基于ADS的射频微波元器件模型库构建

作者：是德科技软件应用工程师 - 谢成诚，张涛‍
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参数仿真, 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，是德科技的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：

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。

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。

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。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。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、所施加的直流偏置电压、电流值、甚至温度信息等。

有两种方法可以用来生成X参数: 从是德科技先进设计系统(ADS)的电路级原理设计生成X参数，或者使用是德科技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，需要使用在是德科技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。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。同时，使用X参数也能够成功表征检波器的非线性模型。X参数还能够支持级联模型仿真。使用NVNA对混频器进行测试，建立X参数模型，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。

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，是德科技（原安捷伦）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。P2D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就能够控制是德科技的矢量网络分析仪（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，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。

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
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