【原】S参数简述及实战解读

S参数究竟是什么？

S参数，也就是散射参数，S代表了Scatter, 直接翻译是“分散”的意思，在电路中代表频域特性观察，与Z参数（Impedance parameter）一样（还有Y参数，代表阻抗的倒数1/Z），属于多端口网络系统的参数.是微波传输中的一个重要参数。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

S参数被大量应用于高速电路和高频电路设计和仿真中，对于越来越高速的电子产品，以及不仅仅是信号完整性和电源完整性工程师需要了解S参数，对于电子工程师、测试工程师和EMC工程师等等都需要了解， 如果看不懂S参数曲线，那就无从分析频域信号，很显然在高频的时候参数变化也无从说起，今天一起探讨下S参数，首先高频S参数包括以下项目：Impedance,Intra-Pair skew,Inter-Pair skew,Attenuation(Insertion Loss),Return Loss,Eye Diagram,EMI,ESD等等 ,传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻,传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示 ,如果和我一样在学校是电子专业应该非常清楚这些参数的相互影响，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的,分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性, 一个传输线的微分线段可以用等效电路描述,在实际的生产管理中，其实没必要将过程和算法进行细分和核算，最重要的是如何读懂参数之间的影响和参数不良的原因即可，更深的分析让专家型或者学者型的工程研发去干就可以，当然有兴趣可以更多的去研读分析.

序号	常用讯号传输名称	简称	全称对照表
1	回路損失	RL	Return Loss
2	衰    減	IL(ATT)	Insertion  loss(Attenuation)
3	特性阻抗	Z0	Differential  impedance
4	传输延迟	Delay	Propagation Delay
5	延迟偏离	Skew	Delay Skew
6	近端串扰	Next	Next Nearend  crosstalk
7	远端串扰	Fext	Far end  crosstalk
8	近端串扰衰减比	Acr	Attenuation-to-Crosstalk  Ratio
9	上升时间	Rise time	Rise time
10	单端转共模测试	SCD21	NA SCD21 Diff To Comm  Convert
11	近端的连接器阻抗	TDR Connector IMPZ	TDR Connector IMPZ
12	远端的连接器阻抗	TDR FE Connector IMPZ	TDR FE Connector IMPZ
13	对内延迟差异	TDR IntraPairSkew	TDR IntraPairSkew
14	远端串音	TDT NEXT B	TDT NEXT B

目前常规线缆的电气性能测试项目

序号	测试项目	测试项目对应中文名称
1	USB3.0  Cable Impedance summary result	USB3.0线对特性阻抗
2	USB3.0  Mated Connectors Impedance(B-4-4)summary result	USB3.0线对的连接头Connecter阻抗
3	USB3.0  Mated Connectors Impedance(B-4-4)summary result（Reverse)	USB3.0线对的连接头Connecter阻抗（Reverse)
4	USB2.0  Cable Impedance summary result	USB2.0线对特性阻抗
5	USB2.0  High Speed Delay summary result	USB2.0线对延迟
6	USB2.0  High Speed Delay Skew summary result	USB2.0线对延迟差异
7	USB3.0  NEXT-SS Pairs summary result	USB3.0线对之间的近端串音
			8	USB3.0  NEXT-USB2.0 and SS Pairs summary result	USB3.0与USB2.0线对之间的近端串音
9	USB3.0  FEXT-USB2.0 and SS Pairs summary result	USB3.0与USB2.0线对之间的远端串音
10	USB3.0  NA Insertion Loss summary result	3.0线对插入损耗
11	USB3.0  NA Differential to Common Conversion	差分转共模
12	USB2.0  NA Insertion Loss summary result	USB2.0线对插入损耗

目前线缆的主要电气性能测试项目

S11 表示在port 1 的反射损耗(return loss)，值越接近0 越好(越低越好，一般-25~-40dB)，表示传输路径中反射(reflection)越小，也称为输入反射系数(Input Reflection Coefficient)，如S11为-25dB，则算出来的Vreflection约为输入信号的6.3%，如S11为-10dB，则Vreflection约为输入信号的30%.

S21 表示信号从port 1 传递到port 2 过程中的插入损耗(insertion loss)，值越接近1 越好(0dB)，表示传递过程损失(loss)越小，S21=-3dB意味着，约70%的输入信号传递到了输出端.

我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端口， Port2作为信号的输出端口，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），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，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。

S11和S21是最常使用的两个参数，除此之外，还有S22和S12，定义如下：

S22是从port2看过去的return loss，跟S11意思一样，只是换了端口，S12表示从Port2看过去的insertion loss，跟S21相等.

写到这，似乎已经差不多了，然而还有我们不常提及的S31，S41.

S31和S41表示的是，两条传输线发生串扰时的反射系数.

S31表示近端串扰（NEXT，near end cross talk），S41表示远端串扰（FEXT, far end cross talk）。

串音的产生原理

S31和S41之所以不常被提及，主要是因为通常单端信号之间，要求尽量减小串扰，在符合设计规范的板子上，S31和S41对于信号质量影响不大，而对于差分信号，则又有差分信号的S参数来描述，把1,3两个端口，看做是差分port1，把2,4两个端口，看做是差分port2.

串音的产生原理

SDD，表示差分模式的输入（Stimulus）和反馈（Response）之间的关系.

SCC，表示共模模式的输入和反馈之间的关系.

SCD，表示差分讯号和共模输出的反馈之间的关系.

SDC，表示共模讯号和差分输出之间的响应关系.

如上图所示，SDD11的意思是，差分激励在差分端口port1处的差分信号reflection loss。

SDC21的意思是，差分激励在差分端口port1处看到的共模信号的inserssion loss.

传统的网络分析仪最多只能有4个端口，所以测试得到的S参数也只能是4端口的，也就是最多一次只能测试一对差分对（不过现在有多端口网络分析仪PXI可以解决多端口网络的测试），对于高速电路仿真而言，如果需要考虑传输线之间的串扰，传统网络分析仪测试得到的S参数就不能直接使用，但是可以通过工具进一步的合成处理，这样就能考虑到串扰的影响啦，但是在实际测量中，如果手头的ENA网络分析仪只有两个物理端口，怎么测量差分对(4个物理端口)的S参数呢？ 

实际上可以通过测量这四个端口两两之间的S参数，然后计算得出，如：

物理意义上如何理解S参数的本质呢？

打一个比方：假设流速极快的水流过了两个连接在一起但直径不一样的水管，在这两个水管的交界处会产生什么现象？ 一部分水会从一个水管流到另外一个水管，还有一部分水会反射回来，但如果水的流速很慢，所有的水都会从一个水管全部流到另外一个水管，没有水反射回来的， 我们很容易理解这个现象， 那么，我们将水管换成电阻，电阻两端连接的是导线，当电信号从导线流经电阻时会发生什么现象？ 答案是：当电信号的速率很低或直流信号时，所有的电信号能量除了转换为热能消耗掉，其余的都会流出电阻,输入电流等于输出电流，也就是说可以应用我们在大学里学习到的基尔霍夫电压和电流定律， 但如果电信号的速率很高，“电阻”就不是我们过去意义上理解的电阻了，电阻会表现出射频特性，流过电阻的电信号一部分会被反射回来，而且反射回来信号的相位不一定是和入射的信号完全反相，是一个矢量.

当我们将电阻作为一个“黑箱子”，来描述电阻的特征时，该怎么描述？ S参数即是一种描述电阻在表现为射频特性的高频信号激励下的电气行为的工具，而且它的描述的方法是以电阻对入射信号作出“反应”即“散射”后，从电阻“外部”“散射”出的可测量的物理量来实现的，测量到的物理量的大小反应出不同特性的电阻会对相同的输入信号“散射”的程度不一样，这种不一样的散射程度就可以用来描述电阻的特性，而且这种表达方法已成为作为一种非常有用的电气模型, 这些物理量被称为入射电压，反射电压，传输电压等等。 不只是电阻会表现这种特性，很多无源器件如电缆，连接器，PCB走线等传输介质都会表现出这种特性，因此都可以用S参数来表征，具体可以参照本文：高频传输线于生产应用分析基础

常见的S参数实战解读（参考SAS信号传输通道PCB仿真实例分享）

回波损耗SDD11：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的回波损耗为-9.268dB。

插入损耗SDD21：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的插入损耗为-7.032dB。

回波损耗SDD11

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的回波损耗为-7.132dB。

插入损耗SDD21：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的插入损耗为-3.284dB。

回波损耗SDD11：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的回波损耗为-32.982dB。

插入损耗SDD21：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的插入损耗为-6.720dB。

回波损耗SDD11：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的回波损耗为-9.405dB。

插入损耗SDD21：

波形说明：信号传输速率为6Gbps，对应的基波频率为3GHz，由上图S参数曲线可以看出，在信号的基波频率处，信道的插入损耗为-2.001dB。

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