S参数的基础知识简介
射频微波行业，相关高速产品，很多硬件工程师，很多实际工作，哪一个不拿s参数说事？基础知识有很多健忘了，温故知新。话不多说，直接上思维导图：
1、定义
s参数最新应用于射频和微波领域，起源于频域的分析技术。s参数作为互连行为的通用基准，相关的原理和公式也应用于时域。这里的互连行为包含线性的和无源的。
s参数中的s，是单词scattering的简写，表示散射的意思。所以，s参数代表是一种行为模型，即互连如何与一个标准的入射波之间的相互作用。
在频率描述时，这个标准波形是正弦波。时域描述时，这个标准波形可以是阶跃或者冲激波形。
入射波散射回源端的波称为反射波，通过元器件散射出去的波形称为传输波。
关于入射波，反射波，传输波，端口比值等，可以参考下图：
时域反射计（tdr）测量时域的反射响应。矢量网络分析仪（vna） 测正弦波的反射响应和传输响应，这里的矢量是指正弦波的幅度和相位。
2、作用
s参数包含着大量的信息，这些信息描述了互连的一些特性，比如阻抗曲线、串扰大小和差分信号衰减。
使用仿真软件，对互连的行为进行搭建，拟合出基于电路拓扑的互连模型，如走线、连接器、过孔或整个背板模型。所有链路中的模型都可以用s参数来包含。
对于所有线性无源元件而言，散射波的频率和入射波的频率完全一样。正弦波唯一可以改变的两个属性就是散射波的幅度和相位。
为了区别每个s参数所涉及的端口组合，看下标值，第一个下标值对应输出端口，而第二个下标值对应输入端口。比如s21，代表从端口1进入并从端口2输出的正弦波的s参数，这和我们预想的相反，即s out in。
有时候，搞不懂有些厂商就喜欢不一样，非要随意指派，这就为下游厂商的仿真带来不必要的麻烦。
实际工作中，互连不是对称的，s11和s22就不相等。但对于所有线性无源元件而言，总有s21=s12，所以在4个元素的s参数矩阵中，实际只有3个独立项。
s11 称为反射系数，幅度的绝对值称为返回损耗（单位为db），s21 称为传输系数，幅度的绝对值称为插入损耗（单位为db）。
反射系数与返回损耗，传输系数与插入损耗，这个对应关系是相反的。
能量守恒定律对于s参数，也是遵守的，所以返回损耗和插入损耗有着千丝万缕的联系。
如果不考虑电磁辐射，耦合等损耗，那么互连的能量就等于反射能量与传输能量之和，公式表示为：
对于给定的返回损耗，插入损耗为：
举例，某处的互连阻抗为50Ω，有一处阻抗突变为60Ω或者70Ω，这种情况下的返回损耗为：
根据db = 10log (p1/p2)= 20 log (v1 / v2)(p代表功率，v代表电压)推出。
db表示时，返回损耗越小，负db值越大。列两个算式，是让大家有个直观印象。
插入损耗：
经验值：返回损耗不高于-20 db ，则相应的插入损耗将会非常小，几乎等于0 db。
这里面详细列举，也是想着大家算一算，之前的笔者对这个是有点一知半解。
讲到能量守恒，想到之前与网友有过交流，为什么现有很多资料把插入损耗看成总损耗？
如果说插入损耗是对由导体损耗和介质损耗所引起衰减的度量，也就是互连中热能的损耗，这个没问题。但不可以理解为总和，除了互连中热能量的损耗，还有辐射能量，耦合能量等。
现有的技术文档或者产品，为什么把插入损耗当做一个重要参考指标，甚至让人有总和的感觉，是因为其他损耗影响较小，也不好测量得出，被忽略不计。
3、耦合谐振
不同于lc振荡串并联电路电磁波辐射频率，即谐振频率：
耦合谐振除了传输线之间还有平面之间。平面之间的谐振是由于返回电流在返回平面之间的切换，会耦合到腔内，形成谐振耦合。
对于100 cm线长的传输线，介电常数取值为4，谐振最低频率为半波长。
平面耦合谐振的解决就是无外乎不要在不同返回平面之间切换信号，或者在每个信号过孔处增加返回地孔，以抑制谐振。
平面耦合谐振，关于这种现象，之前也做过相关的仿真
写到这，笔者有两个疑惑：
1.之前的消费类产品，有些高速信号选择包地，方式如下：
这个地孔之间的长度是有要求的？印象中是1/4波长。后来有去面试，面试官也提到过地孔打法的问题。
关于半波长或1/4波长的选择，不知道有哪位朋友能给讲讲。私聊。
2.考虑没有转换参考层的情况下，返回地孔的问题。
4、单端&混模s参数
前面我们所说的都是针对两个独立且相互耦合的传输线，两条互连之间串扰，近端串扰是s31和s42，远端串扰是s41和s32。近端和远端噪声会随着线间距、耦合长度及是带状线还是微带线的拓扑而不同。
当用一个差分对对两条相同的互连加以描述，当s参数用于描述互连的差分特性时，有很多种叫法，最常用为混模s参数。
单端转混模的公式：
采用混模s参数，存在的信号类型只包括差分信号和共模信号。实际工作中，使用字母d和c分别差分信号和共模信号。sdd用来表示差分信号输入、差分信号输出。scc用来表示共模信号输入、共模信号输出。顺序也是相反的。
关于混模s参数一些下标，想通上图就可以了。
阻抗的问题。假设单端阻抗是50Ω，差分信号是双端口驱动，以串联形式，差分信号阻抗是100Ω。共模信号驱动双端口，端口阻抗是并联方式，共模信号阻抗是25Ω。这个阻抗和之前的差分对基础知识一致。
差分通道性能的一个指标就是差分插入损耗。实际工作中，很多高速串行链路中，都会传输差分信号。s参数元素中，相位包含了差分信号的延时和散射信息，幅度包含了由于损耗和其他因素所引起的衰减信息。高速串行链路中，链路的任何不对称，都会引起模态转化，比如过孔，连接器，走线转换层等，都会使差分信号转成共模信号，造成电磁干扰。
消费类产品都会进行电磁辐射测试，所以一般会对其链路进行管控，增加cmc或者屏蔽双绞线等方式保证fcc认证。还有一个ul认证，负责安规方面的。
至于s参数其他的深入知识，后面再说。
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s参数最新应用于射频和微波领域，起源于频域的分析技术。s参数作为互连行为的通用基准，相关的原理和公式也应用于时域。这里的互连行为包含线性的和无源的。
s参数中的s，是单词scattering的简写，表示散射的意思。所以，s参数代表是一种行为模型，即互连如何与一个标准的入射波之间的相互作用。
在频率描述时，这个标准波形是正弦波。时域描述时，这个标准波形可以是阶跃或者冲激波形。
入射波散射回源端的波称为反射波，通过元器件散射出去的波形称为传输波。
关于入射波，反射波，传输波，端口比值等，可以参考下图：
时域反射计（tdr）测量时域的反射响应。矢量网络分析仪（vna） 测正弦波的反射响应和传输响应，这里的矢量是指正弦波的幅度和相位。
2、作用
s参数包含着大量的信息，这些信息描述了互连的一些特性，比如阻抗曲线、串扰大小和差分信号衰减。
使用仿真软件，对互连的行为进行搭建，拟合出基于电路拓扑的互连模型，如走线、连接器、过孔或整个背板模型。所有链路中的模型都可以用s参数来包含。
对于所有线性无源元件而言，散射波的频率和入射波的频率完全一样。正弦波唯一可以改变的两个属性就是散射波的幅度和相位。
为了区别每个s参数所涉及的端口组合，看下标值，第一个下标值对应输出端口，而第二个下标值对应输入端口。比如s21，代表从端口1进入并从端口2输出的正弦波的s参数，这和我们预想的相反，即s out in。
有时候，搞不懂有些厂商就喜欢不一样，非要随意指派，这就为下游厂商的仿真带来不必要的麻烦。
实际工作中，互连不是对称的，s11和s22就不相等。但对于所有线性无源元件而言，总有s21=s12，所以在4个元素的s参数矩阵中，实际只有3个独立项。
s11 称为反射系数，幅度的绝对值称为返回损耗（单位为db），s21 称为传输系数，幅度的绝对值称为插入损耗（单位为db）。
反射系数与返回损耗，传输系数与插入损耗，这个对应关系是相反的。
能量守恒定律对于s参数，也是遵守的，所以返回损耗和插入损耗有着千丝万缕的联系。
如果不考虑电磁辐射，耦合等损耗，那么互连的能量就等于反射能量与传输能量之和，公式表示为：
对于给定的返回损耗，插入损耗为：
举例，某处的互连阻抗为50Ω，有一处阻抗突变为60Ω或者70Ω，这种情况下的返回损耗为：
根据db = 10log (p1/p2)= 20 log (v1 / v2)(p代表功率，v代表电压)推出。
db表示时，返回损耗越小，负db值越大。列两个算式，是让大家有个直观印象。
插入损耗：
经验值：返回损耗不高于-20 db ，则相应的插入损耗将会非常小，几乎等于0 db。
这里面详细列举，也是想着大家算一算，之前的笔者对这个是有点一知半解。
讲到能量守恒，想到之前与网友有过交流，为什么现有很多资料把插入损耗看成总损耗？
如果说插入损耗是对由导体损耗和介质损耗所引起衰减的度量，也就是互连中热能的损耗，这个没问题。但不可以理解为总和，除了互连中热能量的损耗，还有辐射能量，耦合能量等。
现有的技术文档或者产品，为什么把插入损耗当做一个重要参考指标，甚至让人有总和的感觉，是因为其他损耗影响较小，也不好测量得出，被忽略不计。
3、耦合谐振
不同于lc振荡串并联电路电磁波辐射频率，即谐振频率：
耦合谐振除了传输线之间还有平面之间。平面之间的谐振是由于返回电流在返回平面之间的切换，会耦合到腔内，形成谐振耦合。
对于100 cm线长的传输线，介电常数取值为4，谐振最低频率为半波长。
平面耦合谐振的解决就是无外乎不要在不同返回平面之间切换信号，或者在每个信号过孔处增加返回地孔，以抑制谐振。
平面耦合谐振，关于这种现象，之前也做过相关的仿真
写到这，笔者有两个疑惑：
1.之前的消费类产品，有些高速信号选择包地，方式如下：
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当用一个差分对对两条相同的互连加以描述，当s参数用于描述互连的差分特性时，有很多种叫法，最常用为混模s参数。
单端转混模的公式：
采用混模s参数，存在的信号类型只包括差分信号和共模信号。实际工作中，使用字母d和c分别差分信号和共模信号。sdd用来表示差分信号输入、差分信号输出。scc用来表示共模信号输入、共模信号输出。顺序也是相反的。
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阻抗的问题。假设单端阻抗是50Ω，差分信号是双端口驱动，以串联形式，差分信号阻抗是100Ω。共模信号驱动双端口，端口阻抗是并联方式，共模信号阻抗是25Ω。这个阻抗和之前的差分对基础知识一致。
差分通道性能的一个指标就是差分插入损耗。实际工作中，很多高速串行链路中，都会传输差分信号。s参数元素中，相位包含了差分信号的延时和散射信息，幅度包含了由于损耗和其他因素所引起的衰减信息。高速串行链路中，链路的任何不对称，都会引起模态转化，比如过孔，连接器，走线转换层等，都会使差分信号转成共模信号，造成电磁干扰。
消费类产品都会进行电磁辐射测试，所以一般会对其链路进行管控，增加cmc或者屏蔽双绞线等方式保证fcc认证。还有一个ul认证，负责安规方面的。
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