在是德科技基因系統(tǒng)和SystemVue中對射頻IC放大器進(jìn)行非線性仿真

線性和非線性RF電路仿真傳統(tǒng)上占據(jù)了不同的領(lǐng)域。為了仿真級聯(lián)的小信號增益和損耗，RF設(shè)備設(shè)計人員傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)向廣泛使用的S參數(shù)器件模型。由于缺乏數(shù)字形式的數(shù)據(jù)（例如IP3、P1dB和噪聲），以及流行RF仿真器中歷來缺乏頻變模型結(jié)構(gòu)，非線性仿真?zhèn)鹘y(tǒng)上更具挑戰(zhàn)性。RF電路設(shè)計人員通常使用自制電子表格來計算級聯(lián)噪聲和失真。然而，這些電子表格難以仿真系統(tǒng)級特性，例如誤差矢量幅度（EVM）和相鄰?fù)ǖ佬孤┍龋?a target="_blank">ACLR），當(dāng)信號鏈由調(diào)制信號驅(qū)動時，這些特性變得相關(guān)。

本文將探討一些將線性S參數(shù)數(shù)據(jù)與非線性數(shù)據(jù)（如噪聲系數(shù)、IP3、P1dB和P）相結(jié)合的RF放大器模型結(jié)構(gòu)坐.我們還將展示系統(tǒng)級仿真的結(jié)果，以評估真實(shí)世界行為建模的準(zhǔn)確性。

S 參數(shù)

S 參數(shù)數(shù)據(jù)集是迄今為止使用最廣泛的射頻仿真模型。這些是標(biāo)準(zhǔn)化的表格數(shù)據(jù)集，由輸入回波損耗、增益、反向隔離和輸出回波損耗與頻率的關(guān)系組成，全部采用矢量格式。數(shù)據(jù)通常在小信號條件下收集，驅(qū)動信號遠(yuǎn)離信號壓縮點(diǎn)。S參數(shù)通常用于仿真級聯(lián)增益、設(shè)計輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及評估穩(wěn)定性。但是，它們不包含有關(guān)設(shè)備的噪聲、壓縮或失真特性的信息。

是德科技系統(tǒng)參數(shù)

表1顯示了ADPA7002（18 GHz至44 GHz、0.5 W功率放大器）的系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)集的一部分。是德科技定義了系統(tǒng)參數(shù)器件模型結(jié)構(gòu)，用于其 PathWave 射頻合成 （Genesys） 和 PathWave 系統(tǒng)設(shè)計 （SystemVue） 射頻電路和系統(tǒng)模擬器。數(shù)據(jù)集的表格結(jié)構(gòu)由 S 參數(shù)數(shù)據(jù)與噪聲、三階互調(diào)和 1 dB 壓縮數(shù)據(jù)（索引頻率）組成。這些數(shù)據(jù)集提供了足夠的信息，可以仿真RF信號電平、級聯(lián)增益和反向隔離。然而，IP3、P1dB和噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)的包含為仿真RF功率掃描和信噪比提供了可能性。還可以在器件的工作頻率范圍內(nèi)仿真 ACLR 和 EVM 等高階信號特性。

ADI公司擁有豐富的RF放大器和混頻器系統(tǒng)參數(shù)庫，可供下載，也包含在是德科技Genesys和SystemVue的安裝中。圖 1 顯示了是德科技 Genesys 的屏幕截圖。ADI公司的系統(tǒng)參數(shù)庫可通過器件選擇器輕松訪問。每個設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)備模型由表 1 中顯示的數(shù)據(jù)以及模型的“屬性”窗口中包含的其他信息組成。此附加數(shù)據(jù)包括電源信息以及 P 的默認(rèn)偏移坐和 OIP2，相對于 OP1dB。

圖1.是德科技 Genesys 的屏幕截圖顯示了一個典型的系統(tǒng)參數(shù)模型。

評估系統(tǒng)參數(shù)模型的準(zhǔn)確性

為了評估系統(tǒng)參數(shù)模型的準(zhǔn)確性，我們現(xiàn)在將在測量結(jié)果和仿真之間進(jìn)行一系列比較。圖2顯示了HMC788A（10 MHz至10 GHz RF增益模塊）在10 GHz下進(jìn)行功率掃描的測量和仿真結(jié)果。我們可以看到，模擬的功率掃描與測量數(shù)據(jù)非常接近。仿真器使用器件的增益和OP1dB數(shù)據(jù)以及P坐_Delta生成所示的繪圖。在這種情況下，P坐_Delta為 2 dB。這導(dǎo)致 P坐比OP1dB電平高2 dB的值，這是GaAs RF放大器的典型默認(rèn)值。

圖2.砷化鎵 （GaAs） 射頻放大器的測量和仿真功率掃描。

圖3.模擬和測量 AM 到 AM 和 AM 到 PM 失真。

圖4.HMC1114的功率掃描仿真和測量，HMC1114是一款3.2 GHz的10 W GaN放大器。

AM至AM和AM-TO-PM失真

為了仔細(xì)研究模擬的壓縮特性，我們可以看看AM到AM和AM到PM失真。HMC930A的測量和仿真結(jié)果如圖3所示。測得的AM-AM到AM失真與仿真非常吻合。但是，仿真表明沒有AM-to-PM失真，這是不正確的。這是因?yàn)樵O(shè)備模型和數(shù)據(jù)集僅包含小信號相位信息（即 S21）。而模擬器可以使用OP1dB和P坐_Delta來自器件模型的數(shù)據(jù)來估計AM-to-AM失真，它沒有任何大信號S參數(shù)數(shù)據(jù)可供使用。在這種情況下，使用更復(fù)雜的模型（如 X 參數(shù)格式）是合適的（X 參數(shù)模型具有內(nèi)置的與級別相關(guān)的 S 參數(shù)）。

仿真氮化鎵放大器的功率掃描

圖4顯示了10 W氮化鎵（GaN）RF放大器HMC1114LP5DE在3.2 GHz時的功率掃描。GaN RF放大器往往具有比GaAs器件更軟的壓縮特性。這需要調(diào)整 P坐_Delta - 即 1 dB 壓縮點(diǎn)與飽和點(diǎn)之間的差異。在這種情況下，根據(jù)觀察到的測量結(jié)果，該增量已設(shè)置為 7 dB。雖然模擬器在某些情況下會因?yàn)樵隽枯^大而生成警告，但它仍將正確模擬并生成與測量性能非常匹配的結(jié)果。

ACLR 仿真

隨著我們從CW測量和仿真轉(zhuǎn)向調(diào)制信號行為，系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)集的價值也在增加。雖然器件數(shù)據(jù)手冊中提供了有關(guān)器件增益、壓縮、IP3和噪聲系數(shù)的信息，但在為通用用途設(shè)計的器件數(shù)據(jù)手冊中不太可能找到顯示調(diào)制信號性能的曲線。此外，如果沒有仿真或測量，ACLR 和 EVM 等指標(biāo)就不容易預(yù)測。

圖5顯示了0.25 W驅(qū)動放大器ADL5320由5 MHz寬載波驅(qū)動時的2140 MHz功率掃描的仿真結(jié)果。仿真載波由11個均勻分布的子載波組成，ACLR在5 MHz載波偏移下測量。

圖5.ACLR 模擬。

仿真表明，ACLR 在 –15 dBm 的輸入功率下達(dá)到最佳值。低于此輸入功率時，ACLR 會隨輸入電平逐 dB 而降低。圖的此區(qū)域由數(shù)據(jù)集中的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)主導(dǎo)。當(dāng)輸入功率增加到–15 dBm以上時，ACLR的降級速率與器件的IP3密切相關(guān)。值得注意的是，此仿真的結(jié)果依賴于噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)（低功耗）和IP3數(shù)據(jù)（高功率），以產(chǎn)生在寬功率范圍內(nèi)準(zhǔn)確的ACLR掃描。

該圖還包括測量數(shù)據(jù)（藍(lán)色）。對于 –15 dBm 的輸入功率電平，它無法達(dá)到相同的最佳電平;這是由于測量設(shè)置的局限性。值得注意的是，隨著輸入功率電平的增加，測得的ACLR下降得更快。這是因?yàn)槠骷腛IP3會隨著輸入/輸出功率電平而略有下降（理想情況下，它不應(yīng)該改變）。設(shè)備型號數(shù)據(jù)集中的 IP3 是單個數(shù)據(jù)集，不會隨功率級別而變化;它可以被認(rèn)為是設(shè)備的小信號IP3。這又是一個實(shí)例，其中 X 參數(shù)模型及其更復(fù)雜的水平依賴性建?？赡軙a(chǎn)生更準(zhǔn)確的模擬。

EVM 仿真

系統(tǒng)參數(shù)模型也可用于可靠地仿真 EVM。圖6顯示了EVM與RF功率電平的測量和仿真掃描結(jié)果，其中輸入信號是驅(qū)動ADL5602的1 MSPS、16 QAM載波，這是一個50 MHz至4 GHz增益模塊。這表明在低功率和高功率水平下的測量和仿真之間具有出色的相關(guān)性。

溫度模擬

ADI庫中的默認(rèn)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)集僅包含環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。但是，可以通過向包含溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集添加其他選項(xiàng)卡來擴(kuò)展模型。圖7顯示了18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集具有單獨(dú)的選項(xiàng)卡，其中包含相同的增益、噪聲和失真數(shù)據(jù)，但在–55°C、+25°C和+85°C時。 Genesys和SystemVue模擬器使用這三個數(shù)據(jù)點(diǎn)在其他溫度下生成插值數(shù)據(jù)，如圖7所示。

ADS 中的模擬

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)集是是德科技 Genesys 和 SystemVue 的原生數(shù)據(jù)集，但在是德科技 ADS 中不起作用。有一種解決方法是將系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)集導(dǎo)入 ADS，允許執(zhí)行噪聲、失真和壓縮模擬。這涉及使用放大器2模型。Amplifier2 型號是是德科技 ADS 的原生型號，提供與系統(tǒng)參數(shù)型號類似的功能。圖8所示為包含放大器2模型的ADS原理圖。該原理圖還包含兩個數(shù)據(jù)訪問元件：DAC1 和 DAC2。這些DAC用于將系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)與放大器2模型相關(guān)聯(lián)。噪聲系數(shù)、OIP3和OP1dB數(shù)據(jù)被格式化為文本文件，并使用DAC1組件與放大器2模型相關(guān)聯(lián)。DAC2 組件用于將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)與放大器 2 模型相關(guān)聯(lián)。這在 ADS 中生成了一個放大器 2 模型，可用于執(zhí)行所有已經(jīng)討論過的仿真，但在是德科技 ADS 中。

必須小心使用此方法。當(dāng)執(zhí)行RF功率掃描時，Amplifier2模型被嚴(yán)重壓縮，仿真性能往往與觀察到的測量性能明顯偏差。此外，創(chuàng)建使用 S 參數(shù)數(shù)據(jù)以及噪聲、失真和壓縮數(shù)據(jù)的 Amplifier2 模型最適合具有良好基線輸入和輸出回波損耗（S11 和 S22）的器件;ADI公司的大多數(shù)RF放大器都不需要外部RF匹配元件。通過向DAC1組件添加標(biāo)量增益并省略S參數(shù)數(shù)據(jù)（即省略DAC2），可以創(chuàng)建更簡單的放大器2模型。

圖6.模擬和測量寬帶增益模塊的 EVM 功率掃描。

圖7.18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的仿真增益和噪聲系數(shù)與溫度的關(guān)系。

結(jié)論

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)集是一種新型的實(shí)用射頻放大器仿真工具。它們比 S 參數(shù)更強(qiáng)大，后者不對噪聲、失真和壓縮進(jìn)行建模。它們不像 X 參數(shù)模型那樣復(fù)雜，可以改善模型級別相關(guān)的行為，例如 AM 到 PM 失真和 ACLR。但是，系統(tǒng)參數(shù)模型具有簡單的表格結(jié)構(gòu)，可以通過將S參數(shù)數(shù)據(jù)與噪聲系數(shù)、OIP3和OP1dB數(shù)據(jù)相結(jié)合來輕松創(chuàng)建。模擬數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的比較顯示出出色的一致性。雖然系統(tǒng)參數(shù)模型不能在 ADS 中使用，但可以遵循一個相對簡單的過程來使用 Amplifier2 模型結(jié)構(gòu)遷移數(shù)據(jù)集，該結(jié)構(gòu)是 ADS 原生的。

審核編輯：郭婷