利用ADS中的S參數(shù)仿真方法建立和導(dǎo)入S2P文件

動(dòng)態(tài)仿真、靜態(tài)仿真和瞬態(tài)仿真，是3類基礎(chǔ)仿真。S參數(shù)仿真是ADS中最重要的仿真方法之一，在分析線性網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)、輸入輸出特性方面應(yīng)用廣泛，也是射頻二端口網(wǎng)絡(luò)中最重要的仿真分析。

今天的內(nèi)容有點(diǎn)多，也比較費(fèi)腦子，我分別從：基本概念、S參數(shù)仿真面板與仿真控制器、S參數(shù)仿真實(shí)例目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、電路?yōu)化、利用S參數(shù)仿真數(shù)據(jù)建立和導(dǎo)入S2P文件進(jìn)行總結(jié)。

基本概念

1、S仿真基本原理：S參數(shù)是在入射波和反射波之間建立的一組線性關(guān)系，在射頻電路中，通常用來(lái)分析和描述網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出特性。在進(jìn)行S參數(shù)仿真時(shí)，一般將電路視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，通過線性化和小信號(hào)分析，得到S參數(shù)、線性噪聲參數(shù)、傳輸阻抗以及傳輸導(dǎo)納等電路參數(shù)。ADS中S參數(shù)仿真主要包括以下功能：通過分析線性網(wǎng)絡(luò)獲得電路的S參數(shù)、Y參數(shù)、Z參數(shù)和H參數(shù)等；對(duì)電路的群時(shí)延進(jìn)行仿真；對(duì)二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性進(jìn)行仿真；通過掃描變量獲得電路和S參數(shù)有關(guān)的參數(shù)信息。

2、什么是S參數(shù)？S參數(shù)的含義？

S參數(shù)也就是散射參數(shù)。是微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)。S12為反向傳輸系數(shù)，也就是隔離。S21是正向傳輸系數(shù)，也就是增益。S11為反射系數(shù)，也就是輸入回波損耗，S22為輸出反射系數(shù)，也就是輸出回波損耗。良好的傳輸線，訊號(hào)從一個(gè)點(diǎn)傳送到另一個(gè)點(diǎn)的失真（扭曲），必須在一個(gè)可以接受的程度內(nèi)。S參數(shù)是在傳輸線兩端有終端的條件下定義出來(lái)的，一般Z0=50Ω，S11表示Port1量反射損失（return loss），主要是觀測(cè)發(fā)送端看到多大的訊號(hào)反射成份；值越接近0越好（越低越好，一般-25~-40dB），表示傳遞過程反射越小，也稱輸入反射系數(shù)。S21表示訊號(hào)從Port 1傳遞到Port 2過程的饋入損失，主要是觀測(cè)接收端的訊號(hào)剩多少；值越接近1越好（0dB），表示傳遞過程損失越小，也稱順向穿透系數(shù)。

3、阻抗匹配：

阻抗匹配首先來(lái)說阻抗變換網(wǎng)絡(luò)：電抗元件不消耗功率，那么傳遞給負(fù)載阻抗的功率完全取決于Rl。為了使負(fù)載獲得功率最大，應(yīng)該使源阻抗和負(fù)載阻抗虛部相反，抵消。因此當(dāng)一個(gè)恒壓源阻抗和負(fù)載阻抗成共軛復(fù)數(shù)時(shí)，負(fù)載從電源上獲得的功率最大，阻抗變換的目的就實(shí)現(xiàn)了。阻抗變換網(wǎng)絡(luò)就是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

4、史密斯圓圖

史密斯圓圖是一款用于電機(jī)與電子工程學(xué)的圓圖，主要用于傳輸線的阻抗匹配上。一條傳輸線的電阻抗力會(huì)隨其長(zhǎng)度而改變。史密斯圓圖是反射系數(shù)的極坐標(biāo)圖，反射系數(shù)也可以從數(shù)學(xué)上定義為端口散射參數(shù)，即S11。反射系數(shù)定義為反射波電壓與入射波電壓之比。

S參數(shù)仿真面板與仿真控制器

1、標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)仿真控制器（S-PARAMETERS）

主要設(shè)置S參數(shù)仿真的頻率掃描范圍、仿真選項(xiàng)以及噪聲分析等內(nèi)容。

2、S參數(shù)仿真測(cè)試控制器（S-PARAMETER TEST LAB）

其參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)仿真控制器設(shè)置的參數(shù)基本相同。

3、S參數(shù)掃描方案控制器（SWEEP PLAN）

用戶可以在控制器中設(shè)置掃描方案，對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行掃描分析。

4、參數(shù)掃描控制器 （PARAMETER SWEEP）

參數(shù)掃描控制器，在控制器中可以設(shè)置S參數(shù)仿真的掃描變量、仿真控制器等信息。其中“Sweep Var=”表示進(jìn)行仿真時(shí)設(shè)置掃描變量；“SimInstanceName[1]...[6]=”表示對(duì)指定的放著呢控制器設(shè)置參數(shù)掃描，“Start”、“Stop”、“Step”參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)仿真控制器中參數(shù)定義相同。

5、S參數(shù)仿真選項(xiàng)控制器（OPTION）

S仿真選項(xiàng)控制器，與直流仿真、交流仿真、瞬態(tài)仿真中的功能相同，對(duì)電路中的環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、仿真收斂性等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

6、終端（Term）

在終端中可以定義網(wǎng)絡(luò)端口和阻抗信息，默認(rèn)情況下為阻抗50歐姆，該元件是進(jìn)行S參數(shù)仿真不備元件。

7、最大增益控制器（MaxGain）

主要用于在仿真中的最大增益。

8、功率增益控制器（PwrGain）

主要用于在仿真中分析電路的最大功率增益。

9、電壓增益控制器（VoltGain）

主要用于在仿真中分析電路的最大電壓增益。

10、駐波比控制器（VSWR）

主要用于在仿真中分析電路的駐波比。

11、輸入導(dǎo)納控制器（YIN）

主要用于在仿真中分析電路的輸入導(dǎo)納，在數(shù)據(jù)顯示窗口中可以顯示其矩形圖或數(shù)據(jù)列表。

12、輸入阻抗控制器（Zin）

主要用于在仿真中分析電路的輸入阻抗，在數(shù)據(jù)顯示窗口中可以顯示其矩形圖或數(shù)據(jù)列表。

13、史密斯圓圖控制器

包括增益圓圖、噪聲系數(shù)圓圖、穩(wěn)定性圓圖等類型，主要用于在仿真中分析電路的不要數(shù)據(jù)的各類圓圖，并進(jìn)行顯示。

S參數(shù)仿真實(shí)例目標(biāo)

在仿真中將放大器視做一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，以獲得放大器S（2，1）和S（1，1）參數(shù)值。之后通過建立匹配電路進(jìn)行優(yōu)化，使放大器S參數(shù)在2.4GHz頻率時(shí)滿足以下要求。S(2,1)大于10dB，即放大器贈(zèng)與大于10dB；S(1,1)小于-10 dB，即放大器反射小于-10dB。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、在之前的基礎(chǔ)上建立下面的原理圖

2、圖中的Term和表示的是阻抗為50Ω的終端，S-PARAMETERS是進(jìn)行S參數(shù)仿真的參數(shù)控制器，在Simulation-S_Param中，如下圖：

3、接下來(lái)，進(jìn)行仿真，顯示S（2，1）隨頻率變化的圖形和S（1，1）的史密斯圓圖。

4、分別標(biāo)記在2.4G頻率下的情況，可以看到S(2,1)唯一達(dá)到10dB的要求。

5、S(1,1)顯示的是歸于化后的阻抗值Z0，這里需要雙擊數(shù)據(jù)，把Z0設(shè)置為50歐姆，計(jì)算出S(1,1)。

由上圖的S(2,1)和S(1,1)可以看出不滿足條件，由史密斯圓圖可以看出輸入阻抗與50Ω不匹配，離原點(diǎn)還很遠(yuǎn)，造成反射，所以要對(duì)放大電路進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)。（當(dāng)一個(gè)恒壓源阻抗和負(fù)載阻抗成共軛復(fù)數(shù)時(shí)，負(fù)載從電源上獲得的功率最大，阻抗變換的目的就實(shí)現(xiàn)了。）

電路優(yōu)化

在電路優(yōu)化仿真之前需要了解一個(gè)優(yōu)化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”中的優(yōu)化仿真控制器（Optim）、優(yōu)化目標(biāo)（Goal）等，這里我們只用到了這兩個(gè)。

對(duì)電路的阻抗進(jìn)行匹配，就是對(duì)匹配電路的電感和電容值進(jìn)行優(yōu)化，所以需要設(shè)置電感和電容值。具體的方法是：在輸入端插入一個(gè)電感L3和一個(gè)電容C3組成的L型匹配電路，在輸出端插入電容C4和一個(gè)電感L4組成的L型匹配電路，之后對(duì)這些值進(jìn)行優(yōu)化。由于之后需要對(duì)匹配電路的電感和電容值進(jìn)行優(yōu)化，所以需要設(shè)置電感和電容值具有一定的優(yōu)化范圍。以輸入匹配電路中的電感L3為例，具體方法如下，雙擊電感，彈出設(shè)置對(duì)話框，如圖所示。

1、雙擊L3，出現(xiàn)如下界面，選擇Tune/Opt/Start/DOE Setup ...表示調(diào)整，優(yōu)化，開始等。

在Optimization Status優(yōu)化狀態(tài)選擇使能，填寫最大值和最小值，選擇OK。同樣對(duì)于C3、C4電容的容值和L4的電感值也這樣設(shè)置。電容的值范圍設(shè)置為0.01pf到3pf，電感范圍設(shè)置為1nH到40nH。

設(shè)置完成之后輸入輸出阻抗匹配的電路如下：

2、在原理圖窗口中選擇優(yōu)化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”，選擇優(yōu)化控制器Optim插入原理圖中。設(shè)置迭代的優(yōu)化次數(shù)Maxlters為200。

3、優(yōu)化控制器需要與優(yōu)化目標(biāo)配合才能，所以繼續(xù)在優(yōu)化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”中選擇兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)GOAL，插入原理圖中，并雙擊GOAL進(jìn)行設(shè)置，dB(S(1,1)、dB(S(2,2)表示優(yōu)化的目標(biāo)值，”SP1”表示優(yōu)化的目標(biāo)控制器是SP1，目標(biāo)的最大值是-10dB，頻率范圍是2350MHz和2450MHz，分別對(duì)兩個(gè)GOAL進(jìn)行設(shè)置。

4、最終完成的電路圖如下圖所示：

5、選擇Simulate->Optimize

6、點(diǎn)擊Coutinus和Simulate，得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)。

7、運(yùn)行完成之后，選擇Update Design...，點(diǎn)擊OK,這時(shí)，就可以看到原理圖中的值根據(jù)我們匹配的值進(jìn)行了改變。

如果沒有更新，還可以Simulate->Update Optimization Value

8、跟新之后對(duì)電路進(jìn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的S(1,1)和S(2,2)都小于-10dB，滿足了要求。

9、接著繼續(xù)插入史密斯圓圖，添加S(1,1)和S(2,2)，修改阻抗值Z0為50，進(jìn)行標(biāo)注，可以發(fā)現(xiàn)相比與之前更接近史密斯遠(yuǎn)點(diǎn)，所以達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

利用S參數(shù)仿真數(shù)據(jù)建立和導(dǎo)入S2P文件

1、寫入，在實(shí)際的射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，許多射頻元件和電路都是由S2P文件格式提供的。用戶在自己進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也可以生產(chǎn)S2P文件，以方便在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行調(diào)用。方法如下：

在dftool/mainWindow中進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)如下，寫入。

寫入完成之后在eesofdftool中會(huì)顯示File write was successful。

2、調(diào)用生產(chǎn)的S2P文件進(jìn)行仿真，新建一個(gè)原理圖并保存，在Data Items中選擇S2P這個(gè)元件進(jìn)行插入，并雙擊進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行應(yīng)用和OK。

接下來(lái)，添加S參數(shù)仿真控件和輸入輸出端口，連線，并設(shè)置好，如下圖：

接下來(lái)就可以進(jìn)行S參數(shù)仿真，可以發(fā)現(xiàn)也之前的仿真是一樣的。

好了，今天的筆記就記錄就在這里了，內(nèi)容有點(diǎn)多，希望對(duì)大家有幫助。