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类型基于ADS的射频微波元器件模型库构建.pdf

  • 上传人:精品资料
  • 文档编号:9555552
  • 上传时间:2019-08-14
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    基于ADS的射频微波元器件模型库构建.pdf
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    1、基于 ADS的射频 微波 元器件模型库构建 谢成诚 张涛 (安捷伦科技 EEsof EDA ) cheng-cheng_; tao_ 摘 要 仿真 是早期验证最重要、最直观的手段,也是研发过程中发现问题和优化设计的重要途径。本文针对不同类型器件,提出了基于原理图模型、行为级模型以及测试模型,建立射频微波模型库。其中,使用基于测试结果的 X参数能够成功对放大模块、检波器、混频器等非线性器件进行有效建模。 统一的 射频元器件模型 平台 将使现有的元器件参数电子化,同时 便于 加入新元器件的设计电路或测试结果等,能够保障射频系统设计 的 有效开展。 关键词 射频与微波元器件 , 模型库 , X参数,

    2、 仿真 , ADS Construction of RF behavioral model; X-parameter; modeling; ADS 1 引言 在进行 通讯系统设计时,为了保证系统性能、保障研制周期,有必要在 系统设计阶段充分评估系统性能、验证系统算法、合理分配分系统指标 , 利用先进仿真技术为总体部门提供技术支撑保障,提高各部门设计效率,增进部门之间的协作。 数字化样机 研制平台建设就是基于这一需求进行的重要尝试。使用仿真技术,在系统指标分配阶段,进行系统建模及算法建模,通过仿真得到整个系统的电气性能,考虑关键指标对系统性能的影响。采用仿真技术进行模拟,可以尽早考虑分系统间的相

    3、互影响,合理进行系统指标分配,通过合理的技术手段解决问题,提高系统的稳定性。 在进行数字化样机研制过程中,必须将射频微波电路的性能加以考虑,以 最大程度接近 系统的实际工作状态。如何将已有 电路或设计中的 元器件 性能加以考虑,是进行数字化样机研制的基础保障工作之一。建立射频元器件模型库的工作使现有的元器件参数电子化,同时能够快速加入新元器件 的 设计电路、测试结果等,保障数字化样机设计工作的开展。 2 业界 现状 目前射频、微波设计人员尚处于按照指标完成设计、调试工作的阶段,没有对完成后的产品进行系统的建模、归档工作,这样会存在一些问题: 缺乏统一的设计、仿真平台,在进行系统仿真时缺乏器件模

    4、型支持; 缺乏规范的测试模型库,已有电路的使用率不高,往往是在不同的系统中,针对类似的功能 元器件 重复设计、调试电路,造成人力、物力的极大浪费; 文档管理工具匮乏,人员组织结构发生变化后,已有的电路、模块难以再次使用,已有经验的可继承性不高; 对于非线性器件没有适当的模型进行描述。如放大器、混频器等器件,无法进行宽频带、功率相关指标的描述。 针对目前的这些问题,选用目前市场占有率最高的射频、微波及系统设计软件,安捷伦的 ADS 作为设计平台,进行射频元器件模型库建设,以满足在进行射频系统设计时对基本电路单元的需求。 3 模型库 建立 针对射频电路设计、使用的特点,将器件模型、元器件图标、帮助

    5、及说明文档、版本控制文档等进行有机集成,形成风格统一、内容灵活多变的射频元器件模型库。模型库具体组成参考图 1: 图 1 射频元器件库组织框图 元器件库建设的重点在于选择适当的模型对元器件进行正确表征。基于射频微波元器件的特点,将元器件模型库分为三种模型进行建模。 基于原理图的模型可以直接将子电路带入上一次电路、系统进行仿真,但如果加入多个子电路,会让系统仿真速度变慢。行为级模型和基于测试的模型都属于黑盒模型的范畴。基于原理图的模型是自顶向下进行系统指标规划等工作的设计流程,而基于测量的模型则是自底向上进行系统性能验证的设计流程。 3.1 基于原理图的模型 一些常用电路,可以直接对其原理图进行

    6、模型提取,将其生成子电路,在后期电路中直接进行调用。图 2 是个非常典型的子电路结构 , 通过加入此滤波器的图标,可以快速将对应子电路拓扑加入到电路中。 图 2 基于原理图的元器件模型 3.2 行为级模型 行为级模型 ( behavioral models) 是 从元器件的电学工作特性出发,把元器件看成“黑盒子 ”,测量其端口的电气特性,提取的器件模型,即可以用公式来描述器件的工作特性。 通常情况下,使用多项式来对放大器等工作特性 曲线 进行拟合。 如器件厂商在产品手册中提供的某一频率的增益、噪声系数、输出功率、 1dB 压缩点、三阶交调截断点等指标, 可以加入已有模型 ,系统自动拟合出器件的

    7、工作曲线。如图 3 中,将不同频率 下 器件参数输入放大器模型,可以得到放大器在不同频率、功率下的响应。 图 3 放大器行为级模型 3.3 基于测量的模型 很多时候,基于知识产权保护的考虑,即使是同一个单位,同事或部门之间进行电路原理图的共享也不太可能。可以要求器件或电路的设计人员进行模型提取,提供器件的黑盒模型 。 在更多时候 ,获得射频元器件的原理图或行为级模型非常困难。这就要求 必须对已有器件或外协器件进行测试,并进行建模,创建模型库。 模型参数提取或测量可分为两类:线性模型及非线性模型。 3.3.1 线性模型提取 对于线性模型, 通常可以使用 n 端口散射矩阵( S 参数 ) 来进行描

    8、述。 S 参数使用入射电压波和反射电压波的方式定义网络的输入、输出关系,从而表征整个网络的特性。 S 参数采用 Touchstone 文件格式,也被称作 SnP 文件。 使用矢量网络分析仪,可以直接生成 SnP 文件。 大多数无源器件都可以使用线性模型进行表征,如滤波器、功分器、衰减器、耦合器、巴伦、小信号 激励 下的开关电路等。 3.3.2 非线性模型提取 对于非线性模型, 如放大器、限幅器、检波器、混频器等, 目前业界最好的模型为X 参数。如条件受限不能获得 X 参数,可以退而求其次,选择 P2D 模型。 与 S 参数相比, X 参数可以更为完整全面的方式表示或分析射频微波器件的非线性特性

    9、。作为 S 参数在大信号工作条件下的逻辑与数学范畴内的扩展, X 参数的获取首先需要把被测器件驱动到其饱和工作状态 这是很多器件真实的工作状态,然后再在这样的条件下对被测器件进行测量。 1 在测量 X 参数的时候, 不 需要知道与被测器件 (DUT)内部集成电路有关的信息,要做的是测量各种不同频率信号 电压波形的激励响应模型,如图 4 所示。 即将 信号的基波 和所产生的失真信号的绝对幅度、不同频率信号的相对相位信息都 精确地测量出来,然后用 X 参数来代表这些幅度和相位信息的组合。在这些快速得到的精准模型当中,还可以把更多的可变化的因素考虑进去,其中就包括源和负载的阻抗状态、所施加的 直流偏

    10、置电压、电流 值、甚至温度信息等。 图 4: X参数输入输出特性 有两种方法 可以用来生成 X参数 : 从安捷伦科技先进设计系统 (ADS)的电路级原理设计生成 X 参数,或者使用安捷伦科技PNA-X 矢量网络分析仪的非线性矢量网络测量 (NVNA) 应用程序直接测量出 X 参数。 要想从 ADS 的电路级原理图中得到 X参数,首先需要在 ADS 中设计好电 路原理图。电路原理图完成之后,就可以把频率、直流偏置、温度和其 他 重要的参数输入给ADS 用 来 产 生 X 参 数 的 应 用 程 序(X-parameter Generator X 参数 生成 器 )。这个工具使用电路级的设计来计算

    11、可供ADS 谐波平衡或电路包络仿真使用的器件或模块的 X 参数。 ADS 的 X 参数产生器工作起来非常灵活,可以为非线性多端口器件在多音激励以及负载牵引仿真的条件下产生 X 参数。因此,在 ADS 中使用参数提取器不仅可以对放大器、混频器等电路进行 X参数提取,还能够对多级混频链路等复杂电路进行 X 参数提取。 如果希望通过对器件的测量快速而精准地得到 X 参数,需要使用在安捷伦科技PNA-X 上实现的非线性矢量网络分析(NVNA)的测量技术。 NVNA 直接测量被测器件 (DUT) 的 X 参数,这些通过测量得到的 X 参数可以移植到 ADS 的仿真程序中。使用 NVNA 测量 X 参数的

    12、时候,充分利用了 PNA-X 内置的两个高性能激励源,其中的一个激励源用大信号激励被测器件使其达到大信号工作点,同时第二个激励源可以以各种适当测量频率和相位的信号给被测器件施加小的测量激励信号。 2 目前业界已经使用 X 参数对功率放大器进行了 X 参数的模型提取及仿真,显示了X 参数模型的精确性 。 3-5 同时,使用 X参数也能够成功表征检波器的非线性模型。6X 参数还能够支持级联模型仿真。 7 使用 NVNA 对混频器进行测试,建立 X参数模型 8,可以对混频器的变频损耗、RF-IF 泄漏、 LO-IF 泄漏以及混频器的高次交调产物等进行建模,如图 5 所示。 图 5 混频器 X参数仿真

    13、结果 :扫描 RF功率及频率时得到的变频损耗( a)、 RF-IF泄漏( b)、 LO-IF泄漏( c)以及 IF端口的谐杂波 (d) 在没有条件进行 X 参数提取时,可以将P2D 模型作为 X 参数的补充,建立非线性模型库。 P2D模型本质是功率相关的大信号 S参数,存储若干功率点对应的 S 参数,是宽带放大器模型之一。其缺点显而易见,仅考虑了器件的基波,高次谐波完全没有考虑。但是 P2D 模型能够预测宽带增益压缩特性,故能够在多芯片系统中用来描述放大器特性。 早在 2002 年,安捷伦就成功应用 P2D模型对频率为 1 至 12GHz 的多芯片系统进行了仿真和测试结果的对比 。 9 P2D

    14、 模型的另一优点是测量非常简单,只需要使用 ADS 中 的 连 接 管 理 器( Connection Manager)通过 GPIB 或 LAN就能够控制安捷伦的矢量网络分析仪(包括HP 时代的 8720 等型号以及 ENA、 PNA),读取放大器的 P2D 模型。 4 模型库的创建 在获得了一定数量的模型,并进行归类整理 后,可以进行模型库创建的工作。在此,使用 ADS 自带的 DesignGuide Developer Studio 进行模型库的创建工作。主要工作可以分为以下几步: 将模型作为子电路加入 模型库 ; 在位图编辑器中新建元 器 件图标或对已有图标进行修改, 编辑元器件列表,

    15、排列图标并编辑操作内容,如元 器件对应位图、帮助文档调用等; 设置元器件库的版本号,并进行编译,发布压缩包。 此时,其他射频或系统工程师只需要在本地计算机上安装元器件库压缩包,即可将自定义的元器件加入到 ADS 器件库中,方便的进行调用。 然后 可以根据需求,进行射频链路搭建或系统仿真。 图 6 为安装了自定义模型库后的原理图界面。 图 6 安装后的元器件库界面 5 结论 使用 ADS平台,能够针对大多数线性、非线性器件进行建模、测试,同时建立元器件模型库,以应用到射频链路、系统设计中,可以大大提高工程师的设计效率。 通过规范元器件的原理图以及帮助、说明文档,可以 让现有的工程经验得以传承、改

    16、进,避免因人员变动而引起的元器件模型丢失。 通过定期对 元器件 库进行更新, 辅助电子管理流程,可以 让射频系统工程师快速利用现有器件对新系统进行搭建,同时考虑指标的符合情况等。 参考文献 1 J. Verspecht and D. E. Root, “Poly-Harmonic Distortion Modeling,” in IEEE Microwave Theory and Techniques Microwave Magazine, June, 2006. 2 D. Vye, Fundamentally changing nonlinear microwave design, Micr

    17、owave Journal, March 2010 3 G. Simpson et al., “Load-pull + NVNA = enhanced X-parameters for PA designs with high mismatch and technology-independent large-signal device models”, ARFTG Microwave Measurement Symposium, 2008 72nd 4 J. Wood, G. Collins, ”Investigation of X-parameters measurements on a

    18、100 W Doherty power amplifier,” Microwave Measurements Conference , 2010 75th 5 J.M, Horn, J. Verspecht, G. Gunyan, L. Betts, D.E.Root, J, Eriksson, “X-Parameter Measurement and Simulation of a GSM Handset Amplifier”, Microwave Integrated Circuit Conference, 2008. EuMIC 2008. European 6 A.S.Boaventu

    19、ra, A.R. Testera, N.B.Carvalho, M.F.Barciela, “Using X-parameters to model diode-based RF power probes”, Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International 7 J. Horn, D.Gunyan, L.Betts, C.Gillease, J.Verspecht, D.E.Root, “Measurement-based large-signal simulation of active components fr

    20、om automated nonlinear vector network analyzer data via X-parameters”, Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems, 2008. COMCAS 2008 8 Chengcheng Xie, Tao Zhang, Di Liu, “Using X-parameters to model Mixers”, International Conference on Microwave and Millimeterwave Technology (ICMMT), 2012 9 J.wood, X. Qin, a. Cognata, “Nonlinear microwave/RF system design and simulation using Agilent ADS“System-Data Models”, BMAS 2002

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