第九讲S参数仿真

第九讲S参数仿真在进行射频／微波电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用分布参数电路的分析方法。这时可以采用复杂的场分析法，但更多的是采用微波网络法来分析电路。对于微波网络而言，最重要的参数就是s参数。在PC平台迈入GHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到I／O接口，全部进入高频传送的阶段，所以现在不仅在射频微波电路设计时需要了解S参数相关知识，在计算机系统甚至消费电子系统的设计时也需要对相关知识有所掌握。本章通过实例介绍ADS2009实现S参数仿真的原理和方法。9．1S参数仿真基本原理及功能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。因此基本的电路照论不再适用，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，利于一个有Y、Z和S参数的网络是可以实际测量和分析的，其个Y称为导纳系数，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、反射波及传输被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、反射被关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口些反射信号，以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同N端口网络的阻抗产导纳参数一样，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，如图所示。二端口网络有4个S参数，Sij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S21＝S12；对于对称网络S11＝S22；对于无耗网络(S11)2+(S22)2＝1S21S12S11S22Port1Port22．S参数在电路仿真中的应用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，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9.2S参数仿真面板与仿真控制器ADS中有专门针对S参数仿真的元件面板，在“Simulation-S_Param”类元件面板中提供了所有S参数仿真需要的控件，如图所示。1)S参数仿真控制器S参数仿真控制器(SP)：是控制S参数仿真最主要的控件。可以设置S参数仿真的频率扫描范围；仿真执行参数和噪声分析相关参数等。双击S参数仿真控制器，弹出参数设置选项卡，可以通过该选项卡对SP参数进行设置。(1)Frequency：S参数仿真要在一定频率范围内执行，因此在S参数仿真执行前通过S参数仿真控制器设置窗口中的[Frequency]选项卡对频率参数进行设置，如图所示。(2)Parameters：S参数仿真中的参数计算、频率转换、仿真状态信息显示和仿真结果保存等参数，用户可以通过[Parameters]选项户进行设置，如图所示。参数计算(Calculate)：设置仿真过程中计算的参数，包括S参数、Y参数、Z参数和群延时参数。用户可以选中需计算的参数，仿真结束后可以在仿真结果中查看这个参数。频率转换(FrequencyConversion)；决定是否允许进行频率转换。如果选中此项，则可以执行带有频率转换的S多数仿真。仿真状态显示(Statuslevel)：设置仿真状态窗口中显示信息的多少。其中，“0”表示显示很少的仿真信息，“1”和“2”表示显示正常的仿真信息，“3”和“4”表示显示较多的仿真信息。器件的操作点信息设置(Deviceoperatingpointlevel)：设置数据文件是否保存原理图中的有源器件和部分线性器件的操作点。其中，“None”表示不保存有源器件和部分线性器件的操作点相关系数，“Brief”表示仅保存部分元件的电流、功率和一些线性器件的参数。“Detailed”表示保存所有直流仿真的工作点值，如电流、电压、功率和线性器件参数。3)Noise：在S参数仿真卡同样可以进行噪声分析，噪声分析的相关参数可以通过[Noise]选项产进行设置，如图所示。是否执行噪声分析(Calculate)：用S参数仿真过程中是否执行噪声分析,如果选择不执行噪声分析，[Noise]选项卡中的其他参数设置无效。噪声输入端口(Noiseinputport)：设定噪声分析时噪声的输入端口。噪声输出端口(Noisecontributors)：设定噪声分析时噪声的输出端口。噪声来源分析(Noisecontributors)：设定噪声分析时各噪声来源的分类方法。噪声显示的动态范围(Dynamicrangetodisplay)：设定噪声显示的范围噪产带宽(Bandwidth)：设定噪声分析带宽2)S参数仿真测试平台控件(SPLab)：它专门用于建立S参数仿真的测试平台，其参数与S参数仿真控制器参数相同。3)参数扫描计划控制器(SWEEPPLAN)：主要用于设置仿真中的参数扫描计划。用户可以通过该控制器添加一个或多个扫描变量，并制定相应的扫描计划。4)参数扫描控制器(PARAMETERSWEEP)：用于设定仿真中的扫描参数。该控制器设定的扫描参数可以在多个仿真实例中使用。5)S参数仿真设置控制器(OPTIONS)主要用于进行：S参数仿真时环境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等相关参数的设置。6)终端负载终端负载(Term)如图所示，用于定义端口标号及设定各端口终端负载阻抗。7)最大增益控件最大增益控件〔MaxGain)如图所示，用于在仿真结果中添加仿真电路的最大增益数据组。8)功率增益控件(PwrGain）:用于在仿真电路中添加仿真电路功率增益的数据组。9)电压增益控件(VoltGain)：用于在仿真结果中添加仿真电路电压增益的数据组。10)电压驻波比控件(VSWR)：用于在仿真结果中添加仿真电路各端口电压驻波比的数据组。11)增益波纹控件(GainRipple):用于在仿真结果中添加仿真电路增益波纹的数据组。12)输入导纳控件(Yin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入导纳的数据组。用户在仿真结束后可以直接在数据显示窗口中查看仿真电路或仿真网络的输入导纳。13)输入阻抗控件(Zin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入阻抗的数据组。14)史密斯圆图控件：是射频电路分析中最有效和最直观的工具。ADS提供各种史密斯圆图工具，如各种增益圆图、噪声系数原图和稳定性原图等。用户可以在原理图中通过这些控件计算相应数据，并将这些数据添加到仿真结果中。9.3S参数仿真的一般过程(1)选择器件模型并建立电路原理图。(2)确定需要进行S参数仿真的I/O端，并在“Simulation-SParam”元件面板中选择终端负载控件Term分别连接在电路的I/O端口。(3)在“Simulation-S_Param”元件面板列表中选择S参数仿真控制器SP，并放置在电路图设计窗口中。(4)双击S参数仿真控制器，在[Frequency]选项卡中对交流仿真中频率扫描类型和扫描范围等进行设置。(5)如果扫描变量较多，则需要在“Simulation-S_Param”元件面板中选择“PARAMETERSWEEP”控件，在其中设置多个扫描变量，以及每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。(6)如果需要计算电路的群延时特性，则需要在S参数仿真控制器参数设置窗口中选择[Parameters]选项卡，在“Calculate”项中选中“Groupdelay”，允许在仿真中计算群延时参数。(7)如果需要对电路进行线性噪声分析，则需要在S参数仿真控制器参数设置窗口的[Noise]选项卡中选小“Calculatenoise”项，允许在仿真中计算线性噪声，然后分别设置噪声的输入端口、输出端口、噪声来源分类方式、噪声的动态范围和噪声带宽等内容。(8)设置完成后，执行仿真。(9)在数据显示窗口中查看仿真结果。9.4ADS中S参数仿真案例本节通过案例米简单说明S参数仿真的一般过程。[案例9-1]建立并执行运放的S参数及相关内容仿真1)S参数仿真2)计算群延时群延时可以通过测量端口问信号传输时间来得到。对行为特性要求严格的器件(如放大器和滤波器)，通常采用群延时分析相位失真。3)线性噪声仿真9.5S参数仿真实例本节将通过案例进一步强调S参数仿真过程中参数设置、优化及数据输出等相关内容，使读者对S参数仿真有更全面的认识。[案例9-2]理想元件电路搭建及仿真。1．基本S参数仿真1)创建原理图3)写出改变终端阻抗的方程4)在数据显示窗口中计算感抗、容抗值5)代入L和C的计算值并仿真2．匹配电路设计3．参数优化对总的优化参数仿真4、噪声和增益5.S2P文件操作