第九讲S参数仿真ppt课件

1、第九讲 S参数仿真v 在进行射频微波电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用在进行射频微波电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用分布参数电路的分析方法。这时可以采用复杂的场分析法，但更多的是分布参数电路的分析方法。这时可以采用复杂的场分析法，但更多的是采用微波网络法来分析电路。对于微波网络而言，最重要的参数就是采用微波网络法来分析电路。对于微波网络而言，最重要的参数就是s s参数。在参数。在PCPC平台迈入平台迈入GHzGHz阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面阶段之后，从计算机的中央处理器、显示界面、存储器总线到、存储器总线到I IO O接口，全部进入高频传送的阶段，所以现在不

2、仅在接口，全部进入高频传送的阶段，所以现在不仅在射频微波电路设计时需要了解射频微波电路设计时需要了解S S参数相关知识，在计算机系统甚至消费参数相关知识，在计算机系统甚至消费电子系统的设计时也需要对相关知识有所掌握。本章通过实例介绍电子系统的设计时也需要对相关知识有所掌握。本章通过实例介绍ADS2009ADS2009实现实现S S参数仿真的原理和方法。参数仿真的原理和方法。v9 91 S1 S参数仿真基本原理及功能参数仿真基本原理及功能v 在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略在低频电路中，元器件的尺寸相对于信号的波长而言可以忽略( (通通常小于波长的常小于波长的1/10)1/

3、10)，这种情况下的电路被称为节点（，这种情况下的电路被称为节点（Lump)Lump)电路，此时电路，此时可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。可以采用常规的电压、电流定律来进行电路计算。v 但是在高频微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再被但是在高频微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再被视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基本的电路照论不再适用，而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来本的电路照论不再适用，而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波

4、的干涉使电压和电流失分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉使电压和电流失去了一致性，电压电流比为稳定状态的固有特性也不再适用，取而代之去了一致性，电压电流比为稳定状态的固有特性也不再适用，取而代之的是的是“分布参数分布参数”的特性阻抗观念，此时的电路以电磁波传送与反射为的特性阻抗观念，此时的电路以电磁波传送与反射为基础要素，即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。基础要素，即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。v 分布参数电路采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种分布参数电路采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种

5、等效简化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用电路的分析方法将微波元件等效为电路法，在分析场分布的基础上，用电路的分析方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，将微波系统简化为微波网络，将“场场”的问题转化为的问题转化为“路路”的问题来解决的问题来解决。v 一般地，利于一个有一般地，利于一个有Y Y、Z Z和和S S参数的网络是可以实际测量和分析的参数的网络是可以实际测量和分析的，其个，其个Y Y称为导纳系数，称为导纳

6、系数，Z Z称为阻抗参数，称为阻抗参数，S S称为散射参数。称为散射参数。Z Z和和Y Y参数对参数对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便地测试。但是在微波于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便地测试。但是在微波系统中，由于确定非系统中，由于确定非TEMTEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流中也存在实际困难，因此在处理高频网络时，等效电压和电电压和电流中也存在实际困难，因此在处理高频网络时，等效电压和电流，以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射波、反射流，以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射波、反

7、射波及传输被概念更加一致的是散射参数，即波及传输被概念更加一致的是散射参数，即S S参数矩阵，它更适合于分参数矩阵，它更适合于分布参数电路。布参数电路。v S S参数是建立在入射波、反射被关系基础上的网络参数，适于微波参数是建立在入射波、反射被关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口些反射信号，以及从该端口传向另一端口的信号电路分析，以器件端口些反射信号，以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同来描述电路网络。同N N端口网络的阻抗产导纳参数一样，用散射参数也端口网络的阻抗产导纳参数一样，用散射参数也能对能对N N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳参数反映了端口的总电压端口网

8、络进行完善的描述。阻抗和导纳参数反映了端口的总电压和电流的关系，而散射参数是反映端口的入射电压波和反射电压波的关和电流的关系，而散射参数是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参数可以直接用网络分析仪测量得到，而且可以用网络分析法系。散射参数可以直接用网络分析仪测量得到，而且可以用网络分析法来计算。来计算。v 下面以二端口网络为例说明下面以二端口网络为例说明S S参数的含义，如图所示。参数的含义，如图所示。v 二端口网络有二端口网络有4 4个个S S参数，参数，Sij表示能量从表示能量从J J口注入，在口注入，在i口测得的能量，如口测得的能量，如S11定定义为从义为从Port1Port1

9、口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，各参数的物理含义和特殊网络的特性如下所述。电压和等效入射电压的比值，各参数的物理含义和特殊网络的特性如下所述。vS11 ：端口：端口2 2匹配时，端口匹配时，端口1 1的反射系数的反射系数vS22：端口：端口1 1匹配时，端口匹配时，端口2 2的反射系数的反射系数vS12；端口；端口1 1匹配时，端口匹配时，端口2 2到端口到端口1 1的反向传输系数的反向传输系数vS21：端口：端口2 2匹配时，端口匹配时，端口1 1到端口到端口2 2的正向传输系数的正

10、向传输系数v对于互易网络对于互易网络S21S12；对于对称网络；对于对称网络S11S22；对于无耗网络；对于无耗网络( (S11) )2 2+(+(S22) )2 21 1S21S12S11S22Port1Port2v 2 2S S参数在电路仿真中的应用参数在电路仿真中的应用v ADSADS仿真器中都可以找到仿真器中都可以找到S S参数模块，用户可以对每个参数模块，用户可以对每个S S参数进行设参数进行设置完成相应的仿真。同时，用户也可以通过网络分析仪对要生产的置完成相应的仿真。同时，用户也可以通过网络分析仪对要生产的PCBPCB进行精确的进行精确的S S参数测量。用户还可以采用元器件厂家提供

11、的参数测量。用户还可以采用元器件厂家提供的S S参数进行仿参数进行仿真，当电容器安装在不同类型的真，当电容器安装在不同类型的PCB时，电容器会因为安装焊盘和电路时，电容器会因为安装焊盘和电路板材料板材料( (如厚度、介电常数等如厚度、介电常数等) )而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇而存在不同的谐振频率。固态器件也会遇到类似问题到类似问题( (如如LNA应用中的晶体管应用中的晶体管) )。为避免这些问题，最好在实验室。为避免这些问题，最好在实验室中测量中测量S S参数。但无论如何，为了进行射频系统仿真，无法回避使用参数。但无论如何，为了进行射频系统仿真，无法回避使用S S参参数模型，无论这些

12、数据是来自设计师的亲自测量，还是直接从元器件厂数模型，无论这些数据是来自设计师的亲自测量，还是直接从元器件厂家获得，这是由高频电子电路的特性所决定的。家获得，这是由高频电子电路的特性所决定的。vS S参数仿真的主要功能包括以下参数仿真的主要功能包括以下5 5个方面：个方面：v获得器件或电路的获得器件或电路的S S参数，并可以将该参数转换成参数，并可以将该参数转换成Y Y参数或参数或Z Z参数。参数。v仿真群延时仿真群延时v仿真线性噪声仿真线性噪声v分析频率改变对小信号的影响分析频率改变对小信号的影响v仿真混频器电路的仿真混频器电路的S S参数参数v9.2 S9.2 S参数仿真面板与仿真控制器参

13、数仿真面板与仿真控制器v ADSADS中有专门针对中有专门针对S S参数仿真的元件面板，在参数仿真的元件面板，在“Simulation-S_Param”类元件面板中提供了所有类元件面板中提供了所有S参数仿真需要的控件，如图所示。参数仿真需要的控件，如图所示。 v 1)1)S参数仿真控制器参数仿真控制器S参数仿真控制器参数仿真控制器( (SP) )：是控制：是控制S S参数仿真最主要的参数仿真最主要的控件。可以设置控件。可以设置S参数仿真的频率扫描范围；仿真执行参数和噪声分析参数仿真的频率扫描范围；仿真执行参数和噪声分析相关参数等。相关参数等。v 双击双击S S参数仿真控制器，弹出参数设置参数仿

14、真控制器，弹出参数设置选项卡，可以通过该选项卡对选项卡，可以通过该选项卡对SP参数进参数进行设置。行设置。v (1)(1)Frequency：S参数仿真要在一参数仿真要在一定频率范围内执行，因此在定频率范围内执行，因此在S S参数仿真参数仿真执行前通过执行前通过S S参数仿真控制器设置窗口参数仿真控制器设置窗口中的中的FrequencyFrequency选项卡对频率参数进选项卡对频率参数进行设置，如图所示。行设置，如图所示。v(2)(2)Parameters：S S参数仿真中的参数计算参数仿真中的参数计算、频率转换、仿真状态信息显示和仿真结、频率转换、仿真状态信息显示和仿真结果保存等参数，用户

15、可以通过果保存等参数，用户可以通过ParametersParameters选项户进行设置，如图所示选项户进行设置，如图所示。v参数计算参数计算( (Calculate) )：设置仿真过程中计：设置仿真过程中计算的参数，包括算的参数，包括S S参数、参数、Y Y参数、参数、Z Z参数和参数和群延时参数。用户可以选中需计算的参群延时参数。用户可以选中需计算的参 数，仿真结束后可以在仿真结果中查看这数，仿真结束后可以在仿真结果中查看这个参数个参数 。v频率转换频率转换( (Frequency Conversion) )；决定是；决定是否允许进行频率转换。如果选中此项，则否允许进行频率转换。如果选中此

16、项，则可以执行带有频率转换的可以执行带有频率转换的S S多数仿真。多数仿真。v仿真状态显示仿真状态显示( (Status level) )：设置仿真状设置仿真状态窗口中显示信息的多少。其中，态窗口中显示信息的多少。其中，“0 0”表表示显示很少的仿真信息，示显示很少的仿真信息，“1 1”和和“2 2”表示表示显示正常的仿真信息，显示正常的仿真信息，“3 3”和和“4 4”表示显表示显示较多的仿真信息。示较多的仿真信息。v器件的操作点信息设置器件的操作点信息设置( (Device operating point level) )：设置数据文件是否保存原理设置数据文件是否保存原理图中的有源器件和部

17、分线性器件的操作点图中的有源器件和部分线性器件的操作点。其中，。其中，“None”表示不保存有源器件和表示不保存有源器件和部分线性器件的操作点相关系数，部分线性器件的操作点相关系数，“Brief”表示仅保存部分元件的电流、功表示仅保存部分元件的电流、功率和一些线性器件的参数。率和一些线性器件的参数。 “Detailed”表示保存所有直流仿真的工作点值，如电表示保存所有直流仿真的工作点值，如电流、电压、功率和线性器件参数。流、电压、功率和线性器件参数。v3)Noise3)Noise：在：在S S参数仿真卡同样可以进行噪声参数仿真卡同样可以进行噪声分析，噪声分析的相关参数可以通过分析，噪声分析的相

18、关参数可以通过NoiseNoise选项产进行设置，如图所示。选项产进行设置，如图所示。v 是否执行噪声分析是否执行噪声分析(Calculate)(Calculate)：用用S S参数仿参数仿真过程中是否执行噪声分析真过程中是否执行噪声分析, , 如果选择不执行噪如果选择不执行噪声分析，声分析，NoiseNoise选项卡中的其他参数设置无效。选项卡中的其他参数设置无效。v 噪声输入端口噪声输入端口(Noise input port)(Noise input port)：设定噪设定噪声分析时噪声的输入端口。声分析时噪声的输入端口。v 噪声输出端口噪声输出端口(Noise contributors)

19、(Noise contributors)：设定设定噪声分析时噪声的输出端口。噪声分析时噪声的输出端口。 v噪声来源分析噪声来源分析(Noise contributors)(Noise contributors)：设定：设定噪声分析时各噪声来源的分类方法。噪声分析时各噪声来源的分类方法。v噪声显示的动态范围噪声显示的动态范围(Dynamic range to (Dynamic range to display)display)：设定噪声显示的范围：设定噪声显示的范围v噪产带宽噪产带宽(Bandwidth)(Bandwidth)：设定噪声分析带宽：设定噪声分析带宽v 2)S2)S参数仿真测试平台控

20、件参数仿真测试平台控件 (SP Lab)(SP Lab)：它专门用于建立：它专门用于建立S S参数仿真的测参数仿真的测试平台，其参数与试平台，其参数与S S参数仿真控制器参数相同。参数仿真控制器参数相同。v3)3)参数扫描计划控制器参数扫描计划控制器( (SWEEP PLAN) )：主要用于设置仿真中的参数扫：主要用于设置仿真中的参数扫描计划。用户可以通过该控制器添加一个或多个扫描变量，并制定相应描计划。用户可以通过该控制器添加一个或多个扫描变量，并制定相应的扫描计划。的扫描计划。v4)4)参数扫描控制器参数扫描控制器 ( (PARAMETER SWEEP) )：用于设定仿真中的扫描：用于设定

21、仿真中的扫描参数。该控制器设定的扫描参数可以在多个仿真实例中使用。参数。该控制器设定的扫描参数可以在多个仿真实例中使用。v 5)S5)S参数仿真设置控制器参数仿真设置控制器 (OPTIONS) (OPTIONS) 主要用于进行：主要用于进行：S S参数仿真时环境参数仿真时环境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等相温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等相关参数的设置。关参数的设置。v 6)6)终端负载终端负载 终端负载终端负载( (Term) )如图所示，用于定义端口标号及设定各如图所示，用于定义端口标号及设定各端口终端负载阻抗。端口终端负载阻抗。v

22、 7)7)最大增益控件最大增益控件 最大增益控件最大增益控件MaxGain) )如图所示，用于在仿真如图所示，用于在仿真结果中添加仿真电路的最大增益数据组。结果中添加仿真电路的最大增益数据组。v 8)8)功率增益控件功率增益控件( (PwrGain）: :用于在仿真电路中添加仿真电路功率增益用于在仿真电路中添加仿真电路功率增益的数据组。的数据组。v 9)9)电压增益控件电压增益控件( (VoltGain) )：用于在仿真结果中添加仿真电路电压增益：用于在仿真结果中添加仿真电路电压增益的数据组。的数据组。v10)10)电压驻波比控件电压驻波比控件( (VSWR) )：用于在仿真结果中添加仿真电路

23、各端口：用于在仿真结果中添加仿真电路各端口电压驻波比的数据组。电压驻波比的数据组。v 11) 11)增益波纹控件增益波纹控件(GainRipple):(GainRipple):用于在仿真结果中添加仿真电路增益用于在仿真结果中添加仿真电路增益波纹的数据组。波纹的数据组。v 12)12)输入导纳控件输入导纳控件(Yin):(Yin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入导纳的数用于在仿真结果中添加仿真电路输入导纳的数据组。用户在仿真结束后可以直接在数据显示窗口中查看仿真电路或仿据组。用户在仿真结束后可以直接在数据显示窗口中查看仿真电路或仿真网络的输入导纳。真网络的输入导纳。v 13)13)输入阻抗控件

24、输入阻抗控件(Zin):(Zin):用于在仿真结果中添加仿真电路输入阻抗的数用于在仿真结果中添加仿真电路输入阻抗的数据组。据组。v14)14)史密斯圆图控件：是射频电路分析中最有效和最直观的工具。史密斯圆图控件：是射频电路分析中最有效和最直观的工具。ADSADS提提供各种史密斯圆图工具，如各种增益圆图、噪声系数原图和稳定性原图供各种史密斯圆图工具，如各种增益圆图、噪声系数原图和稳定性原图等。用户可以在原理图中通过这些控件计算相应数据，并将这些数据添等。用户可以在原理图中通过这些控件计算相应数据，并将这些数据添加到仿真结果中。加到仿真结果中。v9.3 S9.3 S参数仿真的一般过程参数仿真的一般

25、过程v (1)(1)选择器件模型并建立电路原理图。选择器件模型并建立电路原理图。v (2)(2)确定需要进行确定需要进行S S参数仿真的参数仿真的I/OI/O端，并在端，并在“Simulation-S Param”元件面板中选择终端负载控件元件面板中选择终端负载控件Term分别连接在电路的分别连接在电路的I/OI/O端口。端口。v (3)(3)在在“Simulation-S_Param”元件面板列表中选择元件面板列表中选择S S参数仿真控制参数仿真控制器器SP，并放置在电路图设计窗口中。，并放置在电路图设计窗口中。v (4)(4)双击双击S S参数仿真控制器，在参数仿真控制器，在 Freque

26、ncy 选项卡中对交流仿真中选项卡中对交流仿真中频率扫描类型和扫描范围等进行设置。频率扫描类型和扫描范围等进行设置。v (5)(5)如果扫描变量较多，则需要在如果扫描变量较多，则需要在“Simulation-S_Param”元件面板元件面板中选择中选择“PARAMETER SWEEP”控件，在其中设置多个扫描变量，以控件，在其中设置多个扫描变量，以及每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。及每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等。v v(6)(6)如果需要计算电路的群延时特性，则需要在如果需要计算电路的群延时特性，则需要在S S参数仿真控制器参数设参数仿真控制器参数设置窗口中选择置窗口中选择 Parameters 选项卡，在选项卡，在“Calculate”项中选中项中选中“Group delay”，允许在仿真中计算群延时参数。，允许在仿真中计算群延时参数。v(7)(7)如果需要对电路进行线性噪声分析，则需要在如果需要对电路进行线性噪声分析，则需要在S S参数仿真控制器参数参数仿真控制器参数设置窗口的设置窗口