一篇文章了解S参数
在EDA仿真结果中，S参数是一个经常被提及的结果，关于S参数详细内容，其实不管是网上还是教科书都有较规范的介绍，但是大多数并不适用没有EDA背景的读者。
本文就S参数的相关应用背景，具体内容做一下介绍，主要针对没有任何EDA行业背景的朋友，EDA工程师可忽略。
S意为Scatter/Scattering，字面意思为散射。S参数也就是散射参数。
1.S参数计算方法
2.差分线和多端口
3.S参数文件
1.S参数计算方法：
一般书上用电压，电流来描述信号，为了方便理解，这里用能量来描述。
如下图微带线，假设有100单位能量进入端口1，然后从端口2出来。在传输过程中种种原因，能量并不能全部到达端口2，部分会反射。
情形1：假设有5单位能量反射。
则S参数计算如下：
S11 = 5/100=0.05
S12 = 95/100 = 0.95
S11表示反射比例，学名回波损耗(Return Loss)，简写RL
S12表示传送到比例，学名插入损耗(Insertion Loss)，简写IL
对于对称网络 ： S11=S22
S22 = 5/100 = 0.05
S21 = 95/100 = 0.95
情形2：如果反射值为0.01，则
S11=0.01/100=0.0001
S12-99.99/100=0.9999
因为这种计算数据跨度较大，通常习惯取20*log10(S11)，其中log10表示取以10为底的对数，也就是log10(10)=1，单位dB
上述情形1：
S11=20*log10(0.05)=-26.021dB
S12=20*log10(0.95)=-0.4455dB
上述情形2：
S11=20*log10(0.0001)=-80dB
S12=20*log10(0.9999)=-8.68e-3dB
几组dB值对应百分比
至此计算出的是一个频点的S参数值。我们通常要考虑频率范围内的S参数，比如从1GHz-10GHz。方法是采样取一定频率值，然后计算出每个频率的S参数，再进行插值；采样越多，精度越高，但计算量越大。
比如针对情形1，我们从1G到10G取10个频率，分别计算S参数
如下表
基于上表我们就可以画出S11参数图了，如下：
通常S参数是有连续性的曲线，在折线的基础上要再进行插值，插值拟合后的S11参数图类似如下图：
类似的，S12也可以画出。
采样计算S参数的操作也叫扫频操作
(Frequency Sweep)。
采样除了平均采样外，根据求解频率特点还有基于AWE
(Asymptotic Waveform Evaluation)和
ALPS(Adaptive Lanczos-Pade Sweep)
的快速扫频以及基于二分法的插值扫频。
2.差分线和多端口
通常两根传输线如果间隔太近，互相会造成干扰，用两条平行的，等长的走线传输相位差180°的同一信号。即一根线传输正信号，一根线传输负信号。正信号减去负信号，得到2倍强度的有用信号。而两根线路上的干扰信号是一样的，相减之后干扰信号就没了。这是差分线。
一个差分对包括两条信号线四个端口，S参数包括：
S11 S12 S13 S14
S21 S22 S23 S24
S31 S32 S33 S34
S41 S42 S43 S44
可以看出4端口可以构成一个4*4的矩阵数据。
进一步推广可以得知：N端口的数据可以构成一个N*N的矩阵数据。
差分线的S参数涉及到近端串扰，远端串扰，差模，共模等处理，在信号完整性中是个单独的话题，作为S参数基础入门这里就不展开。
3.S参数文件
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。
*.snp文件是一个纯文本文件，可直接用记事本打开。
如下s2p文件为例
第一行中的
1.HZ表示频率的单位，可以是如下值：
HZ，MHZ，KHZ，GHZ
2.S表示参数类型，可以是如下值：
S--散射参数
Y--导纳参数
Z--阻抗参数
H/G--混合参数
以上参数可以相互转换
3. RI，可以是如下数值
DB--角度
MA--幅度-角度
RI--实部-虚部
4.R 端口阻抗
R50表示匹配的参考电阻是50欧姆。
上例中，2端口网络的S参数总共有 1 2*2*2 = 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排列。
4端口网络的S参数总共有 1 4*4*2 = 33 列
以上对S参数做了简要介绍，实际工程中可以通过S参数，结合眼图，Smith圆图等工具，得到更多的电路特性，指导设计。
文中所有标红的字是跟S参数以及信号完整性相关的内容，有兴趣的朋友可以自行查阅。
