信號(hào)是傳輸能量的，能量是守恒的，信號(hào)反射的能量和信號(hào)入射的能量就是傳輸能量之和，，用電壓幅值進(jìn)行表示，也就是說返回?fù)p耗和插入損耗之和等于1，S參數(shù)的幅值是在0~1之間，相關(guān)公式如下：

返回?fù)p耗不高于-20 dB，也就是信號(hào)反射能量為0.1，根據(jù)上述公式得出插入損耗為-0.041 dB。

下圖為有損傳輸線的返回?fù)p耗和插入損耗，計(jì)算出的數(shù)值是＜1。

在實(shí)際工作中，針對插入損耗會(huì)有指標(biāo)量化，比如-6 dB，-3.5dB等。假如沒有插入損耗的指標(biāo)，經(jīng)常會(huì)糾結(jié)S11的反射量是多少比較合適，如果S11能做到-20dB，就可以默認(rèn)這個(gè)設(shè)計(jì)符合要求，因?yàn)槠鋵?yīng)的插入損耗也會(huì)很小。

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S11和S21在幅值存在換算關(guān)系，從仿真得出的波形來看，S11和S21會(huì)存在共振的現(xiàn)象，而且周期很一致。這里面除了前面所說的反射問題，還有傳輸線線長引起的時(shí)延有關(guān)，當(dāng)然這個(gè)時(shí)延和疊層的介質(zhì)有關(guān)。

以此推導(dǎo)得出共振頻點(diǎn)：

隨著頻率的增加，往返的相移會(huì)在0°~180°之間呈周期性變化，反射的幅值也在最大值和最小值之間呈周期性變化。傳輸線時(shí)延是1/2波長的時(shí)候，反射的幅值為最小值；傳輸線時(shí)延是1/4波長的時(shí)候，反射的幅值為最大值。S21的情況與S11正好相反。

在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，因?yàn)橥負(fù)涞慕Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳輸線阻抗不同造成的反射不同，這種共振特性不是很明顯，如下圖：

S11返回?fù)p耗

S11包含的就是反射信息，可以通過端接一個(gè)阻抗，查看S11的曲線的情況：

通過S參數(shù)可以估算這個(gè)無源參數(shù)的阻抗，相關(guān)公式如下：

但需要注意的是，這種估算會(huì)存在誤差。

以源端和端口電壓來推導(dǎo)無源參數(shù)的阻抗更為精準(zhǔn)。

S參數(shù)還可以通過TDR的仿真，來查看無源參數(shù)的阻抗信息，這也是實(shí)際工作中常用的一種方法。

阻抗失配造成的反射，會(huì)導(dǎo)致返回?fù)p耗的波動(dòng)，而過大的返回?fù)p耗將會(huì)影響插入損耗。通常來說，端口阻抗和元器件阻抗使用的都是默認(rèn)的50 ohm。

S21插入損耗

S21包含兩個(gè)信息：信號(hào)的衰減和時(shí)延。

信號(hào)衰減常見的公式就是：

頻率單位為GHz，長度單位為inch

S21的衰減和傳輸線的長度和材料有關(guān)，還有信號(hào)速率有關(guān)。

時(shí)延的信息體現(xiàn)在相位上，S21的相位情況和S11正好相反，輸入信號(hào)的負(fù)值開始，向下到-180°，再回到180°，典型的鋸齒形狀。

除了上面的相關(guān)公式，體現(xiàn)S21相關(guān)的還有一個(gè)公式：

前面是幅值的衰減，后面是信號(hào)的時(shí)延。

總結(jié)

通過這樣的展示，更多是想讓大家搞清楚，S11和S21相互之間的關(guān)系，以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，S參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是哪些信息，以及這些信息如何影響信號(hào)質(zhì)量。