【導讀】傳統上，線(xiàn)性和非線(xiàn)性RF電路仿真占據了不同領(lǐng)域。為了仿真級聯(lián)小信號增益和損耗，RF設備設計人員傳統上一直廣泛使用S參數器件模型。由于缺乏數字形式的數據（如IP3、P1dB和噪聲），而且常用RF仿真器中歷來(lái)沒(méi)有頻率變化模型結構，所以傳統方式中非線(xiàn)性仿真更具挑戰性。RF電路設計人員通常采用自制的電子表格來(lái)計算級聯(lián)噪聲和失真。但是，這些電子表格難以模擬系統級特性，例如誤差矢量幅度(EVM)和鄰道泄漏比(ACLR)；當信號鏈由調制信號驅動(dòng)時(shí)，這些特性變得很重要。
本文將探討一些將線(xiàn)性S參數數據與非線(xiàn)性數據（如噪聲系數、IP3、P1dB和PSAT）相結合的RF放大器模型結構。本文還會(huì )展示系統級仿真結果，以評估其對實(shí)際特性建模的準確程度。
表1.典型Sys參數數據集
S參數
S參數數據集是迄今為止使用非常廣泛的RF仿真模型。它們是標準化的表格式數據集，包括不同頻率下的輸入回波損耗、增益、反向隔離和輸出回波損耗，所有這些均為矢量格式。數據一般在驅動(dòng)信號遠低于信號壓縮點(diǎn)的小信號條件下收集。S參數通常用于級聯(lián)增益仿真、輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的設計以及穩定性的評估。然而，S參數不包含器件的噪聲、壓縮或失真特性的信息。
Keysight Sys-參數
表1列出了18 GHz至44 GHz、0.5 W功率放大器ADPA7002的sys-參數數據集的一部分。該sys-參數器件模型結構由Keysight定義，用于其PathWave RF頻率合成(Genesys)和PathWave系統設計(SystemVue) RF電路與系統仿真器。數據集的表格結構包括了不同頻率下的S參數數據以及相應的噪聲、三階交調和1 dB壓縮數據。這些數據集提供了足夠的信息，支持對RF信號電平、級聯(lián)增益和反向隔離進(jìn)行仿真。但是，IP3、P1dB和噪聲系數數據的納入為RF功率掃描和信噪比仿真提供了可能性。另外，還可以在器件的工作頻率范圍內進(jìn)行高階信號特性仿真，例如ACLR和EVM。
ADI公司維護著(zhù)一個(gè)豐富的RF放大器和混頻器sys-參數庫，該庫可供下載，而且也包含在Keysight Genesys和SystemVue安裝程序中。圖1顯示了Keysight Genesys的屏幕截圖。ADI公司的sys-參數庫可通過(guò)器件選擇器輕松獲取。每個(gè)器件的sys-參數器件模型均包含表1所示的數據，以及模型屬性窗口中包含的額外信息。此額外數據包括電源信息以及PSAT和OIP2相對于OP1dB的默認偏移。
圖1.Keysight Genesys屏幕截圖，展示了典型的sys-參數模型。
評估sys-參數模型的準確性
為了評估sys-參數模型的準確性，我們現在將對實(shí)測結果和仿真進(jìn)行一系列比較。圖2顯示了HMC788A（10 MHz至10 GHz RF增益模塊）在10 GHz時(shí)的功率掃描的實(shí)測和仿真結果?？梢钥吹?，仿真功率掃描與實(shí)測數據非常接近。仿真器使用器件的增益和OP1dB數據以及PSAT_Delta來(lái)生成所示的圖形。在本例中，PSAT_Delta為2 dB。這導致PSAT值比OP1dB水平高2 dB，這是GaAs RF放大器的典型默認值。
圖2.砷化鎵(GaAs) RF放大器的實(shí)測和仿真功率掃描。
圖3.AM到AM和AM到PM失真的仿真和測量。
圖4.HMC1114（3.2 GHz、10 W GaN放大器）的仿真和實(shí)測功率掃描。
AM到AM和AM到PM失真
為了更細致地研究仿真壓縮特性，我們可以看看AM到AM和AM到PM失真。圖3所示的實(shí)測和仿真結果是針對 HMC930A的。測得的AM到AM失真與仿真非常接近。但是，仿真結果看不出AM到PM失真，這是不正確的。這是因為器件模型和數據集僅包含小信號相位信息（即S21）。雖然仿真器可以使用器件模型中的OP1dB和PSAT_Delta數據來(lái)估算AM到AM失真，但它沒(méi)有任何大信號S參數數據可供使用。在這種情況下，使用更詳細的模型，例如X-參數格式（X-參數模型內置與電平相關(guān)的S參數），會(huì )很合適。
氮化鎵放大器的功率掃描仿真
圖4顯示了10 W氮化鎵(GaN) RF放大器 HMC1114LP5DE在3.2 GHz時(shí)的功率掃描。GaN RF放大器的壓縮特性往往比GaAs器件要緩和得多。這需要調整PSAT_Delta，即1 dB壓縮點(diǎn)與飽和點(diǎn)之差。在這種情況下，基于觀(guān)察到的測量值，該變化量已設置為7 dB。雖然仿真器在某些情況下會(huì )因變化量較大而產(chǎn)生警告，但它仍會(huì )正確仿真并產(chǎn)生與實(shí)測性能非常接近的結果。
ACLR仿真
隨著(zhù)我們從CW信號測量和仿真轉向調制信號，sys-參數數據集的價(jià)值變得更大。雖然有關(guān)器件增益、壓縮、IP3和噪聲系數的信息可在器件數據手冊中輕松獲得，但顯示調制信號下性能的曲線(xiàn)不大可能在為一般用途而設計的器件數據手冊中找到。另外，如果不進(jìn)行仿真或測量，ACLR和EVM之類(lèi)的指標也不容易預測。
圖5顯示了0.25 W的驅動(dòng)放大器 ADL5320在2140 MHz時(shí)，由5 MHz寬載波驅動(dòng)下的功率掃描的仿真結果。仿真載波由11個(gè)均勻間隔的子載波組成，ACLR在5 MHz載波偏移下進(jìn)行測量。
圖5.ACLR仿真。
仿真表明，ACLR在–15 dBm的輸入功率下達到了最優(yōu)值。在此輸入功率以下，ACLR以1 dB/dB的比率隨輸入功率而降低。曲線(xiàn)的此區域主要由噪聲系數數據決定。當輸入功率提高到–15 dBm以上時(shí)，ACLR的衰減速率與器件的IP3密切相關(guān)。值得注意的是，此仿真的結果依賴(lài)于噪聲系數數據（低功率時(shí)）和IP3數據（高功率時(shí)）來(lái)產(chǎn)生在寬功率范圍內都很準確的ACLR掃描。
該圖還包括實(shí)測數據（藍色）。對于–15 dBm的輸入功率水平，它未達到相同的最優(yōu)水平，這是由于測量設置的限制所致。值得注意的是，隨著(zhù)輸入功率水平的增加，實(shí)測ACLR下降得更快。這是因為器件的OIP3會(huì )隨輸入/輸出功率水平而稍有下降（理想情況下，它不應改變）。器件模型數據集中的IP3是單個(gè)數據集，不隨功率水平而變化；可以認為它是器件的小信號IP3。這又是一個(gè)X-參數模型及其更詳細的電平相關(guān)性建?？赡軙?huì )產(chǎn)生更準確仿真的例子。
EVM仿真
sys-參數模型還可用來(lái)可靠地進(jìn)行EVM仿真。圖6顯示了EVM相對于RF功率掃描的實(shí)測和仿真結果，輸入信號為1 MSPS、16 QAM載波，驅動(dòng)50 MHz至4 GHz增益模塊 ADL5602。這表明在低功率和高功率水平下，測量與仿真之間都有出色的相關(guān)性。
溫度仿真
ADI庫中的默認sys-參數數據集僅包含環(huán)境溫度數據。但是，通過(guò)向包含溫度數據的數據集添加額外工作表可以擴展模型。圖7顯示了18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器 ADPA7007的數據集。該數據集具有多個(gè)工作表，包含–55°C、+25°C和+85°C下的增益、噪聲和失真數據。Genesys和SystemVue仿真器可以利用這三個(gè)數據點(diǎn)生成其他溫度下的插值數據，如圖7所示。
在A(yíng)DS中進(jìn)行仿真
sys-參數數據集對Keysight Genesys和SystemVue是原生數據集，但不適用于Keysight ADS。有一種解決辦法可以將sys-參數數據集導入ADS，從而進(jìn)行噪聲、失真和壓縮仿真。這需要使用Amplifier2模型。Amplifier2模型對Keysight ADS是原生的，提供與sys-參數模型類(lèi)似的功能。圖8顯示了包括Amplifier2模型的ADS原理圖。該原理圖還包含兩個(gè)數據訪(fǎng)問(wèn)器件：DAC1和DAC2。這些DAC用于將sys-參數數據與Amplifier2模型相關(guān)聯(lián)。噪聲系數、OIP3和OP1dB數據格式化為文本文件，并通過(guò)DAC1器件與Amplifier2模型相關(guān)聯(lián)。DAC2器件用于將S-參數數據與Amplifier2模型相關(guān)聯(lián)。這將在A(yíng)DS中產(chǎn)生一個(gè)Amplifier2模型，使用該模型可執行上面討論過(guò)的所有仿真，但是在Keysight ADS中執行。
使用此方法時(shí)須小心。當執行RF功率掃描，Amplifier2模型被強驅進(jìn)入壓縮時(shí)，仿真性能往往與觀(guān)察到的實(shí)測性能有很大差異。此外，創(chuàng )建一個(gè)使用S-參數數據及噪聲、失真和壓縮數據的Amplifier2模型，適合于具有良好基線(xiàn)輸入和輸出回波損耗（S11和S22）的器件，大多數不需要外部RF匹配器件的ADI RF放大器就是這種情況。通過(guò)將標量增益添加到DAC1器件并省略S-參數數據（即省略DAC2），可以創(chuàng )建一個(gè)更簡(jiǎn)單的Amplifier2模型。
圖6.寬帶增益模塊的仿真和實(shí)測EVM功率掃描。
圖7.18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的仿真增益和噪聲系數與溫度的關(guān)系。
結論
sys-參數數據集代表了一種新穎且有用的RF放大器仿真工具。它們比S-參數更強大，后者不能進(jìn)行噪聲、失真和壓縮建模。它們不像X-參數模型那么復雜，后者可以改善依賴(lài)模型級別的特性，例如AM到PM失真和ACLR。但是，sys-參數模型具有簡(jiǎn)單的表格式結構，可以通過(guò)將S-參數數據與噪聲系數、OIP3和OP1dB數據結合起來(lái)輕松創(chuàng )建。仿真和實(shí)測數據的比較顯示出極好的一致性。盡管sys-參數模型無(wú)法在A(yíng)DS中使用，但可以利用一個(gè)相對簡(jiǎn)單的流程來(lái)遷移數據集，以使用ADS原生的Amplifier2模型結構。
ADI公司致力于維護和擴充其sys-參數模型庫。隨著(zhù)新模型添加到庫中，我們將增加對溫度仿真的支持。
圖8.在使用Amplifier2模型的Keysight ADS中使用sys-參數數據。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
