如何在射頻設(shè)計中有效地使用S參數(shù)

圖3：電感器的S參數(shù)結(jié)果(a)和SAW濾波器的S參數(shù)結(jié)果(b)。

在使用touchstone文件的時候，設(shè)計工程師還要考慮仿真頻率偶爾處于該數(shù)據(jù)文件范圍之外的情況。軟件能提供外插數(shù)據(jù)或停止仿真的機制，因為在部分或全部的頻率范圍內(nèi)并沒有有效的數(shù)據(jù)。兩種流行的外插技術(shù)是：(1)使用最接近的已知數(shù)據(jù)點和常數(shù)外插；(2)使用兩個最接近的已知數(shù)據(jù)點進行線性外插。這兩種外插技術(shù)得到結(jié)果都是近似的，如果數(shù)據(jù)點選擇得不合適，會存在很大誤差，甚至導(dǎo)致仿真不收斂。圖3給出了兩個示例。

圖4：(a)AmpliferP2D的功率掃描結(jié)果；(b)大信號掃頻結(jié)果。

在圖3例子中，兩個數(shù)據(jù)文件在50MHz至6GHz頻率范圍內(nèi)都有數(shù)據(jù)。在電感器的S參數(shù)結(jié)果中，線性外插在 50MHz 處產(chǎn)生了一個拐點，這與預(yù)期的電感器特性不符合。當使用線性外插器時，表面聲波濾波器在約8.5GHz處出現(xiàn)“增益”突變，而無源元件是不可能產(chǎn)生這種情況的。使用者需要知道touchstone文件中有用的頻率范圍，并選擇合適的外插器。解決這個問題的另一方法是以手工方式將直流點或高頻值增加到touchstone文件中，這種方法可消除不正確外插帶來的風(fēng)險。

S參數(shù)數(shù)據(jù)文件的一個非常重要的特性是仿真器在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)應(yīng)同樣具有內(nèi)插能力，但前提可能是需要在特定響應(yīng)范圍內(nèi)有極為接近的數(shù)據(jù)樣本，否則有可能完全喪失響應(yīng)的重要特征(例如高Q值電路的諧振)。在這種情況下，設(shè)計工程師應(yīng)首先進行寬帶測量，然后對重點關(guān)注他們感興趣的窄帶，用更高的頻率分辨率進行第二次測量，最后以手工方式組合這些文件。這些文件是ASCII數(shù)據(jù)文件，可以用任何文本編輯器對之進行編輯。

圖5： PA和雙路復(fù)用器電路的仿真結(jié)果。

大信號S參數(shù)

前面的討論根據(jù)定義默認S參數(shù)是線性的。對CAD用戶來說，這意味著器件要么是無源器件，要么被假設(shè)工作在仿真器響應(yīng)的線性范圍內(nèi)。因此，對于S參數(shù)分析，即使是在大信號激勵的情況下測量，輸出也不會產(chǎn)生諧波。那么，這些大信號S參數(shù)在設(shè)計過程中有多大的有效性呢？當沒有其它可用的模型時，S參數(shù)提供黑盒子式的電路描述，即使對大信號分析來說。

在大信號分析中使用S參數(shù)的一個好處是可以獲得包含S參數(shù)測量結(jié)果的數(shù)據(jù)文件，此S參數(shù)測量結(jié)果是功率和頻率的函數(shù)(也稱為大信號S參數(shù))。在 ADS 仿真器中，它由P2D文件完成。P2D 文件由被稱為 Amplifier P2D的專用仿真器組件調(diào)用。P2D文件要優(yōu)于大信號touchstone文件，因為根據(jù)定義，touchstone文件用于小信號功率級，而 P2D文件提供不同頻率和功率下的S參數(shù)。利用軟件可以很方便地創(chuàng)建測量得到的P2D文件。換句話說，軟件能夠控制儀器，并生成 P2D文件。也可以通過仿真結(jié)果創(chuàng)建P2D文件。

下面分析例子以說明P2D數(shù)據(jù)模型的有效性。首先，我們分析在固定輸入頻率下功率放大器(PA)的輸出功率與輸入功率的關(guān)系，如圖4a所示。也可以利用P2D文件仿真輸出功率與頻率的關(guān)系，如圖4b所示(固定的輸入功率)。

P2D和touchstone文件的另一大用處是系統(tǒng)級分析。例如，有時需要看一下連接上述PA和雙路復(fù)用器(用touchstone文件表示)之后的輸出結(jié)果。電路圖和分析結(jié)果如圖5所示。

電路包絡(luò)仿真中的調(diào)制源也可使用這些數(shù)據(jù)文件。P2D 文件是待測器件(DUT)在單音激勵下的性能的簡短描述，因此可認為它是一種調(diào)諧模型。這意味著當設(shè)計工程師在 ADS 中使用Amplifer P2D組件時，僅得到該組件定義頻率下的 S參數(shù)(請記?。涸谳敵鎏幰矝]有諧波)。因此，非常寬的調(diào)制帶寬有可能產(chǎn)生較大的誤差，特別是當鄰道測量結(jié)果也是有用的時候。例如，圖6是被饋送到P2D 模型和分立電路模型的調(diào)制載波的輸出。需要注意的是，在調(diào)制帶寬內(nèi)有兩個看來似乎相同的信號，隨著信號遠離載波頻率，這兩個信號的頻譜密度變得不同。

圖6：使用調(diào)制信號的P2D文件仿真結(jié)果。

使用Touchstone文件和P2D文件的另一個非常重要的好處，是能較早地了解設(shè)計的性能。在項目早期階段，系統(tǒng)工程師可能需要估算鏈路預(yù)算容限，并了解 PA 的性能。典型方法是使用電子表格型的參數(shù)，如增益、1dB壓縮點、IP3等。這一直以來都是主流的方法。但現(xiàn)在，利用一個文件就可以得到實際測量的性能，以應(yīng)用到分析過程中去。實現(xiàn)這種情況的一個好例子是P2D 文件可提供比電子表格更高的精度。另一種使用方法可能涉及知識產(chǎn)權(quán)的保護。P2D文件和touchstone文件可直接從仿真器中產(chǎn)生。因此在電路設(shè)計期間，IC廠商或設(shè)計團隊也能為系統(tǒng)設(shè)計團隊或客戶提供設(shè)計數(shù)據(jù)，以確定所提議的設(shè)計是否符合整個系統(tǒng)要求，而無需等到實際生產(chǎn)出硬件之后才能確定。

數(shù)據(jù)模型文件的精度是這種方法獲得成功的關(guān)鍵?；跍y量的文件具有與測量結(jié)果同樣的精度，并應(yīng)盡可能地模擬實際的系統(tǒng)設(shè)計狀況(偏置、溫度等)。請注意，如果是設(shè)計是時變電路(例如功率控制環(huán))，或存在很強的記憶效應(yīng)，它們是不能被記錄或包括在 P2D模型中的。

理解如何使用touchstone 和 P2D 文件對射頻電路設(shè)計非常有用。此外，P2D文件還能提高仿真速度。在非常復(fù)雜的設(shè)計仿真中，P2D查找表使得采用P2D模型的設(shè)計比離散設(shè)計的仿真速度快幾個數(shù)量級。

作者：Wilfredo Rivas-Torres；EEsof EDA部門應(yīng)用工程師；Email: wilfredo_rivas-torres@agilent.com；Agilent Technologies