关于S参数的一些见解

图10   混合模式S参数测量

    单端四端口S参数和混合模式S参数之间是可以相互转换的，如图11所示。因此通过测量单端四端口的S参数来推导出混合模式的S参数。

图11  单端四端口S参数和混合模式S参数之间的转换

混合模式S参数矩阵四个象限中包含了四种类型的混合模式S参数。第一象限以Scc开头的表示共模S参数，第四象限以Sdd开头的表示差模S参数。 其它两象限的Sdc表示差模向共模的转换，Scd分别共模向差模的转换。如果这两根线有很好的对称性,Sdc和Scd为零,表示差模和共模是完全独立的。 Sdd21表示差分端口1到差分端口2的差模增益，其它符号的含义类推。 

用混合模式S参数表示两端口差分系统的输出和输入之间的关系式如下：bd1表示1端口的差分输出，ad1表示1端口的差分输入。

5，S参数的测量方法
    S参数的测量方法有两种，一种是基于扫频测量的原理（VNA）,另外一种是基于快沿阶跃响应的原理（TDR）。
     图12是VNA的原理框图，主要包括以下部分: （1）激励信号源：提供感兴趣的频率范围内的入射信号；（2）信号分离装置：含功分器和定向耦合器，分离出入射，反射和传输信号；（3）接收机：对被测件的入射，反射和传输信号进行测试；（4）处理显示单元：对测试结果进行处理和显示。

图12  VNA的原理框图

     VNA的测量过程中会产生六大系统误差：（1）与信号泄露相关的方向误差;(2)与信号泄露相关的串扰误差; (3)与反射相关的源失配;（4）与反射相关的负载阻抗失配; (5)由测试接收机内部的反射引起的频率响应误差; (6)由测试接收机内部的传输跟踪引起的频率响应误差。 因此在使用前需要进行严格的校准。正确的校准是使用VNA的一个难点。 VNA测量出来的S参数是否有错误并不能通过VNA直接能检查出来，只有导入仿真软件仿真出结果发现有问题时可能会怀疑是S参数测量有问题,再返回来检查VNA校准VNA测量时的操作有没有错误。
理论上来说,任何信号在时域和频域上是一一对应的，而且是可以相互转换的。这为基于阶跃响应的时域TDR/TDT方法测量S参数提供了可能。图13表示采用TDR/TDT方法测量S21，S12的原理。ST-20是采样示波器件的TDR模块,可以产生ps级的快沿并可作为20GHz带宽的采样头。假设Channe2为端口1，Channle3为端口2，Channel 1产生快沿信号作为入射波经过PCB走线后由Channel3接收该信号。入射的快沿信号和采样到的信号都可经过FFT变换分解成从一定频率范围的信号，经过计算得到频域的S参数。

图13  基于TDR/TDT方法测量S参数

其实在谈到VNA和TDR两种方法测量S参数的区别时，我们会自然联系到示波器的前端频率响应曲线的测量方法。 可以通过传统的扫频描点的方法（调节正弦波信号源的频率，然后分别测量不同频率时示波器测量到的峰峰值）来测量频响曲线，但也可以通过快沿信号输入到示波器,对采样到的快沿信号做FFT的方法来快速简便地测量频响曲线。 这两种方法测量示波器频响曲线的原理上的区别和测量S参数的两种方法的区别是一个道理。

近些年来三个仪器厂商基于TDR原理测量S参数的实践证明了两种测量方法在频率不是特别高的时候符合度非常高，如图14所示为两种方法测量的S参数的结果对比。但基于TDR的方法存在有动态范围不太高的缺点。基于TDR测量S参数源于TDR的原理，但通过专利算法在提高动态范围上获得突破，而且在一键操作实现自动化校准方面的创新，具备时域分析能力和S参数文件可以直接被SI仿真软件调用等特点。

图14  VNA和TDR方法测量的S参数一致性很好