的重要参数。
它可以用来描述信号在电路中的传输、反射和散射情况，对于电路设计和分析具有重要意义。
本文将介绍二端口散射参数的定义、计算方法以及其在电路设计中的应用。
一、二端口散射参数的定义二端口散射参数通常用S参数表示，其中S11表示输入端口的反射系数，S21表示输入端口到输出端口的传输系数，S12表示输出端口到输入端口的反射系数，S22表示输出端口的反射系数。
S参数是描述电路中信号传输特性的一种常用方法，可以通过测量电路的输入输出功率和电压来计算得到。
二、二端口散射参数的计算方法计算二端口散射参数的方法有多种，常用的方法是通过测量电路的输入输出功率和电压来计算得到。
具体计算步骤如下：1. 首先，将信号源连接到输入端口，通过测量输入端口的反射功率和电压来得到S11参数。
2. 然后，将信号源连接到输入端口，通过测量输出端口的传输功率和电压来得到S21参数。
3. 接下来，将信号源连接到输出端口，通过测量输入端口的反射功率和电压来得到S12参数。
4. 最后，将信号源连接到输出端口，通过测量输出端口的反射功率和电压来得到S22参数。
通过以上测量和计算，可以得到二端口散射参数的数值。
三、二端口散射参数的应用二端口散射参数广泛应用于电路设计和分析中，具有以下几个方面的应用：1. 电路分析：通过测量电路的S参数，可以了解电路的频率响应、传输特性和反射特性，从而对电路的性能进行分析和评估。
2. 电路设计：在设计电路时，可以根据所需的传输特性和反射特性来选择合适的元件和拓扑结构，以满足设计要求。
3. 电路匹配：通过调整电路的元件数值和连接方式，可以实现电路的阻抗匹配，最大限度地提高信号传输效率。
4. 信号传输：在信号传输过程中，可以通过调整电路的S参数来控制信号的传输损耗和反射程度，提高信号传输的质量和稳定性。
有源s参数
有源S参数有源S参数是一种用于描述电路中信号传输和反射的参数。
它是指在有源网络（包含放大器或其他主动元件）中，输入和输出端口之间的散射参数。
有源S参数能够提供关于信号传输效果、功率增益、输入/输出阻抗匹配等方面的信息，对于设计和分析放大器、滤波器、混频器等电路非常重要。
1. S参数概述S参数是散射矩阵（Scattering Matrix）的简称，用于描述多端口网络中各个端口之间的信号传递情况。
对于二端口网络来说，S参数矩阵可以表示为：[S11 S12][S21 S22]其中，S11表示从端口1输入到端口1反射的散射系数；S12表示从端口2输入到端口1反射的散射系数；S21表示从端口1输入到端口2反射的散射系数；S22表示从端口2输入到端口2反射的散射系数。
在有源网络中，为了更好地描述信号传输过程中放大或衰减的情况，引入了增益因子G和衰减因子A。
这样，在有源网络中，S参数可以表示为：[S11 S12][S21*G S22*A]其中，S21G表示从端口1输入到端口2的信号传递系数，同时考虑了放大器的增益因子G；S22A表示从端口2输入到端口2的信号传递系数，同时考虑了衰减因子A。
2. 有源S参数的应用有源S参数在射频和微波电路设计中具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：a. 放大器设计在放大器设计中，有源S参数可以提供关于放大器增益、输入/输出阻抗匹配以及稳定性等方面的信息。
通过分析和优化有源S参数，可以实现最佳的放大器性能。
b. 滤波器设计滤波器是射频和微波系统中重要的组成部分。
通过分析滤波器的有源S参数，可以确定滤波器的带宽、衰减特性以及阻带等参数。
这对于滤波器设计和调试非常关键。
c. 混频器设计混频器用于将两个不同频率的信号进行混合得到新的频率。
通过分析混频器的有源S参数，可以评估混频效果、转换效率以及杂散抑制等指标。
这对于混频器的性能优化至关重要。
d. 射频系统分析在射频系统中，各个组件之间的匹配和传输性能对整个系统的性能起着重要作用。
s参数测试方法
s参数测试方法【原创实用版3篇】目录（篇1）I.引言A.s参数测试方法的概念B.为什么需要了解s参数测试方法II.s参数测试方法原理A.s参数的定义B.s参数测试方法的原理C.结果分析III.s参数测试方法的应用A.在通信系统设计中的应用B.在通信系统故障诊断中的应用C.在其他领域的应用IV.结论A.s参数测试方法的重要性B.未来研究方向正文（篇1）s参数测试方法是研究微波和射频系统性能的重要工具。
它是一种用于测量系统中的信号传输特性的方法。
通过s参数测试，我们可以了解系统的响应以及其与其他系统的相互作用。
A.s参数的定义s参数是一个用于描述信号在两个端口之间传输的参数。
它包含了系统的输入和输出信号之间的比值和相位差。
通常用s11和s22表示系统的反射系数，用s21和s12表示系统的传输系数。
B.s参数测试方法的原理s参数测试方法使用网络分析仪进行测量。
网络分析仪是一种能够测量微波和射频系统性能的仪器。
它通过发送信号到系统，然后测量系统的响应，从而计算出系统的s参数。
C.结果分析通过分析s参数测试结果，我们可以了解系统的性能。
例如，如果s11参数为负值，表示系统有较大的反射，可能存在故障。
相反，如果s22参数为正值，表示系统有较好的传输性能。
此外，我们还可以通过比较不同系统的s参数来评估它们之间的相互作用。
A.在通信系统设计中的应用在设计通信系统时，s参数测试方法可以帮助我们评估系统的性能。
例如，我们可以使用网络分析仪来测量不同天线和收发器组合的s参数，从而找到最佳的组合方案。
B.在通信系统故障诊断中的应用在通信系统故障诊断中，s参数测试方法可以帮助我们快速定位故障。
例如，如果接收信号的质量下降，我们可以使用网络分析仪来测量系统的s参数，从而找到可能的问题源头。
C.在其他领域的应用除了通信领域，s参数测试方法还在许多其他领域得到应用。
例如，在航空航天领域，网络分析仪可以用于测量飞行器的无线电设备性能。
什么是S参数
什么是s参数?s参数的含义?关键字：什么是s参数微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。
微波网络理论在低频网络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。
微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。
微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。
一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。
因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。
与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。
S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。
同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。
阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。
散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。
只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。
下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义，如图所示。
二端口网络有四个S 参数，Sij代表的意思是能量从j口注入，在i口测得的能量，如S11定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；对于互易网络，有：S12＝S21；对于对称网络，有：S11＝S22 对于无耗网络，有：（S11）2＋（S12）2＝1 ；S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。
关于联接二端口网络的S参数分析
大学， ０ ３ ２０ ［ 刘国林等，电子测量，北京： ３ ］ 机械工业出版
社，２０ ０３
［ Ｈ ４ ７ ］ ． 米歇尔， 用功率波分析二端口 网络， 北京：
中国计量出版社
阵时， 使用传输散射矩阵 （ 是很方便的。 ｒ） 对于 图 １ 二端口 网络散射参数及其信号流图
子 络Ｎ ，由 （） 殊 得 网 ， 式 １ 可以
பைடு நூலகம்
根 ） 电 入 据图１ ， 压 射波ａ输入以 在 （ ｂ ： 后， 端 口１ 射 的 分 。 传 到 反 掉 部 是况 ， 输 端口２ 部 的 的 分
卜 州 二 蕊
号 迁 矽
ｒ ． ｄ
图４ 串 参数 联二端口网络的Ｓ ３ ． ３并联的情况 图４ 为两个二端口网 络并联组成的网 同串 络。 联的 情况一样， 并联也是在端口 条件不被破坏的条 件手才能成立。 根据电 路理论， 并联二端口网 络的
： ； Ｌ
－
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一．
一０． 一
明 一
、 一
联
二 络
的
二
／ 一 ｝ 参
数 一
Ｙ 数 于 网 ； 参 与 络Ｎ 的几 参 等 子 络Ｎ 的Ｋ 数 子网 Ｚ
参数之和。即：
图
｝０
并
端
Ｙ 万＋ ＝ 乙
（１ ２）
３ ．结论
由串联情况的推导可知，对某一网络来说
Ｉ＝ ２＝ ２ ‘工 Ｉ Ｒ（ 一． Ｒ Ｉ ）
（） ６
ｂａａｂ ２ ， ； 二 ， ＇ ２ 一
由 （） （ ） ３ ４ ． ，
双端口测量和S参数
cos β
1
1 cos β
同一无损传输线的 T 矩阵（也称为 ABCD 矩阵）为
[
T
]
=
cos β jY0 sin
β
jZ0 sin β
cos β
该无损传输线的散射矩阵最终将会特别简单。要想计算 S11 元素，相反端口的端接条件是无入 射信号，V2+ = 0。这可以通过用匹配的负载 ZL = Z0 端接端口 2 来实现。这样，从端口 2 发射 的任何信号都不会反射回到端口 2。通过用匹配的负载端接端口 2，端口 1 的输入阻抗恰好为
/find/FieldFox
08 | 是德科技 | 双端口测量和 S 参数 — 应用指南
下面图 4 显示了典型矢量网络分析仪的体系结构。
图 4. 矢量网络分析仪（VNA）体系结构
如上图所示，网络分析仪的核心是一个合成信号源和一组相同的调谐接收机通道。合成信号 源生成射频激励，接收机通道则跟踪合成信号源的输出。在上面这个例子中，有三个相同的 接收机通道 R、A 和 B，但其他网络分析仪体系结构可以有更多的通道。本应用指南后面介绍 的 FieldFox 分析仪有四个接收机。合成信号源从一个主振荡器开始，该振荡器具有稳定的频 率参考。这是最常见的石英晶体振荡器，它可以放置在温控箱内，保持温度稳定不变。一旦 振荡器箱温度达到设定温度 并稳定下来，此类振荡器通常可以精确到至少 5-10 ppm。合成 信号源的其余部分是一个称为锁相环（PLL）的子系统。它是一个反馈控制系统，能够使用给 定的参考通过匹配相位产生新的频率。系统中的关键元器件包括压控振荡器（VCO）、相位 比较器、倍频器或分频器（根据输出频率需要高于还是低于输入参考频率而定），以及回路 滤波器（用于正确跟踪和捕获特性）。为简单起见，上图中并未显示回路滤波器。锁相环是 特别有用且非常灵活的电路，能够对高频信号源进行精确的数字控制。通过上述的合成信号 源，网络分析仪能够输出具有精确选定频率的射频激励信号，进而在精确的数字控制下扫描 该信号。 如图所示，网络分析仪的接收机侧包括几个相同的调谐接收机。通过网络分析仪进行的测 量，得到的基本上都是两个接收机通道测量结果的比值。通过让接收机通道保持一致，它们 在测量比值中的传递函数能够相互抵消。每个接收机都包括以下器件：可编程衰减器、输入 前置放大器、混频器（用于将输入射频信号向下变频到更适合的 IF 中频信号）、带通滤波器 （只允许混频器输出信号的中频部分通过），以及正交检波器（用于将中频信号作为完整的 矢量加以测量）。接收机衰减器、前置放大器、混频器和带通滤波器的工作方式与前面介绍 频谱分析仪时提到的接收机完全相同。主要区别在于检波器类型。
S-参数
4)
1 1 a1 (u1 i1 ) 2 2 1 1 b1 2 (u1 i1 ) 2 U1 I1Ze1 U1 I1 Ze1 Ze1 2 Ze1 U1 I1Ze1 U1 I1 Ze1 Ze1 2 Ze1
6) 各参数意义：
表示端口2接匹配负载(a2=0)时，端口1 上的电压反射系数； 表示端口2接匹配负载(a2=0)时，端口1 至端口2的正向电压传输系数； 表示端口1接匹配负载(a1=0)时，端口2 上的电压反射系数。 表示端口1接匹配负载(a1=0)时，端口2 至端口1的反向电压传输系数；
可见，[S]矩阵的各个参量是建立在端口负载匹配基 础上的反射系数或传输系数。
a1 0
2 V1 2 V1 VG 2 VG 2
(因为a1 0，信号源电压VG 2 与信号电压源内阻Z0 的电压降之差 VG 2 Z0 I 2 代替得) 反向功率增益为：
2
G 0 S12
2
V1 VG 2 / 2
7）双端口网络S参量性质 利用网络输入输出的参考面上接匹配负载，可测得散射 矩阵的各个参数。 互易网络： S12 S21 对称网络： S11 S22 S S I 无耗网络：
S 是 S 的转置共轭矩阵， I为单位矩阵） （其中，
8) 散射参量的物理意义（计算） S参量只能在输入输出端口完全匹配的条件下才能确定.
散射矩阵
(S-参数)
1、散射矩阵的优点
散射矩阵是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数矩 阵。
在信源匹配的基础上,它可以实现对驻波系数、反射系数， 及功率的测量。 相对于双端口网络的阻抗和转移矩阵，更具有可行性。
2、公式推导、性质、意义：
射频电路设计_第4章_单端口网络和多端口网络(厦)
例题4．5 求解7形网络的4删参量矩阵 — 求解下面图中所示7形网络的朋cD参量矩阵： 解：这个问题可以采用两种不同的方法求解。第1种方法是直接应用ABCD 参量矩阵元素的定义。按照前一例题的方法计算短阵元素。另一种方法是利
表4．1以两端口网络ABCD参量的形式总结了6种最常用的 电路结构。根据这6种基本模型，大多数复杂电路都可以通过 这些基本网络的适当搭配构成。
第四章单端口网络和多端口网络
主要内容： 建立基本网络的输入、输出关系 给出网络连接的规则 介绍基于功率波关系的散射参量（S参量）
4.1 基本定义 4.2 互联网络 4.3 网络特性及其应用 4.4 散射参量
4.1基本定义
基本规则：不管单端网络还是N端网络，电流的脚 标指明它
流入的相应网络端口；电压的脚标指明测量该电压的相应网 络端口。如图
4.4 散射参量
4.4 散射参量
六、S参量的推广
4.4 散参量
4.4 散射参量
4.4 散射参量
七、散射参量的测量
常用的方法是采用矢量网络分析仪。如图
4.4 散射参量
4.4 散射参量
但负载的不理想，必然带来误差
4.4 散射参量
4.4 散射参量
4.3网络特性及其应用
一、 网络参量之间的换算关系
由于电路结构的特殊性，有时需要在不同网络参量之间进行转换．以便得到特定的 输入、输出特性表达式。例如，低频晶体管参数通常以h参量的形式给出，然而，当 晶体管与其他网络级连时，ABCD参量也许是更合适的形式。所以，将h参量和ABCD 参量相互转换可以大大简化问题的难度。 1、从已知的A参量矩阵导出ABCD参量矩阵 由定义式(4．11)，A元素可以表示为：
整个网络的ABCD参量矩阵等于各个网络ABCD参量矩阵的乘积。
[S]参数的计算、测量及应用和多端口网络
![[S]参数的计算、测量及应用和多端口网络](https://img.taocdn.com/s3/m/c5ab5c33ee06eff9aef80774.png)
det A
A21
A22
A21
[A]
Y22
Y21
Y
Y21
1 Y21
Y11
Y21
Z11
Z 21
1
Z21
Z
Z 21
Z22
Z21
A11 A12
A21
A22
[S]参数的计算、测量及应用
散射参量与其它参量之间的相互转换
与其它四种参量一样，散射参量用以描述网络 端口之间的输入输出关系, 因此对同一双端口网络 一定存在着相互转换的关系。由于［S］矩阵是 定义在归一化入射波电压和电流基础上, 因此与其 它参量的归一化值之间转换比较容易。
它表示当i≠j, 除端口i外, 其余各端口参考面均接 匹配负载时, 第i个端口参考面处的反射系数。多 端口网络［S］矩阵具有以下性质: 互易性质
若网络互易, 则有 Sij=Sji(i, j=1, 2, …, N, i≠j)
或写作 ST S
1、2 多端口网络的[S]参数
无耗性质
若网络无耗, 则有 S S I
j (11 12 )
j (12 22 )
[S]参量的计算、测量及应用
得到
12
1 2
(11
22
)
则若网络对称
12
11
1 2
由上可知，散射参量一般为复数，确定二端口网
络散射参量的未知量实际上是六个，S11 、S12 、S22
11、12、22 ，而对于可逆无耗网络，只有三个参
量是独立的。
[S]参量的计算、测量及应用 4、二端口网络的组合 串联组合
若网络的端口i和端口j具有面对称性, 且网络互
易, 则有：
Sij=Sji
S参数的提出和应用
采用适当的负债阻抗ZL=Z0，使2端口负载与传输线特性阻抗Z0匹配，从 而测量S11和S21。
S11 = Γin = Z in − Z 0 Z in + Z 0
V2− Z0
回波损耗（dB）： RL = −20log S11
b S21 = 2 a1
b S11 = 1 a1
b S12 = 1 a2
a2 = 0
1端口反射波 = 1端口入射波
1端口传输波 = 2端口入射波
S21 =
b2 a1
b2 a2
=
a2 = 0
2端口传输波 1端口入射波
2端口反射波 2端口入射波
S22 =
=
a1 = 0
a1 = 0
2011-12-22
一、S参数的提出及应用
1.3 S参数的物理意义
S-PARAMETERS
S_Param SP1 Start=1.0 GHz Stop=10.0 GHz Step=1.0 GHz
Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm
a
b MLIN TL1 Subst="MSub1" W=0.625 mm L=2.5 mm MSTEP Step1 Subst="MSub1" W1=0.625 mm W2=1.25 mm
2011-12-22
•
二、S参数仿真技术概要
2.5 如何消除仿真中的直流不利影响
对有源电路如放大器进行S参数仿真时，通常会使用 DC_Block和DC_Feed元件来消除偏置电路对仿真的不利影 响，它们在DC仿真中也常用到。DC_Block元件是理想隔 直电容元件，任何频率分量都能够无损耗通过，直流分 量完全无法通过。DC_Feed元件是理想隔交流电感元件， 直流分量能够无损耗通过，任何频率分量都完全无法通 过。
Ⅶ. 广义 S 参数
连接条件
am bn bm an
Vm Vn Im In
电压、电流任意时，易证。
例：已知双口网络各端口对Z0归一化的散射参数
Z
AC
g
[S0]
Z
L
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对称性质
若网络的端口i和端口j具有面对称性, 且网络互
易, 则有：
Sij=Sji
Sii=Sjj
这些性质在微波元件分析中十分有用。
2
1 2
j
2
bj
即 aT a* bT b*
[S]参量的计算、测量及应用
且 b Sa bT aT ST
则 aT a* aT ST S* a* 故 ST S* I
两边同时转置，则有
对于互易网络 ST S 则有 SS* I
S S I
对于二端口网络，由
S S I
S11 2 S21 2 1 S12 2 S22 2 1
det A
A21
A22
A21
[A]
Y22
Y21
Y
Y21
1 Y21
Y11
Y21
Z11
Z 21
1
Z21
Z
Z 21
Z22
Z21
A11 A12
A21
A22
[S]参数的计算、测量及应用
散射参量与其它参量之间的相互转换
与其它四种参量一样，散射参量用以描述网络 端口之间的输入输出关系, 因此对同一双端口网络 一定存在着相互转换的关系。由于［S］矩阵是 定义在归一化入射波电压和电流基础上, 因此与其 它参量的归一化值之间转换比较容易。
可逆网络 可逆网络具有互易特性，即
Z12 Z21 Z%12 Z%21
Y12 Y21
Y%12 Y%21
[S]参量的计算、测量及应用
根据参量的转换公式不难得到其它几种网络参量 的互易特性为：
A11 A22 A12 A21 1 a11a22 a12a21 1 S12 S21 由此可见，可逆二端口网络只有三个独立分量。 对称网络 二端口网络的对称特性指两端口电特性完全相等， 因此互换网络的两个端口，网络矩阵一定保持不 变，二端口网络对称条件用网络参量表示是：
其中 S12 ＝1表示完全传输，这说明无耗、互易二
端口网络，若网络一个端口匹配时，则另一个端 口也必然匹配。
对无耗、互易二端口网络表示S参量的相位关系
由 S1*2S11 S2*2S12 0
S12 e j12 S11 e j11 S22 e j22 S12 e j12 0
由
S11 S22
e e 0 得到
是12 b12端2 是口2的端输口入的功反率射，功12率b1 ，2 是则1上端式口说的
明功率是守恒的。
S12 表示功率传输系数，S11 表示功率反射系数
对互易网络 S11 2 S22 2 1 S12 2 S12 2 S21 2 1 S11 2
若 S12＝1，则 S11 S22 0
[S]参量的计算、测量及应用
1、1 [S]参数的计算、测量及应用
1、网络参量的相互变换关系 [Z] [Y] [A]之间的变换关系
由于表征同一个微波网络，因此它们之间可以相 互转换。 由 [I]=[Y][U] 且 [Z][I]=[Z][Y][U]=[U] 则 [Z][Y]=[I]
故 [Z]= Y 1 或 [Y]= Z 1
[Z][Y][A]之间的互换公式如下表所示：
[S]与[Z][Y]的转换
a 1 (u i) 1 ([z][i] [i]) 1 ([z] [I ])[i]
2
2
2
[S]参数的计算、测量及应用
b 1 (u i) 1 ([z][i] [i]) 1 ([z] [I ])[i]
2
2
2
代入 [b]=[s][a] 得到 z [I ] [S]( z [I ])
b1 b2
1 1
于是可得
(a11 a12 ) a1
(a21
a22
)
a2
[S]参数的计算、测量及应用
S
1 1
(a11 a12 ) 1 1 (a21 a22 ) 1
(a11 a12 )
(a21
a22
)
a11
a12
1 a21
a22
a11 2
a12
a21
a22
2(a11a22 a12 a22
无耗性质
若网络无耗, 则有 S S I
其中 S是 ［S］的共轭转置矩阵。
证明：对于无耗网络, 输入的总功率应等于输出的
总功率, 即有：
1
2
N i 1
ai
2
1 2
N i 1
bi
2
上式还可写作 a a b b b a S
1、2 多端口网络的[S]参数
则 a a a S Sa 故得到 S S I
a12a21) a11 a21
类似可以推得
a
1
s12
(1
s11)(1 s21
s22 )
2
s12
(1
s11)(1 s21
s22 )
s12
(1
s11 ) (1 s21
s22 )
s12
(1
s11 ) (1 s21
s22 )
[S]参数得计算、测量及应用
2、[S]参数的测量
对于互易双端口网络, S12=S21, 故只要测量求 得S11、S22及S12三个量就可以了。设被测网络接 入如下图所示系统, 终端接有负载阻抗Zl, 令终端 反射系数为Γl, 则有: a2=Γlb2 则得到 b1=S11a1+S12Γlb2
Z Z1Z2
[S]参量的计算、测量及应用 并联组合
Y Y1Y2
[S]参量的计算、测量及应用
级联
＋ I1
I2 ＋
U1
[A1]
U2
[A2]
－ －
I3 ＋ U3 －
A A1A2L An
1、2 多端口网络的[S]参数
设由N个输入输出口组成的线性微波网络如图 所示, 各端口的归一化入射波电压和反射波电压分 别为ai, bi(i=1-N), 则有:
[S]参数的计算、测量及应用
[S]与[a]的转换
设 u1=a1+b1, i1=a1-b1;
u2=a2+b2, i2=a2-b2
则有 a1+b1=a11(a2+b2)-a12(a2-b2)
a1-b1=a21(a2+b2)-a22(a2-b2)
整理可得
1 1
(a11 (a21
Hale Waihona Puke a12 ) a22 )[S]参量的计算、测量及应用
S1*1S12 S1*2S22 0 S1*2S11 S2*2S12 0
按[S]的定义，当a2=0时，二端口接匹配负载时
由 得到
S11 2 S21 2 1
1 2
b1
2
1 2
b2
2
1
1 2
a1
2
1 2
a1
2
[S]参量的计算、测量及应用
其中，1
2
a1
2
反射功率，
其中，1s 是 T2 面上短路时 T1 面上的反射系数。可 以确定二端口网络的[S]参数，有了[S]参数，当终 端接一负载时，可求出输入端反射系数，从而确 定负载反射系数。
[S]参数的计算、测量及应用
3、网络参量的性质
一般二端口网络的网络参量均有四个独立参量, 但当网络具有某种特性时,网络的独立参量将会减 少,下面讨论网络参量的性质。
s11 m
s122
2(m
s )(o o s
m)
s12
0
2m o s
s
由此可得[S]参数，这就是三点测量法。
[S]参数得计算、测量及应用
由于在微波中，T2 端面开路不易实现，如果在 T1 面接匹配负载，则在 T2 面测出 2m
S22 2m 如果在 面接匹配负载，则在 面测得
S11 1m S122 (1m 1s )(1 2m )
S参数： S12 S21
S11 S22
[S]参量的计算、测量及应用
在实际的微波器件中，许多元件在几何结构上是对 称的，具有几何对称的网络都具有电对称的特性， 因此电对称性常常根据几何结构的对称性来判断。
无耗网络
对于二端口无耗网络而言，输入端口的功率与 从端口输出的功率相等，则
1
2
j
aj
[S]参量的计算、测量及应用
Z11 Z22
Z12 Z21
Y11 Y22
Y12 Y21
A参数： A11A22 A12 A21 1
A11 A22
归一化参量表示： Z11 Z 22 Z12 Z 21
Y 11 Y 22 Y 12 Y 21
a11a22 a12a21 1 a11 a22
1、2 多端口网络的[S]参数
它表示当i≠j, 除端口i外, 其余各端口参考面均接 匹配负载时, 第i个端口参考面处的反射系数。多 端口网络［S］矩阵具有以下性质: 互易性质
若网络互易, 则有 Sij=Sji(i, j=1, 2, …, N, i≠j)
或写作 ST S
1、2 多端口网络的[S]参数
j (11 12 )
j (12 22 )
[S]参量的计算、测量及应用
得到
12
1 2
(11
22
)
则若网络对称
12
11
1 2
由上可知，散射参量一般为复数，确定二端口网
络散射参量的未知量实际上是六个，S11 、S12 、S22
11、12、22 ，而对于可逆无耗网络，只有三个参
量是独立的。
[S]参量的计算、测量及应用 4、二端口网络的组合 串联组合
于是可得[S]和[Z]的相互转换公式
[S] ( Z [I ])( Z [I ])1 Z ([ I ] [S])([ I ] [S])1