基于ADS的射頻微波元器件模型庫構(gòu)建講解教程

仿真是早期驗證最重要、最直觀的手段，也是研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)問題和優(yōu)化設(shè)計的重要途徑。本文針對不同類型器件，提出了基于原理圖模型、行為級模型以及 測試模型，建立射頻微波模型庫。其中，使用基于測試結(jié)果的X參數(shù)能夠成功對放大模塊、檢波器、混頻器等非線性器件進行有效建模。統(tǒng)一的射頻元器件模型平臺 將使現(xiàn)有的元器件參數(shù)電子化，同時便于加入新元器件的設(shè)計電路或測試結(jié)果等，能夠保障射頻系統(tǒng)設(shè)計的有效開展。

1、引言

在進行通訊系統(tǒng)設(shè)計時，為了保證系統(tǒng)性能、保障研制周期，有必要在系統(tǒng)設(shè)計階段充分評估系統(tǒng)性能、驗證系統(tǒng)算法、合理分配分系統(tǒng)指標，利用先進仿真技術(shù)為總體部門提供技術(shù)支撐保障，提高各部門設(shè)計效率，增進部門之間的協(xié)作。

數(shù)字化樣機研制平臺建設(shè)就是基于這一需求進行的重要嘗試。使用仿真技術(shù)，在系統(tǒng)指標分配階段，進行系統(tǒng)建模及算法建模，通過仿真得到整個系統(tǒng)的電氣性能，考 慮關(guān)鍵指標對系統(tǒng)性能的影響。采用仿真技術(shù)進行模擬，可以盡早考慮分系統(tǒng)間的相互影響，合理進行系統(tǒng)指標分配，通過合理的技術(shù)手段解決問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在進行數(shù)字化樣機研制過程中，必須將射頻微波電路的性能加以考慮，以最大程度接近系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。如何將已有電路或設(shè)計中的元器 件性能加以考慮，是進行數(shù)字化樣機研制的基礎(chǔ)保障工作之一。建立射頻元器件模型庫的工作使現(xiàn)有的元器件參數(shù)電子化，同時能夠快速加入新元器件的設(shè)計電路、 測試結(jié)果等，保障數(shù)字化樣機設(shè)計工作的開展。

2、業(yè)界現(xiàn)狀

目前射頻、微波設(shè)計人員尚處于按照指標完成設(shè)計、調(diào)試工作的階段，沒有對完成后的產(chǎn)品進行系統(tǒng)的建模、歸檔工作，這樣會存在一些問題：

· 缺乏統(tǒng)一的設(shè)計、仿真平臺，在進行系統(tǒng)仿真時缺乏器件模型支持；

· 缺乏規(guī)范的測試模型庫，已有電路的使用率不高，往往是在不同的系統(tǒng)中，針對類似的功能元器件重復設(shè)計、調(diào)試電路，造成人力、物力的極大浪費；

· 文檔管理工具匱乏，人員組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，已有的電路、模塊難以再次使用，已有經(jīng)驗的可繼承性不高；

· 對于非線性器件沒有適當?shù)哪Ｐ瓦M行描述。如放大器、混頻器等器件，無法進行寬頻帶、功率相關(guān)指標的描述。

針對目前的這些問題，選用目前市場占有率最高的射頻、微波及系統(tǒng)設(shè)計軟件，是德科技的ADS作為設(shè)計平臺，進行射頻元器件模型庫建設(shè)，以滿足在進行射頻系統(tǒng)設(shè)計時對基本電路單元的需求。

3、模型庫建立

針對射頻電路設(shè)計、使用的特點，將器件模型、元器件圖標、幫助及說明文檔、版本控制文檔等進行有機集成，形成風格統(tǒng)一、內(nèi)容靈活多變的射頻元器件模型庫。模型庫具體組成參考圖1：

元器件庫建設(shè)的重點在于選擇適當?shù)哪Ｐ蛯υ骷M行正確表征?；谏漕l微波元器件的特點，將元器件模型庫分為三種模型進行建模。基于原理圖的模型可以直接將 子電路帶入上一次電路、系統(tǒng)進行仿真，但如果加入多個子電路，會讓系統(tǒng)仿真速度變慢。行為級模型和基于測試的模型都屬于黑盒模型的范疇?；谠韴D的模型 是自頂向下進行系統(tǒng)指標規(guī)劃等工作的設(shè)計流程，而基于測量的模型則是自底向上進行系統(tǒng)性能驗證的設(shè)計流程。

3.1 基于原理圖的模型

一些常用電路，可以直接對其原理圖進行模型提取，將其生成子電路，在后期電路中直接進行調(diào)用。圖2是個非常典型的子電路結(jié)構(gòu)，通過加入此濾波器的圖標，可以快速將對應子電路拓撲加入到電路中。

3.2 行為級模型

行為級模型（behavioral models）是從元器件的電學工作特性出發(fā)，把元器件看成“黑盒子”，測量其端口的電氣特性，提取的器件模型，即可以用公式來描述器件的工作特性。通常情況下，使用多項式來對放大器等工作特性曲線進行擬合。

如器件廠商在產(chǎn)品手冊中提供的某一頻率的增益、噪聲系數(shù)、輸出功率、1dB壓縮點、三階交調(diào)截斷點等指標，可以加入已有模型，系統(tǒng)自動擬合出器件的工作曲線。如圖3中，將不同頻率下器件參數(shù)輸入放大器模型，可以得到放大器在不同頻率、功率下的響應。

3.3 基于測量的模型

很多時候，基于知識產(chǎn)權(quán)保護的考慮，即使是同一個單位，同事或部門之間進行電路原理圖的共享也不太可能?？梢砸笃骷螂娐返脑O(shè)計人員進行模型提取，提供器件的黑盒模型。

在更多時候，獲得射頻元器件的原理圖或行為級模型非常困難。這就要求必須對已有器件或外協(xié)器件進行測試，并進行建模，創(chuàng)建模型庫。

模型參數(shù)提取或測量可分為兩類：線性模型及非線性模型。

3.3.1 線性模型提取

對于線性模型，通?？梢允褂胣端口散射矩陣（S參數(shù)）來進行描述。

S參數(shù)使用入射電壓波和反射電壓波的方式定義網(wǎng)絡的輸入、輸出關(guān)系，從而表征整個網(wǎng)絡的特性。S參數(shù)采用Touchstone文件格式，也被稱作SnP文件。使用矢量網(wǎng)絡分析儀，可以直接生成SnP文件。

大多數(shù)無源器件都可以使用線性模型進行表征，如濾波器、功分器、衰減器、耦合器、巴倫、小信號激勵下的開關(guān)電路等。

3.3.2 非線性模型提取

對于非線性模型，如放大器、限幅器、檢波器、混頻器等，目前業(yè)界最好的模型為X參數(shù)。如條件受限不能獲得X參數(shù)，可以退而求其次，選擇P2D模型。

與S參數(shù)相比，X參數(shù)可以更為完整全面的方式表示或分析射頻微波器件的非線性特性。作為S參數(shù)在大信號工作條件下的邏輯與數(shù)學范疇內(nèi)的擴展，X 參數(shù)的獲取首先需要把被測器件驅(qū)動到其飽和工作狀態(tài)——這是很多器件真實的工作狀態(tài)，然后再在這樣的條件下對被測器件進行測量。

在測量X參數(shù)的時候，不需要知道與被測器件（DUT）內(nèi)部集成電路有關(guān)的信息，要做的是測量各種不同頻率信號電壓波形的激勵響應模型，如圖4 所示。即將信號的基波和所產(chǎn)生的失真信號的絕對幅度、不同頻率信號的相對相位信息都精確地測量出來，然后用X參數(shù)來代表這些幅度和相位信息的組合。在這些 快速得到的精準模型當中，還可以把更多的可變化的因素考慮進去，其中就包括源和負載的阻抗狀態(tài)、所施加的直流偏置電壓、電流值、甚至溫度信息等。

有兩種方法可以用來生成X參數(shù)： 從是德科技先進設(shè)計系統(tǒng)（ADS）的電路級原理設(shè)計生成X參數(shù)，或者使用是德科技PNA-X 矢量網(wǎng)絡分析儀的非線性矢量網(wǎng)絡測量（NVNA） 應用程序直接測量出X參數(shù)。

要想從ADS 的電路級原理圖中得到X參數(shù)，首先需要在ADS中設(shè)計好電路原理圖。電路原理圖完成之后，就可以把頻率、直流偏置、溫度和其他重要的參數(shù)輸入給ADS用來 產(chǎn)生X參數(shù)的應用程序（X-parameter Generator —X參數(shù)生成器）。這個工具使用電路級的設(shè)計來計算可供ADS諧波平衡或電路包絡仿真使用的器件或模塊的X參數(shù)。ADS的X 參數(shù)產(chǎn)生器工作起來非常靈活，可以為非線性多端口器件在多音激勵以及負載牽引仿真的條件下產(chǎn)生X 參數(shù)。因此，在ADS中使用參數(shù)提取器不僅可以對放大器、混頻器等電路進行X參數(shù)提取，還能夠?qū)Χ嗉壔祛l鏈路等復雜電路進行X參數(shù)提取。

如果希望通過對器件的測量快速而精準地得到X參數(shù)，需要使用在是德科技PNA-X 上實現(xiàn)的非線性矢量網(wǎng)絡分析（NVNA）的測量技術(shù)。NVNA 直接測量被測器件（DUT） 的X參數(shù)，這些通過測量得到的X參數(shù)可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA測量X參數(shù)的時候，充分利用了PNA-X內(nèi)置的兩個高性能激勵源，其中的 一個激勵源用大信號激勵被測器件使其達到大信號工作點，同時第二個激勵源可以以各種適當測量頻率和相位的信號給被測器件施加小的測量激勵信號。

目前業(yè)界已經(jīng)使用X參數(shù)對功率放大器進行了X參數(shù)的模型提取及仿真，顯示了X參數(shù)模型的精確性。同時，使用X參數(shù)也能夠成功表征檢波器的非線性模型。

X參數(shù)還能夠支持級聯(lián)模型仿真。

使用NVNA對混頻器進行測試，建立X參數(shù)模型，可以對混頻器的變頻損耗、RF-IF泄漏、LO-IF泄漏以及混頻器的高次交調(diào)產(chǎn)物等進行建模，如圖5所示。

在沒有條件進行X參數(shù)提取時，可以將P2D模型作為X參數(shù)的補充，建立非線性模型庫。

P2D 模型本質(zhì)是功率相關(guān)的大信號S參數(shù)，存儲若干功率點對應的S參數(shù)，是寬帶放大器模型之一。其缺點顯而易見，僅考慮了器件的基波，高次諧波完全沒有考慮。但 是P2D模型能夠預測寬帶增益壓縮特性，故能夠在多芯片系統(tǒng)中用來描述放大器特性。早在2002年，是德科技（原安捷倫）就成功應用P2D模型對頻率為1 至12GHz的多芯片系統(tǒng)進行了仿真和測試結(jié)果的對比。

P2D模型的另一優(yōu)點是測量非常簡單，只需要使用ADS中的連接管理器（Connection Manager）通過GPIB或LAN就能夠控制是德科技的矢量網(wǎng)絡分析儀（包括HP時代的8720等型號以及ENA、PNA），讀取放大器的P2D模型。

4、模型庫的創(chuàng)建

在獲得了一定數(shù)量的模型，并進行歸類整理后，可以進行模型庫創(chuàng)建的工作。在此，使用ADS自帶的DesignGuide Developer Studio進行模型庫的創(chuàng)建工作。主要工作可以分為以下幾步：

將模型作為子電路加入模型庫；

在位圖編輯器中新建元器件圖標或?qū)σ延袌D標進行修改，編輯元器件列表，排列圖標并編輯操作內(nèi)容，如元器件對應位圖、幫助文檔調(diào)用等；

設(shè)置元器件庫的版本號，并進行編譯，發(fā)布壓縮包。

此時，其他射頻或系統(tǒng)工程師只需要在本地計算機上安裝元器件庫壓縮包，即可將自定義的元器件加入到ADS器件庫中，方便的進行調(diào)用。然后可以根據(jù)需求，進行射頻鏈路搭建或系統(tǒng)仿真。圖6為安裝了自定義模型庫后的原理圖界面。

5、結(jié)論

使用ADS平臺，能夠針對大多數(shù)線性、非線性器件進行建模、測試，同時建立元器件模型庫，以應用到射頻鏈路、系統(tǒng)設(shè)計中，可以大大提高工程師的設(shè)計效率。通過規(guī)范元器件的原理圖以及幫助、說明文檔，可以讓現(xiàn)有的工程經(jīng)驗得以傳承、改進，避免因人員變動而引起的元器件模型丟失。

通過定期對元器件庫進行更新，輔助電子管理流程，可以讓射頻系統(tǒng)工程師快速利用現(xiàn)有器件對新系統(tǒng)進行搭建，同時考慮指標的符合情況等。