基于ADS的射頻微波元器件模型庫(kù)構(gòu)建講解教程

仿真是早期驗(yàn)證最重要、最直觀(guān)的手段，也是研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要途徑。本文針對(duì)不同類(lèi)型器件，提出了基于原理圖模型、行為級(jí)模型以及 測(cè)試模型，建立射頻微波模型庫(kù)。其中，使用基于測(cè)試結(jié)果的X參數(shù)能夠成功對(duì)放大模塊、檢波器、混頻器等非線(xiàn)性器件進(jìn)行有效建模。統(tǒng)一的射頻元器件模型平臺(tái) 將使現(xiàn)有的元器件參數(shù)電子化，同時(shí)便于加入新元器件的設(shè)計(jì)電路或測(cè)試結(jié)果等，能夠保障射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效開(kāi)展。

1、引言

在進(jìn)行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)階段充分評(píng)估系統(tǒng)性能、驗(yàn)證系統(tǒng)算法、合理分配分系統(tǒng)指標(biāo)，利用先進(jìn)仿真技術(shù)為總體部門(mén)提供技術(shù)支撐保障，提高各部門(mén)設(shè)計(jì)效率，增進(jìn)部門(mén)之間的協(xié)作。

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

在進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)研制過(guò)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(shí)際工作狀態(tài)。如何將已有電路或設(shè)計(jì)中的元器 件性能加以考慮，是進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)研制的基礎(chǔ)保障工作之一。建立射頻元器件模型庫(kù)的工作使現(xiàn)有的元器件參數(shù)電子化，同時(shí)能夠快速加入新元器件的設(shè)計(jì)電路、 測(cè)試結(jié)果等，保障數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展。

2、業(yè)界現(xiàn)狀

目前射頻、微波設(shè)計(jì)人員尚處于按照指標(biāo)完成設(shè)計(jì)、調(diào)試工作的階段，沒(méi)有對(duì)完成后的產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的建模、歸檔工作，這樣會(huì)存在一些問(wèn)題：

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

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

· 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(yàn)的可繼承性不高；

· 對(duì)于非線(xiàn)性器件沒(méi)有適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行描述。如放大器、混頻器等器件，無(wú)法進(jìn)行寬頻帶、功率相關(guān)指標(biāo)的描述。

針對(duì)目前的這些問(wèn)題，選用目前市場(chǎng)占有率最高的射頻、微波及系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，是德科技的ADS作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行射頻元器件模型庫(kù)建設(shè)，以滿(mǎn)足在進(jìn)行射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)基本電路單元的需求。

3、模型庫(kù)建立

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

元器件庫(kù)建設(shè)的重點(diǎn)在于選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)元器件進(jìn)行正確表征。基于射頻微波元器件的特點(diǎn)，將元器件模型庫(kù)分為三種模型進(jìn)行建模?；谠韴D的模型可以直接將 子電路帶入上一次電路、系統(tǒng)進(jìn)行仿真，但如果加入多個(gè)子電路，會(huì)讓系統(tǒng)仿真速度變慢。行為級(jí)模型和基于測(cè)試的模型都屬于黑盒模型的范疇。基于原理圖的模型 是自頂向下進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)規(guī)劃等工作的設(shè)計(jì)流程，而基于測(cè)量的模型則是自底向上進(jìn)行系統(tǒng)性能驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程。

3.1 基于原理圖的模型

一些常用電路，可以直接對(duì)其原理圖進(jìn)行模型提取，將其生成子電路，在后期電路中直接進(jìn)行調(diào)用。圖2是個(gè)非常典型的子電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)加入此濾波器的圖標(biāo)，可以快速將對(duì)應(yīng)子電路拓?fù)浼尤氲诫娐分小?/p>

3.2 行為級(jí)模型

行為級(jí)模型（behavioral models）是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成“黑盒子”，測(cè)量其端口的電氣特性，提取的器件模型，即可以用公式來(lái)描述器件的工作特性。通常情況下，使用多項(xiàng)式來(lái)對(duì)放大器等工作特性曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。

如器件廠(chǎng)商在產(chǎn)品手冊(cè)中提供的某一頻率的增益、噪聲系數(shù)、輸出功率、1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)等指標(biāo)，可以加入已有模型，系統(tǒng)自動(dòng)擬合出器件的工作曲線(xiàn)。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(yīng)。

3.3 基于測(cè)量的模型

很多時(shí)候，基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的考慮，即使是同一個(gè)單位，同事或部門(mén)之間進(jìn)行電路原理圖的共享也不太可能。可以要求器件或電路的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模型提取，提供器件的黑盒模型。

在更多時(shí)候，獲得射頻元器件的原理圖或行為級(jí)模型非常困難。這就要求必須對(duì)已有器件或外協(xié)器件進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行建模，創(chuàng)建模型庫(kù)。

模型參數(shù)提取或測(cè)量可分為兩類(lèi)：線(xiàn)性模型及非線(xiàn)性模型。

3.3.1 線(xiàn)性模型提取

對(duì)于線(xiàn)性模型，通?？梢允褂胣端口散射矩陣（S參數(shù)）來(lái)進(jìn)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(luò)的輸入、輸出關(guān)系，從而表征整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特性。S參數(shù)采用Touchstone文件格式，也被稱(chēng)作SnP文件。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以直接生成SnP文件。

大多數(shù)無(wú)源器件都可以使用線(xiàn)性模型進(jìn)行表征，如濾波器、功分器、衰減器、耦合器、巴倫、小信號(hào)激勵(lì)下的開(kāi)關(guān)電路等。

3.3.2 非線(xiàn)性模型提取

對(duì)于非線(xiàn)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(xiàn)性特性。作為S參數(shù)在大信號(hào)工作條件下的邏輯與數(shù)學(xué)范疇內(nèi)的擴(kuò)展，X 參數(shù)的獲取首先需要把被測(cè)器件驅(qū)動(dòng)到其飽和工作狀態(tài)——這是很多器件真實(shí)的工作狀態(tài)，然后再在這樣的條件下對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量。

在測(cè)量X參數(shù)的時(shí)候，不需要知道與被測(cè)器件（DUT）內(nèi)部集成電路有關(guān)的信息，要做的是測(cè)量各種不同頻率信號(hào)電壓波形的激勵(lì)響應(yīng)模型，如圖4 所示。即將信號(hào)的基波和所產(chǎn)生的失真信號(hào)的絕對(duì)幅度、不同頻率信號(hào)的相對(duì)相位信息都精確地測(cè)量出來(lái)，然后用X參數(shù)來(lái)代表這些幅度和相位信息的組合。在這些 快速得到的精準(zhǔn)模型當(dāng)中，還可以把更多的可變化的因素考慮進(jìn)去，其中就包括源和負(fù)載的阻抗?fàn)顟B(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(lái)生成X參數(shù)： 從是德科技先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS）的電路級(jí)原理設(shè)計(jì)生成X參數(shù)，或者使用是德科技PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的非線(xiàn)性矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)量（NVNA） 應(yīng)用程序直接測(cè)量出X參數(shù)。

要想從ADS 的電路級(jí)原理圖中得到X參數(shù)，首先需要在ADS中設(shè)計(jì)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(lái) 產(chǎn)生X參數(shù)的應(yīng)用程序（X-parameter Generator —X參數(shù)生成器）。這個(gè)工具使用電路級(jí)的設(shè)計(jì)來(lái)計(jì)算可供ADS諧波平衡或電路包絡(luò)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(lái)非常靈活，可以為非線(xiàn)性多端口器件在多音激勵(lì)以及負(fù)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(duì)放大器、混頻器等電路進(jìn)行X參數(shù)提取，還能夠?qū)Χ嗉?jí)混頻鏈路等復(fù)雜電路進(jìn)行X參數(shù)提取。

如果希望通過(guò)對(duì)器件的測(cè)量快速而精準(zhǔn)地得到X參數(shù)，需要使用在是德科技PNA-X 上實(shí)現(xiàn)的非線(xiàn)性矢量網(wǎng)絡(luò)分析（NVNA）的測(cè)量技術(shù)。NVNA 直接測(cè)量被測(cè)器件（DUT） 的X參數(shù)，這些通過(guò)測(cè)量得到的X參數(shù)可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA測(cè)量X參數(shù)的時(shí)候，充分利用了PNA-X內(nèi)置的兩個(gè)高性能激勵(lì)源，其中的 一個(gè)激勵(lì)源用大信號(hào)激勵(lì)被測(cè)器件使其達(dá)到大信號(hào)工作點(diǎn)，同時(shí)第二個(gè)激勵(lì)源可以以各種適當(dāng)測(cè)量頻率和相位的信號(hào)給被測(cè)器件施加小的測(cè)量激勵(lì)信號(hào)。

目前業(yè)界已經(jīng)使用X參數(shù)對(duì)功率放大器進(jìn)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(shí)，使用X參數(shù)也能夠成功表征檢波器的非線(xiàn)性模型。

X參數(shù)還能夠支持級(jí)聯(lián)模型仿真。

使用NVNA對(duì)混頻器進(jìn)行測(cè)試，建立X參數(shù)模型，可以對(duì)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(jìn)行建模，如圖5所示。

在沒(méi)有條件進(jìn)行X參數(shù)提取時(shí)，可以將P2D模型作為X參數(shù)的補(bǔ)充，建立非線(xiàn)性模型庫(kù)。

P2D 模型本質(zhì)是功率相關(guān)的大信號(hào)S參數(shù)，存儲(chǔ)若干功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的S參數(shù)，是寬帶放大器模型之一。其缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，僅考慮了器件的基波，高次諧波完全沒(méi)有考慮。但 是P2D模型能夠預(yù)測(cè)寬帶增益壓縮特性，故能夠在多芯片系統(tǒng)中用來(lái)描述放大器特性。早在2002年，是德科技（原安捷倫）就成功應(yīng)用P2D模型對(duì)頻率為1 至12GHz的多芯片系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

P2D模型的另一優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量非常簡(jiǎn)單，只需要使用ADS中的連接管理器（Connection Manager）通過(guò)GPIB或LAN就能夠控制是德科技的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（包括HP時(shí)代的8720等型號(hào)以及ENA、PNA），讀取放大器的P2D模型。

4、模型庫(kù)的創(chuàng)建

在獲得了一定數(shù)量的模型，并進(jìn)行歸類(lèi)整理后，可以進(jìn)行模型庫(kù)創(chuàng)建的工作。在此，使用ADS自帶的DesignGuide Developer Studio進(jìn)行模型庫(kù)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(kù)；

在位圖編輯器中新建元器件圖標(biāo)或?qū)σ延袌D標(biāo)進(jìn)行修改，編輯元器件列表，排列圖標(biāo)并編輯操作內(nèi)容，如元器件對(duì)應(yīng)位圖、幫助文檔調(diào)用等；

設(shè)置元器件庫(kù)的版本號(hào)，并進(jìn)行編譯，發(fā)布?jí)嚎s包。

此時(shí)，其他射頻或系統(tǒng)工程師只需要在本地計(jì)算機(jī)上安裝元器件庫(kù)壓縮包，即可將自定義的元器件加入到ADS器件庫(kù)中，方便的進(jìn)行調(diào)用。然后可以根據(jù)需求，進(jìn)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(kù)后的原理圖界面。

5、結(jié)論

使用ADS平臺(tái)，能夠針對(duì)大多數(shù)線(xiàn)性、非線(xiàn)性器件進(jìn)行建模、測(cè)試，同時(shí)建立元器件模型庫(kù)，以應(yīng)用到射頻鏈路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以大大提高工程師的設(shè)計(jì)效率。通過(guò)規(guī)范元器件的原理圖以及幫助、說(shuō)明文檔，可以讓現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)得以傳承、改進(jìn)，避免因人員變動(dòng)而引起的元器件模型丟失。

通過(guò)定期對(duì)元器件庫(kù)進(jìn)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(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行搭建，同時(shí)考慮指標(biāo)的符合情況等。