S-Parameter (Streuparameter) – Return Loss & Insertion Loss

S-Parameter (auch Streuparameter genannt) beschreiben, wie ein Hochfrequenz-System eingehende Signale reflektiert und überträgt, und sind damit zentrale Kenngrößen der HF-Messtechnik.

Bei Kabeln, Steckern & PCBs sind die gebräuchlichsten Größen Return Loss (RL, Rückflussdämpfung) und Insertion Loss (IL, Einfügedämpfung), die jeweils aus einzelnen S-Parametern abgeleitet werden.

In der Praxis ändern sich S-Parameter meist mit der Frequenz und werden daher stets über einen Frequenzbereich gemessen und dargestellt – auch wenn wir auf dieser Seite aus Gründen der Lesbarkeit meist nur Snm anstatt Snm (f) schreiben.

Aussagekräftige PDF-Berichte lassen sich per Mausklick erstellen – hier dargestellt für Insertion- (IL) und Return-Loss (RL) von Koaxialkabeln. Aussagekräftige PDF-Berichte lassen sich per Mausklick erstellen – hier dargestellt für Insertion- (IL) und Return-Loss (RL) von Koaxialkabeln.
SeunisPro-Screenshot mit unterschiedlichen Formaten für S-Parameter-Messungen. SeunisPro-Screenshot mit unterschiedlichen Formaten für S-Parameter-Messungen.
HF-PCB mit einem Bandpassfilter aus verteilten Leitungselementen. HF-PCB mit einem Bandpassfilter aus verteilten Leitungselementen.
S₂₁-Messung (IL) eines HF-Bandpassfilters mithilfe einer TDR-Messung. S₂₁-Messung (IL) eines HF-Bandpassfilters mithilfe einer TDR-Messung.
Beispiel einer HF-Schaltung, bei der Return-Loss (RL) am Aus- und Eingang mittels TDR gemessen wird. Beispiel einer HF-Schaltung, bei der Return-Loss (RL) am Aus- und Eingang mittels TDR gemessen wird.
Zeitbereichs-Gating enthüllt den tatsächlichen Return-Loss (RL). Zeitbereichs-Gating enthüllt den tatsächlichen Return-Loss (RL).
Vollständige 4×4-Single-Ended-S-Parameter-Matrix, gemessen mit QTDNA-Messgerät. Vollständige 4×4-Single-Ended-S-Parameter-Matrix, gemessen mit QTDNA-Messgerät.

Was sind S‑Parameter (Streuparameter)?

S-Parameter beschreiben das Verhältnis von hin- und rücklaufenden Wellen an den Toren eines linearen Hochfrequenz-Netzwerks. Ein Tor ist ein Anschlusspunkt des Netzwerks (z.B. Steckverbinder), an dem ein Signal eingespeist oder abgegriffen werden kann.

Grundlage dafür ist eine Referenzimpedanz Z0 (meist 50Ω) – derselbe Wellenwiderstand, auf den auch das Messsystem ausgelegt ist.

Bei mehreren Toren werden alle S-Parameter gemeinsam in einer sogenannten S-Matrix zusammengefasst, deren Größe von der Anzahl der Tore abhängt:

Netzwerktyp S-Matrix Typische Beispiele
1-Tor S1×1 Antenne, offenes bzw. kurzgeschlossenes Leitungsende
2-Tor S2×2 Leitung, Filter, Verstärker
3-Tor S3×3 Leistungsteiler, Zirkulator
4-Tor S4×4 Differentielle Leitung, Richtkoppler
5-Tor S5×5 HF-Multiplexer (MUX)

Was sagen die einzelnen S-Parameter aus?

Jeder S-Parameter Snm beschreibt, wie stark ein an Tor m eingespeistes Signal an Tor m reflektiert oder an Tor n übertragen wird – der erste Index steht dabei für das Ausgangstor, der zweite für das Eingangstor des Signals. S-Parameter sind komplexe Größen und tragen damit sowohl eine Betrags- als auch eine Phaseninformation.

Die S-Parameter-Matrix für ein 2‑Tor Darstellung (S11 , S21 , S12 , S22)

Darstellung der S-Parameter-Matrix [S] mit den Einträgen S11, S12, S21, S22

Am Beispiel eines 2‑Tors lässt sich die Benennungslogik der S-Parameter gut nachvollziehen: Der erste Index steht für das Ausgangstor, der zweite für das Eingangstor des Signals. S21 beschreibt somit ein Signal, das an Tor 1 eingespeist und an Tor 2 gemessen wird.

Parameter Ausgangstor Eingangstor Typ
S11 1 1 Reflexion eingangsseitig
S21 2 1 Transmission vorwärts
S12 1 2 Transmission rückwärts
S22 2 2 Reflexion ausgangsseitig

Für die Darstellung und Weiterverarbeitung von S-Parametern eines N‑Tors haben sich mehrere Formen etabliert:

N×N Streumatrix
mit allen Einzelwerten
Kartesisches Diagramm (Betrag/Phase über Frequenz)
etwa auch für Return Loss (RL) oder Insertion Loss (IL)
Smith-Diagramm
für Reflexionsparameter in der komplexen Zahlenebene
Touchstone-Datei
zur Speicherung und zum Austausch der Messdaten zwischen Messgeräten und Simulationssoftware (Format *.sNp)

Return Loss & Insertion Loss

Return Loss (RL) ist der Betrag der Reflexionsparameter Snn in logarithmischer Darstellung und gibt an, welcher Anteil eines eingespeisten Signals an einem Tor reflektiert wird.

Insertion Loss (IL) beschreibt analog dazu, wie viel Signal auf dem Weg durch das Netzwerk verloren geht – abgeleitet aus dem Betrag der Transmissionsparameter Snm (n ≠ m).

Für ein Zweitor gilt:

RL = −20 · log10(|S11|)

IL = −20 · log10(|S21|)

Die Phaseninformation bleibt bei beiden Größen unberücksichtigt – nur der Betrag von S11 bzw. S21 fließt in die dB-Angabe ein. Je größer der RL-Wert in dB, desto besser die Anpassung; je kleiner der IL-Wert in dB, desto geringer der Signalverlust.

S-Parameter-Matrix im Vergleich zu Z- , Y- und ABCD-Matrizen

Neben S-Parametern gibt es weitere Netzwerkparameter-Darstellungen, die je nach Anwendungsfall Vorteile bieten. Alle lassen sich ineinander umrechnen, sodass Messdaten unabhängig vom gewählten Format weiterverarbeitet werden können.

Parameter-Typ Kurzbeschreibung Typische Anwendung
S-Matrix Verhältnis hin- und rücklaufender Wellen, bezogen auf eine Referenzimpedanz Messtechnik, Charakterisierung von HF-Komponenten
Z-Matrix Verknüpft Spannungen und Ströme an den Toren als komplexe Widerstände Schaltungssimulation (z. B. SPICE)
Y-Matrix Verknüpft Spannungen und Ströme an den Toren als komplexe Leitwerte Schaltungssimulation, Verstärkerdesign
ABCD-Matrix Verknüpft Spannung und Strom am Eingangstor direkt mit denen am Ausgangstor – dadurch an die ABCD-Matrix eines nachfolgenden Systems anschließbar Kaskadierung mehrerer Netzwerke durch Matrixmultiplikation

Besonderheit der ABCD-Matrix

Da sich mehrere in Reihe geschaltete Netzwerke einfach durch Multiplikation ihrer ABCD-Matrizen zu einem Gesamtsystem zusammenfassen lassen, eignen sie sich besonders gut für die Kaskadierung – etwa bei der Analyse mehrstufiger Filter oder Leitungsabschnitte.

Welche S-Parameter & Prüflinge (DUTs) lassen sich messen

Welche S-Parameter können gemessen werden?

  • Single-Ended » Return Loss, Insertion Loss
  • Differenziell » Return Loss
  • Differenzielle Insertion Loss » siehe Mixed-Mode S-Parameter

Welche Prüflinge (DUTs) können gemessen werden?

  • PCBs » Reale Leiterplatten
  • Kabel » Alle Kabeltypen
  • Steckverbinder » Alle Arten von Konnektoren und Adaptern
  • Gesamtsysteme » z. B. mit PCBs, Steckverbindern und Kabeln
  • Signaltypen » Single-Ended, Differenziell, Common- & Mixed-Mode
  • HF-Komponenten » z. B. Filter, Koppler, Baluns

S-Parameter mit TDR messen - Alternative zum VNA

S-Parameter werden klassischerweise mit einem VNA im Frequenzbereich gemessen – lassen sich aber ebenso aus einer TDR-Messung im Zeitbereich ableiten. Da TDR-Systeme deutlich kostengünstiger sind als hochfrequente Mehrtor-VNAs, bietet sich diese Methode besonders für Anwendungen an, bei denen ein vollwertiger VNA wirtschaftlich nicht sinnvoll ist.

Dabei misst das TDR-Gerät zunächst die Sprungantwort des Prüflings im Zeitbereich. Eine Software wie SeunisPro rechnet diese Sprungantwort anschließend per Fourier-Transformation in den Frequenzbereich um und stellt die S-Parameter wahlweise nach Betrag, Phase oder im Smith-Diagramm dar.

Die berechneten S-Parameter lassen sich in diversen Formaten exportieren – etwa als MATLAB-, CSV- oder Excel-Datei, sowie als Touchstone-Datei (Format *.sNp), einem in der Branche etablierten Austauschformat für die direkte Weiterverwendung in Simulationssoftware.

Bei der Interpretation gilt für die Reflexionsparameter Snn – je kleiner ihr Betrag in dB, desto besser die Anpassung. Bei den Transmissionsparametern Snm (n ≠ m) ist es umgekehrt – je näher der Wert an 0dB liegt, desto geringer der Signalverlust.

Welches Sequid-TDR passt zu Ihrer Anwendung?

Je nach Prüfling und Anforderung eignen sich unterschiedliche Sequid-TDR-Systeme:

Anwendungsfall Empfohlenes Sequid‑TDR S‑Matrix Bemerkung
PCBs & Steckverbinder DTDR-65 S2×2
STDR-65 S1×1 nur Return Loss (RL)
Gesamtsysteme DTDR-65 S2×2
STDR-65 S1×1 nur Return Loss (RL)
Kabel bis ≈ 1km DTDR-800 S2×2 niedrige Auflösung
Kabel bis ≈ 50m DTDR-65 S2×2 hohe Auflösung
STDR-65 S1×1 nur Return Loss (RL), hohe Auflösung
Vollständige 4‑Port-Matrix QTDNA-300 S4×4 bis 1.5GHz, auch Mixed-Mode

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FAQ – Häufige Fragen zu S-Parametern

Ja, da sich das Reflexions- und Transmissionsverhalten eines Systems mit der Frequenz ändert – ähnlich wie beim ebenfalls frequenzabhängigen Wellenwiderstand. In der Praxis werden S-Parameter daher meist als Kurven über einen Frequenzbereich dargestellt. Ist die Frequenz aus dem Kontext bereits klar, wird gelegentlich auch nur ein einzelner Wert angegeben.

S-Parameter sind komplexe Größen mit Betrag und Phase, wobei der erste Blick häufig dem Betrag gilt. Da dieser über mehrere Größenordnungen variieren kann, wird er üblicherweise logarithmisch in dB angegeben – so wie Dämpfung und Verstärkung in der HF-Technik generell meist in dB ausgedrückt werden.

Der Return Loss (RL) ergibt sich aus dem Betrag des Reflexionsparameters Snn in logarithmischer Darstellung. Je größer die Fehlanpassung am jeweiligen Tor, desto größer der Betrag – bei nahezu perfekter Anpassung nähert sich der Wert sehr niedrigen dB-Werten an. Details zur Notation und Formel finden Sie im Abschnitt Return Loss & Insertion Loss.

Die Reflexionsparameter Snn und der daraus abgeleitete Return Loss zeigen unmittelbar, wie gut ein System an einem Tor impedanzangepasst ist – je kleiner der Betrag von Snn, desto besser die Anpassung. Das gilt für Kabel und Steckverbinder ebenso wie für PCB-Leiterbahnen. Damit dienen S-Parameter als Messgröße, um Fehlanpassungen zu erkennen und zu quantifizieren.

Das Smith-Diagramm ist eine grafische Darstellung von Reflexionsparametern in der komplexen Zahlenebene. Es erlaubt eine anschauliche Erfassung von Anpassung und Reflexion, wobei sich jeder Punkt sowohl über Real- und Imaginärteil als auch über Betrag und Phase beschreiben lässt.

Besonders beim Entwurf von Anpassnetzwerken zeigt sich seine Stärke – Impedanztransformationen lassen sich direkt als Bewegung entlang eingezeichneter Kurven nachvollziehen, statt sie rein rechnerisch herzuleiten.

Die Kosten hängen stark von Modell und Ausstattung ab. Einstiegssysteme zur Kabelvermessung liegen typischerweise bei ca. 3000€, während hochauflösende, differentielle TDR- und VNA-Systeme zur S-Parameter-Analyse ab ca. 10.000-20.000€ erhältlich sind.

Hochfrequente 4-Port-VNA-Systeme (mehrere zehn GHz) bewegen sich preislich in einem wesentlich höheren Preissegment und werden von Herstellern meist nur auf Anfrage angeboten – hier sind sechsstellige Beträge keine Seltenheit.

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