微波系统中的S参数讲解
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2019-05-16
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什么是S参数？
微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究
能量如何有效地传输。微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需
要一种简化的分析方法。 微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分
布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，
从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。微波网络理论在低频网
络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。 一般地，对于一个网络
有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主
要用于集总电路，Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波
系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。
因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、
反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。 S参数就
是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从
该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。 同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能
对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反
映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分
析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。
下面以二端口网络为例说明各个 S 参数的含义，如图所示。二端口网络有四个 S 参数，Sij 代表的意
思是能量从 j 口注入，在 i 口测得的能量，如 S11 定义为从 Port1 口反射的能量与输入能量比值的平
方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，各参数的物理含义和特殊网络的特性如
下： S11：端口 2 匹配时，端口 1 的反射系数 S22：端口 1 匹配时，端口 2 的反射系数 S12：端口
1 匹配时，端口 2 到端口 1 的反向传输系数 S21：端口 2 匹配时，端口 1 到端口 2 的正向传输系数 对
于互易网络，有：S12＝S21 对于对称网络，有：S11＝S22 对于无耗网络，有：（S11）2＋（S12）
2＝1 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
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