基于ADS的射頻微波元器件模型庫構建講解教程

仿真是早期驗證最重要、最直觀的手段，也是研發過程中發現問題和優化設計的重要途徑。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，使用基于測試結果的X參數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。統一的射頻元器件模型平臺將使現有的元器件參數電子化，同時便于加入新元器件的設計電路或測試結果等，能夠保障射頻系統設計的有效開展。

1、引言

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

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

在進行數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的實際工作狀態。如何將已有電路或設計中的元器件性能加以考慮，是進行數字化樣機研制的基礎保障工作之一。建立射頻元器件模型庫的工作使現有的元器件參數電子化，同時能夠快速加入新元器件的設計電路、測試結果等，保障數字化樣機設計工作的開展。

2、業界現狀

目前射頻、微波設計人員尚處于按照指標完成設計、調試工作的階段，沒有對完成后的產品進行系統的建模、歸檔工作，這樣會存在一些問題：

· 缺乏統一的設計、仿真平臺，在進行系統仿真時缺乏器件模型支持；

· 缺乏規范的測試模型庫，已有電路的使用率不高，往往是在不同的系統中，針對類似的功能元器件重復設計、調試電路，造成人力、物力的極大浪費；

· 文檔管理工具匱乏，人員組織結構發生變化后，已有的電路、模塊難以再次使用，已有經驗的可繼承性不高；

· 對于非線性器件沒有適當的模型進行描述。如放大器、混頻器等器件，無法進行寬頻帶、功率相關指標的描述。

針對目前的這些問題，選用目前市場占有率最高的射頻、微波及系統設計軟件，是德科技的ADS作為設計平臺，進行射頻元器件模型庫建設，以滿足在進行射頻系統設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，形成風格統一、內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：

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元器件庫建設的重點在于選擇適當的模型對元器件進行正確表征。基于射頻微波元器件的特點，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、系統進行仿真，但如果加入多個子電路，會讓系統仿真速度變慢。行為級模型和基于測試的模型都屬于黑盒模型的范疇。基于原理圖的模型是自頂向下進行系統指標規劃等工作的設計流程，而基于測量的模型則是自底向上進行系統性能驗證的設計流程。

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用。圖2是個非常典型的子電路結構，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。

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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，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。

如器件廠商在產品手冊中提供的某一頻率的增益、噪聲系數、輸出功率、1dB壓縮點、三階交調截斷點等指標，可以加入已有模型，系統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。

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3.3 基于測量的模型

很多時候，基于知識產權保護的考慮，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。可以要求器件或電路的設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器件進行測試，并進行建模，創建模型庫。

模型參數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）來進行描述。

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

大多數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，目前業界最好的模型為X參數。如條件受限不能獲得X參數，可以退而求其次，選擇P2D模型。

與S參數相比，X參數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參數在大信號工作條件下的邏輯與數學范疇內的擴展，X 參數的獲取首先需要把被測器件驅動到其飽和工作狀態——這是很多器件真實的工作狀態，然后再在這樣的條件下對被測器件進行測量。

在測量X參數的時候，不需要知道與被測器件（DUT）內部集成電路有關的信息，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、所施加的直流偏置電壓、電流值、甚至溫度信息等。

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

要想從ADS 的電路級原理圖中得到X參數，首先需要在ADS中設計好電路原理圖。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輸入給ADS用來產生X參數的應用程序（X-parameter Generator —X參數生成器）。這個工具使用電路級的設計來計算可供ADS諧波平衡或電路包絡仿真使用的器件或模塊的X參數。ADS的X 參數產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生X 參數。因此，在ADS中使用參數提取器不僅可以對放大器、混頻器等電路進行X參數提取，還能夠對多級混頻鏈路等復雜電路進行X參數提取。

如果希望通過對器件的測量快速而精準地得到X參數，需要使用在是德科技PNA-X 上實現的非線性矢量網絡分析（NVNA）的測量技術。NVNA 直接測量被測器件（DUT）的X參數，這些通過測量得到的X參數可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA測量X參數的時候，充分利用了PNA-X內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。

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

X參數還能夠支持級聯模型仿真。

使用NVNA對混頻器進行測試，建立X參數模型，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產物等進行建模，如圖5所示。

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

P2D 模型本質是功率相關的大信號S參數，存儲若干功率點對應的S參數，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的多芯片系統進行了仿真和測試結果的對比。

P2D模型的另一優點是測量非常簡單，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。