線性S參數(shù)數(shù)據(jù)與非線性數(shù)據(jù)相結(jié)合的RF放大器模型結(jié)構(gòu)解析

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(dāng)信號鏈由調(diào)制信號驅(qū)動時，這些特性變得很重要。

表1.典型Sys參數(shù)數(shù)據(jù)集

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(zhǔn)確程度。

S參數(shù)

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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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。

Keysight Sys-參數(shù)

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(jìn)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(jìn)行高階信號特性仿真，例如ACLR和EVM。

ADI公司維護(hù)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(rèn)偏移。

圖1.Keysight Genesys屏幕截圖，展示了典型的sys-參數(shù)模型。

評估sys-參數(shù)模型的準(zhǔn)確性

為了評估sys-參數(shù)模型的準(zhǔn)確性，我們現(xiàn)在將對實測結(jié)果和仿真進(jìn)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(rèn)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。

到AM和AAMM到PM失真

為了更細(xì)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(xì)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。

氮化鎵放大器的功率掃描仿真

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。

ACLR仿真

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(jìn)行仿真或測量，ACLR和EVM之類的指標(biāo)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(jìn)行測量。

圖5.ACLR仿真。

仿真表明，ACLR在–15 dBm的輸入功率下達(dá)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(dāng)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(zhǔn)確的ACLR掃描。

該圖還包括實測數(shù)據(jù)（藍(lán)色）。對于–15 dBm的輸入功率水平，它未達(dá)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(rèn)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(xì)的電平相關(guān)性建模可能會產(chǎn)生更準(zhǔn)確仿真的例子。

EVM仿真

sys-參數(shù)模型還可用來可靠地進(jìn)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。

溫度仿真

ADI庫中的默認(rèn)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(kuò)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。

在ADS中進(jìn)行仿真

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(jìn)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(dāng)執(zhí)行RF功率掃描，Amplifier2模型被強(qiáng)驅(qū)進(jìn)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(biāo)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。

結(jié)論

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(qiáng)大，后者不能進(jìn)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(hù)和擴(kuò)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。Keysight Genesys和SystemVue的最新庫可以在analog.com/sys-parameters下載。

圖8.在使用Amplifier2模型的Keysight ADS中使用sys-參數(shù)數(shù)據(jù)。

參考電路

PathWave系統(tǒng)設(shè)計(SystemVue)。Keysight Technologies，2020年。

PathWave RF頻率合成(Genesys)。Keysight Technologies，2020年。
編輯：hfy