ADS S参数仿真介绍

1．S参数的概念
在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略（通常小于波长的1/10），这种情况下的电路被称为节点（Lump）电路，此时可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。

但是在高频/微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再被视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基本的电路理论不再适用，而 必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉使电压和电流失去了一致性，电压电流比为稳定状态的固有特性也 不再适用，取而代之的是“分布参数”的特性阻抗观念，此时的电路以电磁波传送与反射为基础要素，即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。

分布参数电路采用场分析法，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，用电路的分析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，将“场”的问题转化为 “路”的问题来解决。

一般地，对于一个有Y、Z和S参数的网络是可以实际测量和分析的，其中Y称为导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数。Z和Y参数对于集总参数电路分析 非常有效，各参数可以很方便地测试。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中也存在实际困难，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。与直接测量入射波、反射波及传输波概念更加一致的是散射参数，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 网络的阻抗和导纳参数一样，用散射参数也能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳参数反映了端口的总电压和电流的关系，而散射参数是反映端口的入射电压 波和反射电压波的关系。散射参数可以直接用网络分析仪测量得到，而且可以用网络分析法来计算。
下面以二端口网络为例说明S参数的含义，如图6-1所示。

二端口网络有4个S参数，S_ij表示能量从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所述。

● 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S₁₂＝S₂₁；对于对称网络S₁₁＝S₂₂；对于无耗网络(S₁₁)² +(S₂₂)²=1
通常可以将单根传输线或一个过孔等效成一个二端口网络。一端Port₁接输入信号，另一端Port₂接输出信号，那么S₁₁表示回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port₁），该值越小越好，一般建议S₁₁<0.1，即20dB；S₂₁表示插入损耗，即有多少能量被传输到目的端（Port₂），该值越大表示传输的效率越高，理想值是1，即0dB。一般建议S₂₁>0.7，即3dB。如果网络是无耗的，那么只要Port₁上的S₁₁很小就可以使S21>0.7的要求得到满足，但通常传输线是有耗的，尤其频率在GHz以上时，损耗很显著，即使在Port1上没有反射，经过长距离的传输线后，S21的值也会变得很小，说明能量在传输过程中受到消耗。

2．S参数在电路仿真中的应用
S参数自问世以来，已在电路仿真中得到广泛使用。针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都许诺具有用S参数进行仿真的能力，这其中包括安捷伦公司的ADS（Advanced Design System）。

ADS仿真器中都可以找到S参数模块，用户可以对每个S参数进行设置完成相应的仿真。同时，用户也可以通过网络分析仪对要生产的PCB进行精确的S参数测 量。用户还可以采用元器件厂家提供的S参数进行仿真，据安捷伦EDA部门的一位应用工程师在文章中介绍：“这些数据通常是在与最终应用环境不同的环境中测 得的。这可能在仿真中引入误差”。他举例，当电容器安装在不同类型的PCB时，电容器会因为安装焊盘和电路板材料（如厚度、介电常数等）而存在不同的谐振 频率。固态器件也会遇到类似问题（如 LNA 应用中的晶体管）。为避免这些问题，最好在实验室中测量S参数。但无论如何，为了进行射频系统仿真，无法回避使用S参数模型，无论这些数据是来自设计师的 亲自测量，还是直接从元器件厂家获得，这是由高频电子电路的特性所决定的。

S参数仿真的主要功能包括以下5个方面。
● 获得器件或电路的S参数，并可以将该参数转换成Y参数或Z参数
● 仿真群延时
● 仿真线性噪声
● 分析频率改变对小信号的影响
● 仿真混频器电路的S参数