S參數(shù)測量

S參數(shù)測量是射頻設(shè)計(jì)過程中的基本手段之一。這些測量結(jié)果可被用在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)工具中，以作為電路仿真過程的一部分。S參數(shù)將元件描述成一個(gè)黑盒子，并被用來模擬電子元件在不同頻率下的行為。在有源和無源電路設(shè)計(jì)和分析中經(jīng)常會(huì)用到S參數(shù)，本文重點(diǎn)討論如何利用 CAD 方法把S參數(shù)融入到設(shè)計(jì)過程中。

S參數(shù)自問世以來已在電路仿真中得到廣泛使用。針對射頻和微波應(yīng)用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數(shù)進(jìn)行仿真的能力。在許多仿真器中我們都可以找到S參數(shù)模塊，設(shè)計(jì)人員會(huì)設(shè)置每一個(gè)具體S參數(shù)的值。下面通過例子進(jìn)一步說明如何將S參數(shù)用于低噪聲放大器(LNA)設(shè)計(jì)。

S參數(shù)為穩(wěn)定性分析和增益環(huán)分析等提供必需數(shù)據(jù)。然而，LNA 設(shè)計(jì)還需要小信號(hào)噪聲參數(shù)(如 Nfmin、Sopt和Rn)，以便能在仿真器中構(gòu)造提供特定噪聲系數(shù)所需的噪聲環(huán)。表中給出了在1GHz頻率下測量到的一組 S參數(shù)和噪聲參數(shù)。

圖1：包含噪聲分析設(shè)置的S參數(shù)仿真電路圖。

在執(zhí)行仿真之后，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以獲得設(shè)計(jì)LNA所需的信息(圖2)。

圖2：設(shè)計(jì)LNA所需的噪聲環(huán)和增益環(huán)信息。

這種分析顯示出了使用S參數(shù)所帶來的強(qiáng)大性能和多功能性。在實(shí)際設(shè)計(jì)流程中，這個(gè)過程非常有用，因?yàn)榭梢岳檬噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測量S參數(shù)，然后將參數(shù)用在仿真中。為擴(kuò)展這種基本能力，在不同頻率下測量到的S參數(shù)可采用仿真器支持的格式進(jìn)行保存。兩種可通過VNA建立并能被ADS使用的文件格式是citifile和touchstone。這種方法比單點(diǎn) S參數(shù)具有更高的靈活性。在實(shí)際工作中，對于不能使用現(xiàn)有 SPICE 或緊湊型模型的各種器件，設(shè)計(jì)工程師都會(huì)獲得來自元件廠商的數(shù)據(jù)，或通過實(shí)驗(yàn)室測量而獲得數(shù)據(jù)。本文將主要討論touchstone文件格式，因?yàn)樗沁@兩種格式中更加流行的一種。

設(shè)計(jì)工程師能在互聯(lián)網(wǎng)上找到制造商提供的各種S參數(shù)測量結(jié)果，也有可能獲得他們所在公司存檔的測量數(shù)據(jù)。這通常是一個(gè)好的開始，但這些數(shù)據(jù)通常是在與最終應(yīng)用環(huán)境不同的環(huán)境中測得的。這可能在仿真中引入很大的誤差。例如，當(dāng)電容器安裝在不同類型的印制電路板時(shí)，電容器會(huì)因?yàn)榘惭b焊盤和電路板材料(如厚度、介電常數(shù)等)而存在不同的諧振頻率。固態(tài)器件也會(huì)遇到類似問題(如 LNA 應(yīng)用中的晶體管)。為避免這些問題，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行參數(shù)測量時(shí)，最好將器件裝配在與將要生產(chǎn)的PCB相同的PCB上。

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(shí)候，設(shè)計(jì)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(jī)制，因?yàn)樵诓糠只蛉康念l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(diǎn)和常數(shù)外插；(2)使用兩個(gè)最接近的已知數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)選擇得不合適，會(huì)存在很大誤差，甚至導(dǎo)致仿真不收斂。圖3給出了兩個(gè)示例。

在圖3例子中，兩個(gè)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(gè)拐點(diǎn)，這與預(yù)期的電感器特性不符合。當(dāng)使用線性外插器時(shí)，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(gè)問題的另一方法是以手工方式將直流點(diǎn)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(xiǎn)。

S參數(shù)數(shù)據(jù)文件的一個(gè)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(jì)工程師應(yīng)首先進(jìn)行寬帶測量，然后對重點(diǎn)關(guān)注他們感興趣的窄帶，用更高的頻率分辨率進(jìn)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(jìn)行編輯。

大信號(hào)S參數(shù)

前面的討論根據(jù)定義默認(rèn)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(hào)激勵(lì)的情況下測量，輸出也不會(huì)產(chǎn)生諧波。那么，這些大信號(hào)S參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中有多大的有效性呢？當(dāng)沒有其它可用的模型時(shí)，S參數(shù)提供黑盒子式的電路描述，即使對大信號(hào)分析來說。

在大信號(hào)分析中使用S參數(shù)的一個(gè)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(hào)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(hào)touchstone文件，因?yàn)楦鶕?jù)定義，touchstone文件用于小信號(hào)功率級(jí)，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(jí)分析。例如，有時(shí)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(lì)下的性能的簡短描述，因此可認(rèn)為它是一種調(diào)諧模型。這意味著當(dāng)設(shè)計(jì)工程師在 ADS 中使用Amplifer P2D組件時(shí)，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(dāng)鄰道測量結(jié)果也是有用的時(shí)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(gè)看來似乎相同的信號(hào)，隨著信號(hào)遠(yuǎn)離載波頻率，這兩個(gè)信號(hào)的頻譜密度變得不同。

使用Touchstone文件和P2D文件的另一個(gè)非常重要的好處，是能較早地了解設(shè)計(jì)的性能。在項(xiàng)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(diǎn)、IP3等。這一直以來都是主流的方法。但現(xiàn)在，利用一個(gè)文件就可以得到實(shí)際測量的性能，以應(yīng)用到分析過程中去。實(shí)現(xiàn)這種情況的一個(gè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。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(jì)期間，IC廠商或設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)或客戶提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以確定所提議的設(shè)計(jì)是否符合整個(gè)系統(tǒng)要求，而無需等到實(shí)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(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀況(偏置、溫度等)。請注意，如果是設(shè)計(jì)是時(shí)變電路(例如功率控制環(huán))，或存在很強(qiáng)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(jì)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(jì)仿真中，P2D查找表使得采用P2D模型的設(shè)計(jì)比離散設(shè)計(jì)的仿真速度快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

審核編輯 ：李倩