S參數簡述及實戰解讀

S參數，也就是散射參數，S代表了Scatter, 直接翻譯是「分散」的意思，在電路中代表頻域特性觀察，與Z參數（Impedance parameter）一樣（還有Y參數，代表阻抗的倒數1/Z），屬於多埠網絡系統的參數.是微波傳輸中的一個重要參數。S12為反向傳輸係數，也就是隔離。S21為正向傳輸係數，也就是增益。S11為輸入反射係數，也就是輸入回波損耗，S22為輸出反射係數，也就是輸出回波損耗

S參數被大量應用於高速電路和高頻電路設計和仿真中，對于越來越高速的電子產品，以及不僅僅是信號完整性和電源完整性工程師需要了解S參數，對於電子工程師、測試工程師和EMC工程師等等都需要了解， 如果看不懂S參數曲線，那就無從分析頻域信號，很顯然在高頻的時候參數變化也無從說起，今天一起探討下S參數，首先高頻S參數包括以下項目：Impedance,Intra-Pair skew,Inter-Pair skew,Attenuation(Insertion Loss),Return Loss,Eye Diagram,EMI,ESD等等 ,傳輸線是一個分布參數系統，它的每一段都具有分布電容、電感和電阻,傳輸線的分布參數通常用單位長度的電感L和單位長度的電容C以及單位長度上的電阻、電導來表示 ,如果和我一樣在學校是電子專業應該非常清楚這些參數的相互影響，它們主要由傳輸線的幾何結構和絕緣介質的特性所決定的,分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數，給定某一種傳輸線，這些參數的值也就確定了，這些參數反映著傳輸線的內在因素，它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性, 一個傳輸線的微分線段可以用等效電路描述,在實際的生產管理中，其實沒必要將過程和算法進行細分和核算，最重要的是如何讀懂參數之間的影響和參數不良的原因即可，更深的分析讓專家型或者學者型的工程研發去幹就可以，當然有興趣可以更多的去研讀分析.序號常用訊號傳輸名稱簡稱全稱對照表1迴路損失RLReturn Loss2衰    減IL(ATT)Insertion  loss(Attenuation)3特性阻抗 Z0Differential  impedance4傳輸延遲DelayPropagation Delay5延遲偏離SkewDelay Skew6近端串擾NextNext Nearend  crosstalk 7遠端串擾FextFar end  crosstalk 8近端串擾衰減比AcrAttenuation-to-Crosstalk  Ratio9上升時間  Rise timeRise time  10單端轉共模測試SCD21 NA SCD21 Diff To Comm  Convert11近端的連接器阻抗TDR Connector IMPZTDR Connector IMPZ12遠端的連接器阻抗TDR FE Connector IMPZTDR FE Connector IMPZ13對內延遲差異TDR IntraPairSkewTDR IntraPairSkew14遠端串音TDT NEXT BTDT NEXT B

目前常規線纜的電氣性能測試項目

序號測試項目測試項目對應中文名稱1USB3.0  Cable Impedance summary resultUSB3.0線對特性阻抗2USB3.0  Mated Connectors Impedance(B-4-4)summary resultUSB3.0線對的連接頭Connecter阻抗3USB3.0  Mated Connectors Impedance(B-4-4)summary result（Reverse)USB3.0線對的連接頭Connecter阻抗（Reverse)4USB2.0  Cable Impedance summary resultUSB2.0線對特性阻抗5USB2.0  High Speed Delay summary resultUSB2.0線對延遲6USB2.0  High Speed Delay Skew summary resultUSB2.0線對延遲差異7USB3.0  NEXT-SS Pairs summary resultUSB3.0線對之間的近端串音8USB3.0  NEXT-USB2.0 and SS Pairs summary resultUSB3.0與USB2.0線對之間的近端串音9USB3.0  FEXT-USB2.0 and SS Pairs summary resultUSB3.0與USB2.0線對之間的遠端串音10USB3.0  NA Insertion Loss summary result3.0線對插入損耗11USB3.0  NA Differential to Common Conversion差分轉共模12USB2.0  NA Insertion Loss summary resultUSB2.0線對插入損耗

目前線纜的主要電氣性能測試項目

S11 表示在port 1 的反射損耗(return loss)，值越接近0 越好(越低越好，一般-25~-40dB)，表示傳輸路徑中反射(reflection)越小，也稱為輸入反射係數(Input Reflection Coefficient)，如S11為-25dB，則算出來的Vreflection約為輸入信號的6.3%，如S11為-10dB，則Vreflection約為輸入信號的30%.

S21 表示信號從port 1 傳遞到port 2 過程中的插入損耗(insertion loss)，值越接近1 越好(0dB)，表示傳遞過程損失(loss)越小，S21=-3dB意味著，約70%的輸入信號傳遞到了輸出端.

我們經常用到的單根傳輸線，或一個過孔，就可以等效成一個二埠網絡，一端接輸入信號，另一端接輸出信號，如果以Port1作為信號的輸入埠， Port2作為信號的輸出埠，那麼S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個值越小越好，一般建議S11< 0.1，即－20dB；S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸到目的端（Port2）了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸的效率越高，一般建議S21>0.7，即－3dB。

S11和S21是最常使用的兩個參數，除此之外，還有S22和S12，定義如下：

S22是從port2看過去的return loss，跟S11意思一樣，只是換了埠，S12表示從Port2看過去的insertion loss，跟S21相等.

寫到這，似乎已經差不多了，然而還有我們不常提及的S31，S41.

S31和S41表示的是，兩條傳輸線發生串擾時的反射係數.

S31表示近端串擾（NEXT，near end cross talk），S41表示遠端串擾（FEXT, far end cross talk）。

串音的產生原理

S31和S41之所以不常被提及，主要是因為通常單端信號之間，要求儘量減小串擾，在符合設計規範的板子上，S31和S41對於信號質量影響不大，而對於差分信號，則又有差分信號的S參數來描述，把1,3兩個埠，看做是差分port1，把2,4兩個埠，看做是差分port2.

串音的產生原理

SDD，表示差分模式的輸入（Stimulus）和反饋（Response）之間的關係.

SCC，表示共模模式的輸入和反饋之間的關係.

SCD，表示差分訊號和共模輸出的反饋之間的關係.

SDC，表示共模訊號和差分輸出之間的響應關係.

如上圖所示，SDD11的意思是，差分激勵在差分埠port1處的差分信號reflection loss。

SDC21的意思是，差分激勵在差分埠port1處看到的共模信號的inserssion loss.

傳統的網絡分析儀最多只能有4個埠，所以測試得到的S參數也只能是4埠的，也就是最多一次只能測試一對差分對（不過現在有多埠網絡分析儀PXI可以解決多埠網絡的測試），對於高速電路仿真而言，如果需要考慮傳輸線之間的串擾，傳統網絡分析儀測試得到的S參數就不能直接使用，但是可以通過工具進一步的合成處理，這樣就能考慮到串擾的影響啦，但是在實際測量中，如果手頭的ENA網絡分析儀只有兩個物理埠，怎麼測量差分對(4個物理埠)的S參數呢？ 

實際上可以通過測量這四個埠兩兩之間的S參數，然後計算得出，如：

物理意義上如何理解S參數的本質呢？

打一個比方：假設流速極快的水流過了兩個連接在一起但直徑不一樣的水管，在這兩個水管的交界處會產生什麼現象？ 一部分水會從一個水管流到另外一個水管，還有一部分水會反射回來，但如果水的流速很慢，所有的水都會從一個水管全部流到另外一個水管，沒有水反射回來的， 我們很容易理解這個現象， 那麼，我們將水管換成電阻，電阻兩端連接的是導線，當電信號從導線流經電阻時會發生什麼現象？ 答案是：當電信號的速率很低或直流信號時，所有的電信號能量除了轉換為熱能消耗掉，其餘的都會流出電阻,輸入電流等於輸出電流，也就是說可以應用我們在大學裡學習到的基爾霍夫電壓和電流定律， 但如果電信號的速率很高，「電阻」就不是我們過去意義上理解的電阻了，電阻會表現出射頻特性，流過電阻的電信號一部分會被反射回來，而且反射回來信號的相位不一定是和入射的信號完全反相，是一個矢量.

當我們將電阻作為一個「黑箱子」，來描述電阻的特徵時，該怎麼描述？ S參數即是一種描述電阻在表現為射頻特性的高頻信號激勵下的電氣行為的工具，而且它的描述的方法是以電阻對入射信號作出「反應」即「散射」後，從電阻「外部」「散射」出的可測量的物理量來實現的，測量到的物理量的大小反應出不同特性的電阻會對相同的輸入信號「散射」的程度不一樣，這種不一樣的散射程度就可以用來描述電阻的特性，而且這種表達方法已成為作為一種非常有用的電氣模型, 這些物理量被稱為入射電壓，反射電壓，傳輸電壓等等。 不只是電阻會表現這種特性，很多無源器件如電纜，連接器，PCB走線等傳輸介質都會表現出這種特性，因此都可以用S參數來表徵，具體可以參照本文：高頻傳輸線於生產應用分析基礎

常見的S參數實戰解讀（參考SAS信號傳輸通道PCB仿真實例分享）

回波損耗SDD11：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的回波損耗為-9.268dB。

插入損耗SDD21：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的插入損耗為-7.032dB。

回波損耗SDD11

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的回波損耗為-7.132dB。

插入損耗SDD21：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的插入損耗為-3.284dB。

回波損耗SDD11：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的回波損耗為-32.982dB。

插入損耗SDD21：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的插入損耗為-6.720dB。

回波損耗SDD11：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的回波損耗為-9.405dB。

插入損耗SDD21：

波形說明：信號傳輸速率為6Gbps，對應的基波頻率為3GHz，由上圖S參數曲線可以看出，在信號的基波頻率處，信道的插入損耗為-2.001dB。

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