单片微波集成电路(MMIC)设计中的S参数介绍
为了按照给定的规格来设计MMIC，设计人员必须能够采用所需的电路拓扑结构，并在以MMIC形式实现时准确预测该电路的性能。这是通过计算机辅助设计（CAD）工具，例如Agilent ADS，Ansoft Designer，AWR Microwave Office，和Cadence Virtuosos等，以模拟RF和微波特性来实现的。这些CAD工具允许设计人员将各个元件的模型连接到电路设计中，并在频域或时域中模拟MMIC电路的性能。
高直通率的MMIC产品设计需要在这些商用仿真模拟器中实现对MMIC组件的充分表征和精确建模。这是一项耗时且昂贵的活动，它代表了芯片代工需要为此重大投资;但是，一般而言芯片代工厂的模型库既不全面也不完美。虽然这些组件模型通常隐藏在其原理图符号后面，但了解芯片代工厂是如何完成可能已经制作了的模型将能够帮助设计师了解其局限性并谨慎使用它们。
s参数
MMIC微波性能的仿真采用单个元件的电气模型或s参数数据文件，并计算整体特性。这可以在线性或非线性器件上执行，并导出参数，例如输入和输出阻抗匹配，信号损失或者频域和时域中的增益。还可以使用3D仿真CAD工具来模拟芯片上紧密相邻的组件之间相互作用。
K. Kurokawa 首先讨论了散射参数或s参数的概念，s参数的目的是以便设计者能更清楚，更直接地理解通过多端口网络连接的电路元件之间的功率关系。换句话说，s参数给出了信号在入射到电路上时如何被分散的物理意义，即信号功率中的多少功率被反射以及从电路的其他端口传输了多少功率等。
图1、施加到嵌入在传输线（其特征阻抗为Z0）中的双端口器件端口上的信号
任意电路的s参数表示称为散射矩阵，并且可以通过考虑行波的入射，反射和传输信号来理解散射参数。在图1中，信号被施加到嵌入在具有特征阻抗Z0的传输线中的双端口器件中，并且输入传输线上存在入射波和反射波。这个双端口器件的广义反射特性如图2所示，其中Vi1是端口1的入射电压波，Vr1是端口1的反射电压波。
图2、嵌入在具有特征阻抗Z0的传输线中的双端口器件的通用反射特性
在图1中，Vi2是端口2处的入射电压波，Vr2是端口2处的反射电压波。
在（1）中给出的端口1处的功率事件可用于定义新变量a1;类似地，在（2）中给出的从端口1反射的功率可以定义b1。同样，可以为端口2定义变量a2和b2。为端口1重新排列这些变量给出端口1的总电压和电流，如（3）和（4）所示。
在端口2重新排列这些方程，并将a1和a2求解为自变量，将b1和b2求解为因变量，得到双端口电路的散射矩阵解，如方程（5）所示。每个散射元件Sij是与输入和输出信号电压的幅度和相位相关的复数。
该解决方案基于来自任意电路的散射波，是适用于具有任意数量端口的网络的通用解决方案，如（6）中给出的那样，并且矩阵[S]被称为散射（S）网络矩阵。
散射矩阵中的各个单元都具有明确的物理意义，Kurokawa在文献中对此进行讨论（即，元素Sij给出了端口i输出的信号电压的幅度和相位相对于端口j输入的信号电压）。同样，Sii是端口i输出信号电压相对于端口i的输入信号电压，换句话说，是从端口i反射的信号量，表示端口i与Z0的匹配程度。因此，对于与端口j处的Z0完全匹配的网络，s参数Sjj等于0。类似于Sii表示端口i处的匹配的概括，Sij表示从端口j到端口 i的电压增益或损耗。 Sji表示端口i和端口j之间的电压增益或损耗。请注意，对于无源网络（即没有元件提供电压增益的网络），所有Sij的幅度都小于1。
回到50欧姆系统中的双端口设备（例如放大器）的示例，S21是被称为电压增益的传输/入射信号，S11是输入端的反射/入射信号（即输入）的匹配程度，S22是输出端的输出/入射信号（即输出匹配），S12是从输出端传输到输入端的信号/输出端的输入信号，称为反向隔离，如图3所示。注意，S21是电压增益，并且功率增益是| S21 |^2。
图3、双端口器件的s参数
s参数相对容易测量，因为要求仅仅是除了感兴趣的端口之外所有波都等于0并且所有端口都以特征阻抗Zo为终端负载。一个例子Touchstone格式的S参数数据文件如表1所示，其中以“＃”符号开头的行给出了数据的全局变量。
表1、用于表示双端口器件的s参数数据文件
通常通过其S参数表示各个MMIC组件，因此可以级联多个组件的s参数以预测整体芯片性能。s参数表示的主要限制是s参数忽略与不在定义端口的其他组件之间的交互;例如，两个紧密间隔的电感器将通过它们的磁场耦合，但是各个电感器的双端口s参数表示将不会考虑这一点。换句话说，组件单元的s参数表示假设与组件元素定义的端口之外的其他组件具有无限间距。s参数数据文件的另一个限制是它仅在数据的实际频率范围内有效，并且在该范围之外的任何频率点，仿真模拟器倾向于推断最后两个数据点，这些数据点通常不是有效的因为它们通常是数据噪声最高的地方。