仿真是早期驗(yàn)證最重要、最直觀的手段，也是研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)問題和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要途徑。本文針對不同類型器件，提出了基于原理圖模型、行為級模型以及測試模型，建立射頻微波模型庫。其中，使用基于測試結(jié)果的X參數(shù)能夠成功對放大模塊、檢波器、混頻器等非線性器件進(jìn)行有效建模。統(tǒng)一的射頻元器件模型平臺(tái)將使現(xiàn)有的元器件參數(shù)電子化，同時(shí)便于加入新元器件的設(shè)計(jì)電路或測試結(jié)果等，能夠保障射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效開展。

1、引言

在進(jìn)行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證系統(tǒng)性能、保障研制周期，有必要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段充分評估系統(tǒng)性能、驗(yàn)證系統(tǒng)算法、合理分配分系統(tǒng)指標(biāo)，利用先進(jìn)仿真技術(shù)為總體部門提供技術(shù)支撐保障，提高各部門設(shè)計(jì)效率，增進(jìn)部門之間的協(xié)作。

數(shù)字化樣機(jī)研制平臺(tái)建設(shè)就是基于這一需求進(jìn)行的重要嘗試。使用仿真技術(shù)，在系統(tǒng)指標(biāo)分配階段，進(jìn)行系統(tǒng)建模及算法建模，通過仿真得到整個(gè)系統(tǒng)的電氣性能，考慮關(guān)鍵指標(biāo)對系統(tǒng)性能的影響。采用仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，可以盡早考慮分系統(tǒng)間的相互影響，合理進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)分配，通過合理的技術(shù)手段解決問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)研制過程中，必須將射頻微波電路的性能加以考慮，以最大程度接近系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)。如何將已有電路或設(shè)計(jì)中的元器件性能加以考慮，是進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)研制的基礎(chǔ)保障工作之一。建立射頻元器件模型庫的工作使現(xiàn)有的元器件參數(shù)電子化，同時(shí)能夠快速加入新元器件的設(shè)計(jì)電路、測試結(jié)果等，保障數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)工作的開展。

2、業(yè)界現(xiàn)狀

目前射頻、微波設(shè)計(jì)人員尚處于按照指標(biāo)完成設(shè)計(jì)、調(diào)試工作的階段，沒有對完成后的產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的建模、歸檔工作，這樣會(huì)存在一些問題：

· 缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)，在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)缺乏器件模型支持；

· 缺乏規(guī)范的測試模型庫，已有電路的使用率不高，往往是在不同的系統(tǒng)中，針對類似的功能元器件重復(fù)設(shè)計(jì)、調(diào)試電路，造成人力、物力的極大浪費(fèi)；

· 文檔管理工具匱乏，人員組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，已有的電路、模塊難以再次使用，已有經(jīng)驗(yàn)的可繼承性不高；

· 對于非線性器件沒有適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行描述。如放大器、混頻器等器件，無法進(jìn)行寬頻帶、功率相關(guān)指標(biāo)的描述。

針對目前的這些問題，選用目前市場占有率最高的射頻、微波及系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，是德科技的ADS作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行射頻元器件模型庫建設(shè)，以滿足在進(jìn)行射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對基本電路單元的需求。

3、模型庫建立

針對射頻電路設(shè)計(jì)、使用的特點(diǎn)，將器件模型、元器件圖標(biāo)、幫助及說明文檔、版本控制文檔等進(jìn)行有機(jī)集成，形成風(fēng)格統(tǒng)一、內(nèi)容靈活多變的射頻元器件模型庫。模型庫具體組成參考圖1：

元器件庫建設(shè)的重點(diǎn)在于選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯υ骷M(jìn)行正確表征。基于射頻微波元器件的特點(diǎn)，將元器件模型庫分為三種模型進(jìn)行建模。基于原理圖的模型可以直接將子電路帶入上一次電路、系統(tǒng)進(jìn)行仿真，但如果加入多個(gè)子電路，會(huì)讓系統(tǒng)仿真速度變慢。行為級模型和基于測試的模型都屬于黑盒模型的范疇。基于原理圖的模型是自頂向下進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)規(guī)劃等工作的設(shè)計(jì)流程，而基于測量的模型則是自底向上進(jìn)行系統(tǒng)性能驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程。

3.1 基于原理圖的模型

一些常用電路，可以直接對其原理圖進(jìn)行模型提取，將其生成子電路，在后期電路中直接進(jìn)行調(diào)用。圖2是個(gè)非常典型的子電路結(jié)構(gòu)，通過加入此濾波器的圖標(biāo)，可以快速將對應(yīng)子電路拓?fù)浼尤氲诫娐分小?/p>

3.2 行為級模型

行為級模型（behavioral models）是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成“黑盒子”，測量其端口的電氣特性，提取的器件模型，即可以用公式來描述器件的工作特性。通常情況下，使用多項(xiàng)式來對放大器等工作特性曲線進(jìn)行擬合。

如器件廠商在產(chǎn)品手冊中提供的某一頻率的增益、噪聲系數(shù)、輸出功率、1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)等指標(biāo)，可以加入已有模型，系統(tǒng)自動(dòng)擬合出器件的工作曲線。如圖3中，將不同頻率下器件參數(shù)輸入放大器模型，可以得到放大器在不同頻率、功率下的響應(yīng)。

3.3 基于測量的模型

很多時(shí)候，基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的考慮，即使是同一個(gè)單位，同事或部門之間進(jìn)行電路原理圖的共享也不太可能。可以要求器件或電路的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模型提取，提供器件的黑盒模型。

在更多時(shí)候，獲得射頻元器件的原理圖或行為級模型非常困難。這就要求必須對已有器件或外協(xié)器件進(jìn)行測試，并進(jìn)行建模，創(chuàng)建模型庫。

模型參數(shù)提取或測量可分為兩類：線性模型及非線性模型。

3.3.1 線性模型提取

對于線性模型，通?？梢允褂胣端口散射矩陣（S參數(shù)）來進(jìn)行描述。

S參數(shù)使用入射電壓波和反射電壓波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系，從而表征整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特性。S參數(shù)采用Touchstone文件格式，也被稱作SnP文件。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以直接生成SnP文件。

大多數(shù)無源器件都可以使用線性模型進(jìn)行表征，如濾波器、功分器、衰減器、耦合器、巴倫、小信號(hào)激勵(lì)下的開關(guān)電路等。

3.3.2 非線性模型提取

對于非線性模型，如放大器、限幅器、檢波器、混頻器等，目前業(yè)界最好的模型為X參數(shù)。如條件受限不能獲得X參數(shù)，可以退而求其次，選擇P2D模型。

與S參數(shù)相比，X參數(shù)可以更為完整全面的方式表示或分析射頻微波器件的非線性特性。作為S參數(shù)在大信號(hào)工作條件下的邏輯與數(shù)學(xué)范疇內(nèi)的擴(kuò)展，X 參數(shù)的獲取首先需要把被測器件驅(qū)動(dòng)到其飽和工作狀態(tài)——這是很多器件真實(shí)的工作狀態(tài)，然后再在這樣的條件下對被測器件進(jìn)行測量。

在測量X參數(shù)的時(shí)候，不需要知道與被測器件(DUT)內(nèi)部集成電路有關(guān)的信息，要做的是測量各種不同頻率信號(hào)電壓波形的激勵(lì)響應(yīng)模型，如圖4 所示。即將信號(hào)的基波和所產(chǎn)生的失真信號(hào)的絕對幅度、不同頻率信號(hào)的相對相位信息都精確地測量出來，然后用X參數(shù)來代表這些幅度和相位信息的組合。在這些快速得到的精準(zhǔn)模型當(dāng)中，還可以把更多的可變化的因素考慮進(jìn)去，其中就包括源和負(fù)載的阻抗?fàn)顟B(tài)、所施加的直流偏置電壓、電流值、甚至溫度信息等。

有兩種方法可以用來生成X參數(shù): 從是德科技先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)的電路級原理設(shè)計(jì)生成X參數(shù)，或者使用是德科技PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)測量(NVNA) 應(yīng)用程序直接測量出X參數(shù)。

要想從ADS 的電路級原理圖中得到X參數(shù)，首先需要在ADS中設(shè)計(jì)好電路原理圖。電路原理圖完成之后，就可以把頻率、直流偏置、溫度和其他重要的參數(shù)輸入給ADS用來產(chǎn)生X參數(shù)的應(yīng)用程序(X-parameter Generator —X參數(shù)生成器)。這個(gè)工具使用電路級的設(shè)計(jì)來計(jì)算可供ADS諧波平衡或電路包絡(luò)仿真使用的器件或模塊的X參數(shù)。ADS的X 參數(shù)產(chǎn)生器工作起來非常靈活，可以為非線性多端口器件在多音激勵(lì)以及負(fù)載牽引仿真的條件下產(chǎn)生X 參數(shù)。因此，在ADS中使用參數(shù)提取器不僅可以對放大器、混頻器等電路進(jìn)行X參數(shù)提取，還能夠?qū)Χ嗉壔祛l鏈路等復(fù)雜電路進(jìn)行X參數(shù)提取。

如果希望通過對器件的測量快速而精準(zhǔn)地得到X參數(shù)，需要使用在是德科技PNA-X 上實(shí)現(xiàn)的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析(NVNA)的測量技術(shù)。NVNA 直接測量被測器件(DUT) 的X參數(shù)，這些通過測量得到的X參數(shù)可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA測量X參數(shù)的時(shí)候，充分利用了PNA-X內(nèi)置的兩個(gè)高性能激勵(lì)源，其中的一個(gè)激勵(lì)源用大信號(hào)激勵(lì)被測器件使其達(dá)到大信號(hào)工作點(diǎn)，同時(shí)第二個(gè)激勵(lì)源可以以各種適當(dāng)測量頻率和相位的信號(hào)給被測器件施加小的測量激勵(lì)信號(hào)。

目前業(yè)界已經(jīng)使用X參數(shù)對功率放大器進(jìn)行了X參數(shù)的模型提取及仿真，顯示了X參數(shù)模型的精確性。同時(shí)，使用X參數(shù)也能夠成功表征檢波器的非線性模型。

X參數(shù)還能夠支持級聯(lián)模型仿真。

使用NVNA對混頻器進(jìn)行測試，建立X參數(shù)模型，可以對混頻器的變頻損耗、RF-IF泄漏、LO-IF泄漏以及混頻器的高次交調(diào)產(chǎn)物等進(jìn)行建模，如圖5所示。

在沒有條件進(jìn)行X參數(shù)提取時(shí)，可以將P2D模型作為X參數(shù)的補(bǔ)充，建立非線性模型庫。

P2D模型本質(zhì)是功率相關(guān)的大信號(hào)S參數(shù)，存儲(chǔ)若干功率點(diǎn)對應(yīng)的S參數(shù)，是寬帶放大器模型之一。其缺點(diǎn)顯而易見，僅考慮了器件的基波，高次諧波完全沒有考慮。但是P2D模型能夠預(yù)測寬帶增益壓縮特性，故能夠在多芯片系統(tǒng)中用來描述放大器特性。早在2002年，是德科技（原安捷倫）就成功應(yīng)用P2D模型對頻率為1至12GHz的多芯片系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和測試結(jié)果的對比。

P2D模型的另一優(yōu)點(diǎn)是測量非常簡單，只需要使用ADS中的連接管理器（Connection Manager）通過GPIB或LAN就能夠控制是德科技的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（包括HP時(shí)代的8720等型號(hào)以及ENA、PNA），讀取放大器的P2D模型。

4、模型庫的創(chuàng)建

在獲得了一定數(shù)量的模型，并進(jìn)行歸類整理后，可以進(jìn)行模型庫創(chuàng)建的工作。在此，使用ADS自帶的DesignGuide Developer Studio進(jìn)行模型庫的創(chuàng)建工作。主要工作可以分為以下幾步：

將模型作為子電路加入模型庫；

在位圖編輯器中新建元器件圖標(biāo)或?qū)σ延袌D標(biāo)進(jìn)行修改，編輯元器件列表，排列圖標(biāo)并編輯操作內(nèi)容，如元器件對應(yīng)位圖、幫助文檔調(diào)用等；

設(shè)置元器件庫的版本號(hào)，并進(jìn)行編譯，發(fā)布壓縮包。

此時(shí)，其他射頻或系統(tǒng)工程師只需要在本地計(jì)算機(jī)上安裝元器件庫壓縮包，即可將自定義的元器件加入到ADS器件庫中，方便的進(jìn)行調(diào)用。然后可以根據(jù)需求，進(jìn)行射頻鏈路搭建或系統(tǒng)仿真。圖6為安裝了自定義模型庫后的原理圖界面。

5、結(jié)論

使用ADS平臺(tái)，能夠針對大多數(shù)線性、非線性器件進(jìn)行建模、測試，同時(shí)建立元器件模型庫，以應(yīng)用到射頻鏈路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以大大提高工程師的設(shè)計(jì)效率。

通過規(guī)范元器件的原理圖以及幫助、說明文檔，可以讓現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)得以傳承、改進(jìn)，避免因人員變動(dòng)而引起的元器件模型丟失。

通過定期對元器件庫進(jìn)行更新，輔助電子管理流程，可以讓射頻系統(tǒng)工程師快速利用現(xiàn)有器件對新系統(tǒng)進(jìn)行搭建，同時(shí)考慮指標(biāo)的符合情況等。

作者：是德科技軟件應(yīng)用工程師- 謝成誠，張濤

參考文獻(xiàn)
1、J. Verspecht and D. E. Root, “Poly-Harmonic Distortion Modeling,” in IEEE Microwave Theory and Techniques Microwave Magazine, June, 2006.
2、D. Vye, Fundamentally changing nonlinear microwave design, Microwave Journal, March 2010
G. Simpson et al., “Load-pull + NVNA = enhanced X-parameters for PA designs with high mismatch and technology-independent large-signal device models”, ARFTG Microwave Measurement Symposium, 2008 72nd
3、J. Wood, G. Collins, ”Investigation of X-parameters measurements on a 100 W Doherty power amplifier,” Microwave Measurements Conference , 2010 75th
4、J.M, Horn, J. Verspecht, G. Gunyan, L. Betts, D.E.Root, J, Eriksson, “X-Parameter Measurement and Simulation of a GSM Handset Amplifier”, Microwave Integrated Circuit Conference, 2008. EuMIC 2008. European
5、A.S.Boaventura, A.R. Testera, N.B.Carvalho, M.F.Barciela, “Using X-parameters to model diode-based RF power probes”, Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International
7、J. Horn, D.Gunyan, L.Betts, C.Gillease, J.Verspecht, D.E.Root, “Measurement-based large-signal simulation of active components from automated nonlinear vector network analyzer data via X-parameters”, Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems, 2008. COMCAS 2008
8、Chengcheng Xie, Tao Zhang, Di Liu, “Using X-parameters to model Mixers”, International Conference on Microwave and Millimeterwave Technology (ICMMT), 2012
9、J.wood, X. Qin, a. Cognata, “Nonlinear microwave/RF system design and simulation using Agilent ADS“System-Data Models””, BMAS 2002

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