傳統(tǒng)上,線性和非線性RF電路仿真占據(jù)了不同領(lǐng)域。為了仿真級聯(lián)小信號增益和損耗,RF設(shè)備設(shè)計人員傳統(tǒng)上一直廣泛使用S參數(shù)器件模型。由于缺乏數(shù)字形式的數(shù)據(jù)(如IP3、P1dB和噪聲),而且常用RF仿真器中歷來沒有頻率變化模型結(jié)構(gòu),所以傳統(tǒng)方式中非線性仿真更具挑戰(zhàn)性。RF電路設(shè)計人員通常采用自制的電子表格來計算級聯(lián)噪聲和失真。但是,這些電子表格難以模擬系統(tǒng)級特性,例如誤差矢量幅度(EVM)和鄰道泄漏比(ACLR);當信號鏈由調(diào)制信號驅(qū)動時,這些特性變得很重要。
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PSAT)相結(jié)合的RF放大器模型結(jié)構(gòu)。本文還會展示系統(tǒng)級仿真結(jié)果,以評估其對實際特性建模的準確程度。
表1.典型Sys參數(shù)數(shù)據(jù)集
S參數(shù)數(shù)據(jù)集是迄今為止使用非常廣泛的RF仿真模型。它們是標準化的表格式數(shù)據(jù)集,包括不同頻率下的輸入回波損耗、增益、反向隔離和輸出回波損耗,所有這些均為矢量格式。數(shù)據(jù)一般在驅(qū)動信號遠低于信號壓縮點的小信號條件下收集。S參數(shù)通常用于級聯(lián)增益仿真、輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及穩(wěn)定性的評估。然而,S參數(shù)不包含器件的噪聲、壓縮或失真特性的信息。表1列出了18 GHz至44 GHz、0.5 W功率放大器ADPA7002的sys-參數(shù)數(shù)據(jù)集的一部分。該sys-參數(shù)器件模型結(jié)構(gòu)由Keysight定義,用于其PathWave RF頻率合成(Genesys)和PathWave系統(tǒng)設(shè)計(SystemVue) RF電路與系統(tǒng)仿真器。數(shù)據(jù)集的表格結(jié)構(gòu)包括了不同頻率下的S參數(shù)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的噪聲、三階交調(diào)和1 dB壓縮數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)集提供了足夠的信息,支持對RF信號電平、級聯(lián)增益和反向隔離進行仿真。但是,IP3、P1dB和噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)的納入為RF功率掃描和信噪比仿真提供了可能性。另外,還可以在器件的工作頻率范圍內(nèi)進行高階信號特性仿真,例如ACLR和EVM。ADI公司維護著一個豐富的RF放大器和混頻器sys-參數(shù)庫,該庫可供下載,而且也包含在Keysight Genesys和SystemVue安裝程序中。圖1顯示了Keysight Genesys的屏幕截圖。ADI公司的sys-參數(shù)庫可通過器件選擇器輕松獲取。每個器件的sys-參數(shù)器件模型均包含表1所示的數(shù)據(jù),以及模型屬性窗口中包含的額外信息。此額外數(shù)據(jù)包括電源信息以及PSAT和OIP2相對于OP1dB的默認偏移。
圖1.Keysight Genesys屏幕截圖,展示了典型的sys-參數(shù)模型。
為了評估sys-參數(shù)模型的準確性,我們現(xiàn)在將對實測結(jié)果和仿真進行一系列比較。圖2顯示了HMC788A(10 MHz至10 GHz RF增益模塊)在10 GHz時的功率掃描的實測和仿真結(jié)果。可以看到,仿真功率掃描與實測數(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PSAT_Delta來生成所示的圖形。在本例中,PSAT_Delta為2 dB。這導(dǎo)致PSAT值比OP1dB水平高2 dB,這是GaAs RF放大器的典型默認值。
圖2.砷化鎵(GaAs) RF放大器的實測和仿真功率掃描。
圖3.AM到AM和AM到PM失真的仿真和測量。
圖4.HMC1114(3.2 GHz、10 W GaN放大器)的仿真和實測功率掃描。
為了更細致地研究仿真壓縮特性,我們可以看看AM到AM和AM到PM失真。圖3所示的實測和仿真結(jié)果是針對 HMC930A的。測得的AM到AM失真與仿真非常接近。但是,仿真結(jié)果看不出AM到PM失真,這是不正確的。這是因為器件模型和數(shù)據(jù)集僅包含小信號相位信息(即S21)。雖然仿真器可以使用器件模型中的OP1dB和PSAT_Delta數(shù)據(jù)來估算AM到AM失真,但它沒有任何大信號S參數(shù)數(shù)據(jù)可供使用。在這種情況下,使用更詳細的模型,例如X-參數(shù)格式(X-參數(shù)模型內(nèi)置與電平相關(guān)的S參數(shù)),會很合適。
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放大器的壓縮特性往往比GaAs器件要緩和得多。這需要調(diào)整PSAT_Delta,即1 dB壓縮點與飽和點之差。在這種情況下,基于觀察到的測量值,該變化量已設(shè)置為7 dB。雖然仿真器在某些情況下會因變化量較大而產(chǎn)生警告,但它仍會正確仿真并產(chǎn)生與實測性能非常接近的結(jié)果。隨著我們從CW信號測量和仿真轉(zhuǎn)向調(diào)制信號,sys-參數(shù)數(shù)據(jù)集的價值變得更大。雖然有關(guān)器件增益、壓縮、IP3和噪聲系數(shù)的信息可在器件數(shù)據(jù)手冊中輕松獲得,但顯示調(diào)制信號下性能的曲線不大可能在為一般用途而設(shè)計的器件數(shù)據(jù)手冊中找到。另外,如果不進行仿真或測量,ACLR和EVM之類的指標也不容易預(yù)測。圖5顯示了0.25 W的驅(qū)動放大器 ADL5320在2140 MHz時,由5 MHz寬載波驅(qū)動下的功率掃描的仿真結(jié)果。仿真載波由11個均勻間隔的子載波組成,ACLR在5 MHz載波偏移下進行測量。
圖5.ACLR仿真。
仿真表明,ACLR在–15 dBm的輸入功率下達到了最優(yōu)值。在此輸入功率以下,ACLR以1 dB/dB的比率隨輸入功率而降低。曲線的此區(qū)域主要由噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)決定。當輸入功率提高到–15 dBm以上時,ACLR的衰減速率與器件的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)(低功率時)和IP3數(shù)據(jù)(高功率時)來產(chǎn)生在寬功率范圍內(nèi)都很準確的ACLR掃描。
該圖還包括實測數(shù)據(jù)(藍色)。對于–15 dBm的輸入功率水平,它未達到相同的最優(yōu)水平,這是由于測量設(shè)置的限制所致。值得注意的是,隨著輸入功率水平的增加,實測ACLR下降得更快。這是因為器件的OIP3會隨輸入/輸出功率水平而稍有下降(理想情況下,它不應(yīng)改變)。器件模型數(shù)據(jù)集中的IP3是單個數(shù)據(jù)集,不隨功率水平而變化;可以認為它是器件的小信號IP3。這又是一個X-參數(shù)模型及其更詳細的電平相關(guān)性建模可能會產(chǎn)生更準確仿真的例子。
sys-參數(shù)模型還可用來可靠地進行EVM仿真。圖6顯示了EVM相對于RF功率掃描的實測和仿真結(jié)果,輸入信號為1 MSPS、16 QAM載波,驅(qū)動50 MHz至4 GHz增益模塊 ADL5602。這表明在低功率和高功率水平下,測量與仿真之間都有出色的相關(guān)性。ADI庫中的默認sys-參數(shù)數(shù)據(jù)集僅包含環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。但是,通過向包含溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集添加額外工作表可以擴展模型。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)集具有多個工作表,包含–55°C、+25°C和+85°C下的增益、噪聲和失真數(shù)據(jù)。Genesys和SystemVue仿真器可以利用這三個數(shù)據(jù)點生成其他溫度下的插值數(shù)據(jù),如圖7所示。sys-參數(shù)數(shù)據(jù)集對Keysight Genesys和SystemVue是原生數(shù)據(jù)集,但不適用于Keysight ADS。有一種解決辦法可以將sys-參數(shù)數(shù)據(jù)集導(dǎo)入ADS,從而進行噪聲、失真和壓縮仿真。這需要使用Amplifier2模型。Amplifier2模型對Keysight ADS是原生的,提供與sys-參數(shù)模型類似的功能。圖8顯示了包括Amplifier2模型的ADS原理圖。該原理圖還包含兩個數(shù)據(jù)訪問器件:DAC1和DAC2。這些DAC用于將sys-參數(shù)數(shù)據(jù)與Amplifier2模型相關(guān)聯(lián)。噪聲系數(shù)、OIP3和OP1dB數(shù)據(jù)格式化為文本文件,并通過DAC1器件與Amplifier2模型相關(guān)聯(lián)。DAC2器件用于將S-參數(shù)數(shù)據(jù)與Amplifier2模型相關(guān)聯(lián)。這將在ADS中產(chǎn)生一個Amplifier2模型,使用該模型可執(zhí)行上面討論過的所有仿真,但是在Keysight ADS中執(zhí)行。使用此方法時須小心。當執(zhí)行RF功率掃描,Amplifier2模型被強驅(qū)進入壓縮時,仿真性能往往與觀察到的實測性能有很大差異。此外,創(chuàng)建一個使用S-參數(shù)數(shù)據(jù)及噪聲、失真和壓縮數(shù)據(jù)的Amplifier2模型,適合于具有良好基線輸入和輸出回波損耗(S11和S22)的器件,大多數(shù)不需要外部RF匹配器件的ADI RF放大器就是這種情況。通過將標量增益添加到DAC1器件并省略S-參數(shù)數(shù)據(jù)(即省略DAC2),可以創(chuàng)建一個更簡單的Amplifier2模型。
圖6.寬帶增益模塊的仿真和實測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。
sys-參數(shù)數(shù)據(jù)集代表了一種新穎且有用的RF放大器仿真工具。它們比S-參數(shù)更強大,后者不能進行噪聲、失真和壓縮建模。它們不像X-參數(shù)模型那么復(fù)雜,后者可以改善依賴模型級別的特性,例如AM到PM失真和ACLR。但是,sys-參數(shù)模型具有簡單的表格式結(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)結(jié)合起來輕松創(chuàng)建。仿真和實測數(shù)據(jù)的比較顯示出極好的一致性。盡管sys-參數(shù)模型無法在ADS中使用,但可以利用一個相對簡單的流程來遷移數(shù)據(jù)集,以使用ADS原生的Amplifier2模型結(jié)構(gòu)。ADI公司致力于維護和擴充其sys-參數(shù)模型庫。隨著新模型添加到庫中,我們將增加對溫度仿真的支持。
圖8.在使用Amplifier2模型的Keysight ADS中使用sys-參數(shù)數(shù)據(jù)。
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