关于S参数的一些见解

是在较远的一端耦合到的信号。示波器指标中有一项通道隔离度其实就是串扰的一种表现。

图7 串扰的含义 

  
2.2，S参数图
S参数图可以更加直观地理解S参数的物理意义。S参数图的横坐标表示频率的大小，纵坐标表示幅度或相位的"散射"程度，图8的左图表示S11和S21的幅值S参数图，右图表示S12和S22的幅值S参数图。 S21和S12表示的二端口网络在不同频率正弦信号作用下的增益，整体上呈现低通特性，随着频率的增加，能量衰减越大，传输到另外一端的能量就越小，这其实和示波器前端放大器的频响曲线的含义是一样的。 对于频率越高的信号，经过相同的PCB或电缆之后的幅值衰减得越快。 所谓去加重和预加重就是针对传输网络的这种特性补偿高频衰减的一种解决办法。 S11和S22则恰恰相反，随着频率的升高，反射回来的能量就越大。

图8 S参数图

2.3、TouchStone文件
TouchStone文件是一种被用于各种仿真软件的标准格式的文件，仿真软件中调用此文件来代表一个器件或电路。 TouchStone文件名都是以.snp为后缀名。n表示端口数。.s2p即表示一个2端口网络。 s4p表示4端口网络。图9是一个二端口网络的TouchStone文件的实例。该文件是一个纯文本文件，可直接用记事本打开。 二端口网络的S参数总共有9列，按频率，幅值S11,相位S11，幅值S21，相位S21，幅值S12，相位S12，幅值S22，相位S22的次序排列。 频率按由小到大的从上往下排列，中间的间隔没有严格规定，但必须按从小到大的顺序。 值得注意的一点是，用VNA测量得到的TouchStone文件中，没有DC点，即没有0频率，是不能直接被仿真软件调用的，需要进行编辑，补充0频率及相应的S参数数值。该实例中，第一行中的dB表示复数的表达形式，这里的dB表示幅值单位是dB，相位单位是角度。文件中的这个位置上如果显示是MA，则表示幅度和相位都用实际的数值表示。 R50表示匹配的参考电阻是50欧姆。

图9 二端口网络TouchStone文件实例

3, 直接用于仿真的S参数的特性
不是任何S参数文件都可以直接用于仿真软件。可直接用于仿真软件的S参数需要具备以下特点：1，遵循三大S参数特性原则:无源性（Passivity），互易性（Passivity），因果性（Causality）。VNA产生的S参数由于不遵循这三个特性的原则,需要另外的软件来做这三个原则的检查验证之后才能用于仿真。 2，有DC点。 VNA产生的S参数不带有DC点,需要另外的方法测量出DC时的S参数值。 3，对于差分信号系统,需要混合模式S参数。VNA不能直接产生混合模式S参数。 4，S参数以touchstone文件格式保存。

· 无源性（Passivity）
  对于一个无损网络，S矩阵是一个单位矩阵，因此，对于二端口网络存在下面的关系式：
 

  由于没有损耗，所有散射的总量应是100%。当S21（S11）大的时候，S11（S21）就会小一些，这从前面的S参数曲线可以看出来。
  对于无源的二端口网络，因此，一个无源器件的S参数不会大于1（0dB）。VNA测量的S参数结果如果没有经过软件进行无源性验证，其S参数值会出现出现大于0dB的情形，不能直接用于仿真软件。
  

表示为功率散射比，这个值越小,说明损耗越大。 

   · 互易性（Passivity）
如果一个器件是可交换方向使用，而不是单相的如隔离器、环行器，S矩针是对称的，因此，Sij=Sji。

   · 因果性（Causality）
    所谓因果性就是先有激励才有输出。对于无源系统S参数，由于信号的传输一定会产生一定的延时，因此无源系统的S参数应该是符合因果性原理的，但实际测得的S参数往往会由于种种原因产生一定的非因果性。很多信号完整性仿真软件需要符合因果性特征的S参数，否则仿真时可能会产生发散现象，导致不正确的仿真结果。

4，混合模式的S参数
    差分传输系统早已成为高速信号系统传输的主流。如果差分传输线的距离很近，差分线之间能很好的耦合，差分信号完全对称,任何引入的噪声对两条差分传输线的的影响是相同的,那么在芯片的接收端,由于减法运算，引入的共模噪声就被消除了。然而，实际的差分系统并不是完美的,构成差分信号的两个单端信号本身的不平衡，两个通道的长度不相等,耦合不紧密等都会导致能量由差模向共模转换。由于实际的差分信号总是由差模信号和共模信号组成（ ）,单端的四端口S参数矩阵并不能提供关于差模和共模匹配和传输的有洞察力的信息。因此，1995年提出的混合模式S参数成为评价差分传输系统的重要工具。
笔者常说,各种各样的串行数据标准描述的都是关于"两根线"的故事。如果不是用来传输差分信号，这"两根线"组成的是一个单端四端口的网络，单端四端口S参数矩阵描述了每个端口受到激励分别有什么样的响应。如果是用来传输差分信号，这个单端四端口网络就可以理解为了一个差分二端口网络，如图10所示，混合模式S参数从物理意义上理解正是描述了成对的两根线对两个信号之和（共模）和两个信号之差（差模）的分别有什么样的响应。