如何在射频设计中有效地使用S参数

如何在射频设计中有效地使用S参数

S参数测量是射频设计过程中的基本手段之一。这些测量结果可被用在当今的计算机辅助设计(CAD)工具中，以作为电路仿真过程的一部分。S参数将元件描述成一个黑盒子，并被用来模拟电子元件在不同频率下的行为。在有源和无源电路设计和分析中经常会用到S参数，本文重点讨论如何利用 CAD 方法把S参数融入到设计过程中。

S参数自问世以来已在电路仿真中得到广泛使用。针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都许诺具有用S参数进行仿真的能力。在许多仿真器中我们都可以找到S参数模块，设计人员会设置每一个具体S参数的值。下面通过例子进一步说明如何将S参数用于低噪声放大器(LNA)设计。

S参数为稳定性分析和增益环分析等提供必需数据。然而，LNA 设计还需要小信号噪声参数(如 Nfmin、Sopt和Rn)，以便能在仿真器中构造提供特定噪声系数所需的噪声环。表中给出了在1GHz频率下测量到的一组 S参数和噪声参数。 s参数计算/s参数计算器 。

本文提到的所有仿真均使用安捷伦科技公司的Advanced Design System(ADS)。图1是包含S参数和噪声参数的电路原理图。

图1：包含噪声分析设置的S参数仿真电路图。

在执行仿真之后，即可对数据进行后处理，以获得设计LNA所需的信息(图2)。

图2：设计LNA所需的噪声环和增益环信息。

这种分析显示出了使用S参数所带来的强大性能和多功能性。在实际设计流程中，这个过程非常有用，因为可以利用矢量网络分析仪(VNA)测量S参数，然后将参数用在仿真中。为扩展这种基本能力，在不同频率下测量到的S参数可采用仿真器支持的格式进行保存。两种可通过VNA建立并能被ADS使用的文件格式是ciTIfile和touchstone。这种方法比单点 S参数具有更高的灵活性。在实际工作中，对于不能使用现有 SPICE 或紧凑型模型的各种器件，设计工程师都会获得来自元件厂商的数据，或通过实验室测量而获得数据。本文将主要讨论touchstone文件格式，因为它是这两种格式中更加流行的一种。

设计工程师能在互联网上找到制造商提供的各种S参数测量结果，也有可能获得他们所在公司存档的测量数据。这通常是一个好的开始，但这些数据通常是在与最终应用环境不同的环境中测得的。这可能在仿真中引入很大的误差。例如，当电容器安装在不同类型的印制电路板时，电容器会因为安装焊盘和电路板材料(如厚度、介电常数等)而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇到类似问题(如 LNA 应用中的晶体管)。为避免这些问题，当在实验室中进行参数测量时，最好将器件装配在与将要生产的PCB相同的PCB上。

图3：电感器的S参数结果(a)和SAW滤波器的S参数结果(b)。

在使用touchstone文件的时候，设计工程师还要考虑仿真频率偶尔处于该数据文件范围之外的情况。软件能提供外插数据或停止仿真的机制，因为在部分或全部的频率范围内并没有有效的数据。两种流行的外插技术是：(1)使用最接近的已知数据点和常数外插；(2)使用两个最接近的已知数据点进行线性外插。这两种外插技术得到结果都是近似的，如果数据点选择得不合适，会存在很大误差，甚至导致仿真不收敛。图3给出了两个示例。

图4：(a)AmpliferP2D的功率扫描结果；(b)大信号扫频结果。

在图3例子中，两个数据文件在50MHz至6GHz频率范围内都有数据。在电感器的S参数结果中，线性外插在 50MHz 处产生了一个拐点，这与预期的电感器特性不符合。当使用线性外插器时，表面声波滤波器在约8.5GHz处出现“增益”突变，而无源元件是不可能产生这种情况的。使用者需要知道touchstone文件中有用的频率范围，并选择合适的外插器。解决这个问题的另一方法是以手工方式将直流点或高频值增加到touchstone文件中，这种方法可消除不正确外插带来的风险。

S参数数据文件的一个非常重要的特性是仿真器在数据范围内应同样具有内插能力，但前提可能是需要在特定响应范围内有极为接近的数据样本，否则有可能完全丧失响应的重要特征(例如高Q值电路的谐振)。在这种情况下，设计工程师应首先进行宽带测量，然后对重点关注他们感兴趣的窄带，用更高的频率分辨率进行第二次测量，最后以手工方式组合这些文件。这些文件是ASCII数据文件，可以用任何文本编辑器对之进行编辑。

图5： PA和双路复用器电路的仿真结果。

大信号S参数

前面的讨论根据定义默认S参数是线性的。对CAD用户来说，这意味着器件要么是无源器件，要么被假设工作在仿真器响应的线性范围内。因此，对于S参数分析，即使是在大信号激励的情况下测量，输出也不会产生谐波。那么，这些大信号S参数在设计过程中有多大的有效性呢？当没有其它可用的模型时，S参数提供黑盒子式的电路描述，即使对大信号分析来说。

在大信号分析中使用S参数的一个好处是可以获得包含S参数测量结果的数据文件，此S参数测量结果是功率和频率的函数(也称为大信号S参数)。在 ADS 仿真器中，它由P2D文件完成。P2D 文件由被称为 Amplifier P2D的专用仿真器组件调用。P2D文件要优于大信号touchstone文件，因为根据定义，touchstone文件用于小信号功率级，而 P2D文件提供不同频率和功率下的S参数。利用软件可以很方便地创建测量得到的P2D文件。换句话说，软件能够控制仪器，并生成 P2D文件。也可以通过仿真结果创建P2D文件。

下面分析例子以说明P2D数据模型的有效性。首先，我们分析在固定输入频率下功率放大器(PA)的输出功率与输入功率的关系，如图4a所示。也可以利用P2D文件仿真输出功率与频率的关系，如图4b所示(固定的输入功率)。

P2D和touchstone文件的另一大用处是系统级分析。例如，有时需要看一下连接上述PA和双路复用器(用touchstone文件表示)之后的输出结果。电路图和分析结果如图5所示。

电路包络仿真中的调制源也可使用这些数据文件。P2D 文件是待测器件(DUT)在单音激励下的性能的简短描述，因此可认为它是一种调谐模型。这意味着当设计工程师在 ADS 中使用Amplifer P2D组件时，仅得到该组件定义频率下的 S参数(请记住：在输出处也没有谐波)。因此，非常宽的调制带宽有可能产生较大的误差，特别是当邻道测量结果也是有用的时候。例如，图6是被馈送到P2D 模型和分立电路模型的调制载波的输出。需要注意的是，在调制带宽内有两个看来似乎相同的信号，随着信号远离载波频率，这两个信号的频谱密度变得不同。

图6：使用调制信号的P2D文件仿真结果。

使用Touchstone文件和P2D文件的另一个非常重要的好处，是能较早地了解设计的性能。在项目早期阶段，系统工程师可能需要估算链路预算容限，并了解 PA 的性能。典型方法是使用电子表格型的参数，如增益、1dB压缩点、IP3等。这一直以来都是主流的方法。但现在，利用一个文件就可以得到实际测量的性能，以应用到分析过程中去。实现这种情况的一个好例子是P2D 文件可提供比电子表格更高的精度。另一种使用方法可能涉及知识产权的保护。P2D文件和touchstone文件可直接从仿真器中产生。因此在电路设计期间，IC厂商或设计团队也能为系统设计团队或客户提供设计数据，以确定所提议的设计是否符合整个系统要求，而无需等到实际生产出硬件之后才能确定。

数据模型文件的精度是这种方法获得成功的关键。基于测量的文件具有与测量结果同样的精度，并应尽可能地模拟实际的系统设计状况(偏置、温度等)。请注意，如果是设计是时变电路(例如功率控制环)，或存在很强的记忆效应，它们是不能被记录或包括在 P2D模型中的。

理解如何使用touchstone 和 P2D 文件对射频电路设计非常有用。此外，P2D文件还能提高仿真速度。在非常复杂的设计仿真中，P2D查找表使得采用P2D模型的设计比离散设计的仿真速度快几个数量级。

作者：Wilfredo Rivas-Torres；EEsof EDA部门应用工程师；Email: [email protected]；Agilent Technologies