第九講S參數(shù)仿真第九講S參數(shù)仿真

在進(jìn)行射頻／微波電路設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電路理論已不再適用，需要采用分布參數(shù)電路的分析方法。這時(shí)可以采用復(fù)雜的場(chǎng)分析法，但更多的是采用微波網(wǎng)絡(luò)法來分析電路。對(duì)于微波網(wǎng)絡(luò)而言，最重要的參數(shù)就是s參數(shù)。在PC平臺(tái)邁入GHz階段之后，從計(jì)算機(jī)的中央處理器、顯示界面、存儲(chǔ)器總線到I／O接口，全部進(jìn)入高頻傳送的階段，所以現(xiàn)在不僅在射頻微波電路設(shè)計(jì)時(shí)需要了解S參數(shù)相關(guān)知識(shí)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)甚至消費(fèi)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)也需要對(duì)相關(guān)知識(shí)有所掌握。本章通過實(shí)例介紹ADS2009實(shí)現(xiàn)S參數(shù)仿真的原理和方法。在進(jìn)行射頻／微波電路設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電路理論已不再適用，需要采9．1S參數(shù)仿真基本原理及功能在低頻電路中，元器件的尺寸相對(duì)于信號(hào)的波長而言可以忽略(通常小于波長的1/10)，這種情況下的電路被稱為節(jié)點(diǎn)（Lump)電路，此時(shí)可以采用常規(guī)的電壓、電流定律來進(jìn)行電路計(jì)算。但是在高頻／微波電路中，由于波長較短，組件的尺寸就無法再被視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，某一瞬間組件上所分布的電壓、電流會(huì)不一致。因此基本的電路照論不再適用，而必須采用電磁場(chǎng)理論中的反射及傳輸模式來分析電路。元器件內(nèi)部電磁波的進(jìn)行波與反射波的干涉使電壓和電流失去了一致性，電壓電流比為穩(wěn)定狀態(tài)的固有特性也不再適用，取而代之的是“分布參數(shù)”的特性阻抗觀念，此時(shí)的電路以電磁波傳送與反射為基礎(chǔ)要素，即反射系數(shù)、衰減系數(shù)、傳送的延遲時(shí)間。9．1S參數(shù)仿真基本原理及功能

分布參數(shù)電路采用場(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過于復(fù)雜，因此需要一種簡化的分析方法。微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，用電路的分析方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)，將“場(chǎng)”的問題轉(zhuǎn)化為“路”的問題來解決。一般地，利于一個(gè)有Y、Z和S參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)是可以實(shí)際測(cè)量和分析的，其個(gè)Y稱為導(dǎo)納系數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)。Z和Y參數(shù)對(duì)于集總參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便地測(cè)試。但是在微波系統(tǒng)中，由于確定非TEM波電壓、電流的困難性，而且在微波頻率測(cè)量電壓和電流中也存在實(shí)際困難，因此在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，等效電壓和電流，以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得較抽象。與直接測(cè)量入射波、反射波及傳輸被概念更加一致的是散射參數(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。分布參數(shù)電路采用場(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過于復(fù)雜，因此需

S參數(shù)是建立在入射波、反射被關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口些反射信號(hào)，以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來描述電路網(wǎng)絡(luò)。同N端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗產(chǎn)導(dǎo)納參數(shù)一樣，用散射參數(shù)也能對(duì)N端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善的描述。阻抗和導(dǎo)納參數(shù)反映了端口的總電壓和電流的關(guān)系，而散射參數(shù)是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參數(shù)可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到，而且可以用網(wǎng)絡(luò)分析法來計(jì)算。下面以二端口網(wǎng)絡(luò)為例說明S參數(shù)的含義，如圖所示。S參數(shù)是建立在入射波、反射被關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，

二端口網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)S參數(shù)，Sij表示能量從J口注入，在i口測(cè)得的能量，如S11定義為從Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數(shù)的物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò)的特性如下所述。S11

：端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)S12；端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)S21＝S12；對(duì)于對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)S11＝S22；對(duì)于無耗網(wǎng)絡(luò)(S11)2+(S22)2＝1S21S12S11S22Port1Port2S21S12S11S22Port1Port2

2．S參數(shù)在電路仿真中的應(yīng)用

ADS仿真器中都可以找到S參數(shù)模塊，用戶可以對(duì)每個(gè)S參數(shù)進(jìn)行設(shè)置完成相應(yīng)的仿真。同時(shí)，用戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)要生產(chǎn)的PCB進(jìn)行精確的S參數(shù)測(cè)量。用戶還可以采用元器件廠家提供的S參數(shù)進(jìn)行仿真，當(dāng)電容器安裝在不同類型的PCB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，最好在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量S參數(shù)。但無論如何，為了進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真，無法回避使用S參數(shù)模型，無論這些數(shù)據(jù)是來自設(shè)計(jì)師的親自測(cè)量，還是直接從元器件廠家獲得，這是由高頻電子電路的特性所決定的。2．S參數(shù)在電路仿真中的應(yīng)用S參數(shù)仿真的主要功能包括以下5個(gè)方面：獲得器件或電路的S參數(shù)，并可以將該參數(shù)轉(zhuǎn)換成Y參數(shù)或Z參數(shù)。仿真群延時(shí)仿真線性噪聲分析頻率改變對(duì)小信號(hào)的影響仿真混頻器電路的S參數(shù)S參數(shù)仿真的主要功能包括以下5個(gè)方面：9.2S參數(shù)仿真面板與仿真控制器

ADS中有專門針對(duì)S參數(shù)仿真的元件面板，在“Simulation-S_Param”類元件面板中提供了所有S參數(shù)仿真需要的控件，如圖所示。9.2S參數(shù)仿真面板與仿真控制器

1)S參數(shù)仿真控制器S參數(shù)仿真控制器(SP)：是控制S參數(shù)仿真最主要的控件。可以設(shè)置S參數(shù)仿真的頻率掃描范圍；仿真執(zhí)行參數(shù)和噪聲分析相關(guān)參數(shù)等。1)S參數(shù)仿真控制器S參數(shù)仿真控制器(SP)：是控制S參數(shù)

雙擊S參數(shù)仿真控制器，彈出參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)卡，可以通過該選項(xiàng)卡對(duì)SP參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(1)Frequency：S參數(shù)仿真要在一定頻率范圍內(nèi)執(zhí)行，因此在S參數(shù)仿真執(zhí)行前通過S參數(shù)仿真控制器設(shè)置窗口中的[Frequency]選項(xiàng)卡對(duì)頻率參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖所示。雙擊S參數(shù)仿真控制器，彈出參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)卡，可以通過該選項(xiàng)卡(2)Parameters：S參數(shù)仿真中的參數(shù)計(jì)算、頻率轉(zhuǎn)換、仿真狀態(tài)信息顯示和仿真結(jié)果保存等參數(shù)，用戶可以通過[Parameters]選項(xiàng)戶進(jìn)行設(shè)置，如圖所示。參數(shù)計(jì)算(Calculate)：設(shè)置仿真過程中計(jì)算的參數(shù)，包括S參數(shù)、Y參數(shù)、Z參數(shù)和群延時(shí)參數(shù)。用戶可以選中需計(jì)算的參數(shù)，仿真結(jié)束后可以在仿真結(jié)果中查看這個(gè)參數(shù)。頻率轉(zhuǎn)換(FrequencyConversion)；決定是否允許進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。如果選中此項(xiàng)，則可以執(zhí)行帶有頻率轉(zhuǎn)換的S多數(shù)仿真。(2)Parameters：S參數(shù)仿真中的參數(shù)計(jì)算、頻率轉(zhuǎn)換仿真狀態(tài)顯示(Statuslevel)：設(shè)置仿真狀態(tài)窗口中顯示信息的多少。其中，“0”表示顯示很少的仿真信息，“1”和“2”表示顯示正常的仿真信息，“3”和“4”表示顯示較多的仿真信息。器件的操作點(diǎn)信息設(shè)置(Deviceoperatingpointlevel)：設(shè)置數(shù)據(jù)文件是否保存原理圖中的有源器件和部分線性器件的操作點(diǎn)。其中，“None”表示不保存有源器件和部分線性器件的操作點(diǎn)相關(guān)系數(shù)，“Brief”表示僅保存部分元件的電流、功率和一些線性器件的參數(shù)?！癉etailed”表示保存所有直流仿真的工作點(diǎn)值，如電流、電壓、功率和線性器件參數(shù)。仿真狀態(tài)顯示(Statuslevel)：設(shè)置仿真狀態(tài)窗口中3)Noise：在S參數(shù)仿真卡同樣可以進(jìn)行噪聲分析，噪聲分析的相關(guān)參數(shù)可以通過[Noise]選項(xiàng)產(chǎn)進(jìn)行設(shè)置，如圖所示。

是否執(zhí)行噪聲分析(Calculate)：用S參數(shù)仿真過程中是否執(zhí)行噪聲分析,如果選擇不執(zhí)行噪聲分析，[Noise]選項(xiàng)卡中的其他參數(shù)設(shè)置無效。

噪聲輸入端口(Noiseinputport)：設(shè)定噪聲分析時(shí)噪聲的輸入端口。

噪聲輸出端口(Noisecontributors)：設(shè)定噪聲分析時(shí)噪聲的輸出端口。

3)Noise：在S參數(shù)仿真卡同樣可以進(jìn)行噪聲分析，噪聲分析噪聲來源分析(Noisecontributors)：設(shè)定噪聲分析時(shí)各噪聲來源的分類方法。噪聲顯示的動(dòng)態(tài)范圍(Dynamicrangetodisplay)：設(shè)定噪聲顯示的范圍噪產(chǎn)帶寬(Bandwidth)：設(shè)定噪聲分析帶寬噪聲來源分析(Noisecontributors)：設(shè)定噪

2)S參數(shù)仿真測(cè)試平臺(tái)控件(SPLab)：它專門用于建立S參數(shù)仿真的測(cè)試平臺(tái)，其參數(shù)與S參數(shù)仿真控制器參數(shù)相同。2)S參數(shù)仿真測(cè)試平臺(tái)控件(SPLab)：它專門用于建3)參數(shù)掃描計(jì)劃控制器(SWEEPPLAN)：主要用于設(shè)置仿真中的參數(shù)掃描計(jì)劃。用戶可以通過該控制器添加一個(gè)或多個(gè)掃描變量，并制定相應(yīng)的掃描計(jì)劃。3)參數(shù)掃描計(jì)劃控制器(SWEEPPLAN)：主要用于設(shè)置4)參數(shù)掃描控制器(PARAMETERSWEEP)：用于設(shè)定仿真中的掃描參數(shù)。該控制器設(shè)定的掃描參數(shù)可以在多個(gè)仿真實(shí)例中使用。4)參數(shù)掃描控制器(PARAMETERSWEEP)：用于

5)S參數(shù)仿真設(shè)置控制器(OPTIONS)主要用于進(jìn)行：S參數(shù)仿真時(shí)環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、仿真的收斂性、仿真的狀態(tài)提示和輸出文件特性等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。5)S參數(shù)仿真設(shè)置控制器(OPTIONS)主要用于進(jìn)行

6)終端負(fù)載終端負(fù)載(Term)如圖所示，用于定義端口標(biāo)號(hào)及設(shè)定各端口終端負(fù)載阻抗。

7)最大增益控件最大增益控件〔MaxGain)如圖所示，用于在仿真結(jié)果中添加仿真電路的最大增益數(shù)據(jù)組。6)終端負(fù)載終端負(fù)載(Term)如圖所示，用于定義端口

8)功率增益控件(PwrGain）:用于在仿真電路中添加仿真電路功率增益的數(shù)據(jù)組。

9)電壓增益控件(VoltGain)：用于在仿真結(jié)果中添加仿真電路電壓增益的數(shù)據(jù)組。10)電壓駐波比控件(VSWR)：用于在仿真結(jié)果中添加仿真電路各端口電壓駐波比的數(shù)據(jù)組。8)功率增益控件(PwrGain）:用于在仿真電路中添加仿11)增益波紋控件(GainRipple):用于在仿真結(jié)果中添加仿真電路增益波紋的數(shù)據(jù)組。

12)輸入導(dǎo)納控件(Yin):用于在仿真結(jié)果中添加仿真電路輸入導(dǎo)納的數(shù)據(jù)組。用戶在仿真結(jié)束后可以直接在數(shù)據(jù)顯示窗口中查看仿真電路或仿真網(wǎng)絡(luò)的輸入導(dǎo)納。

13)輸入阻抗控件(Zin):用于在仿真結(jié)果中添加仿真電路輸入阻抗的數(shù)據(jù)組。11)增益波紋控件(GainRipple):用于在仿真結(jié)果14)史密斯圓圖控件：是射頻電路分析中最有效和最直觀的工具。ADS提供各種史密斯圓圖工具，如各種增益圓圖、噪聲系數(shù)原圖和穩(wěn)定性原圖等。用戶可以在原理圖中通過這些控件計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)添加到仿真結(jié)果中。14)史密斯圓圖控件：是射頻電路分析中最有效和最直觀的工具。9.3S參數(shù)仿真的一般過程

(1)選擇器件模型并建立電路原理圖。

(2)確定需要進(jìn)行S參數(shù)仿真的I/O端，并在“Simulation-SParam”元件面板中選擇終端負(fù)載控件Term分別連接在電路的I/O端口。

(3)在“Simulation-S_Param”元件面板列表中選擇S參數(shù)仿真控制器SP，并放置在電路圖設(shè)計(jì)窗口中。

(4)雙擊S參數(shù)仿真控制器，在[Frequency]選項(xiàng)卡中對(duì)交流仿真中頻率掃描類型和掃描范圍等進(jìn)行設(shè)置。

(5)如果掃描變量較多，則需要在“Simulation-S_Param”元件面板中選擇“PARAMETERSWEEP”控件，在其中設(shè)置多個(gè)掃描變量，以及每個(gè)掃描變量的掃描類型和掃描參數(shù)范圍等。

9.3S參數(shù)仿真的一般過程(6)如果需要計(jì)算電路的群延時(shí)特性，則需要在S參數(shù)仿真控制器參數(shù)設(shè)置窗口中選擇[Parameters]選項(xiàng)卡，在“Calculate”項(xiàng)中選中“Groupdelay”，允許在仿真中計(jì)算群延時(shí)參數(shù)。(7)如果需要對(duì)電路進(jìn)行線性噪聲分析，則需要在S參數(shù)仿真控制器參數(shù)設(shè)置窗口的[Noise]選項(xiàng)卡中選小“Calculatenoise”項(xiàng)，允許在仿真中計(jì)算線性噪聲，然后分別設(shè)置噪聲的輸入端口、輸出端口、噪聲來源分類方式、噪聲的動(dòng)態(tài)范圍和噪聲帶寬等內(nèi)容。(8)設(shè)置完成后，執(zhí)行仿真。(9)在數(shù)據(jù)顯示窗口中查看仿真結(jié)果。(6)如果需要計(jì)算電路的群延時(shí)特性，則需要在S參數(shù)仿真控制器9.4ADS中S參數(shù)仿真案例本節(jié)通過案例米簡單說明S參數(shù)仿真的一般過程。

[案例9-1]建立并執(zhí)行運(yùn)放的S參數(shù)及相關(guān)內(nèi)容仿真

1)S參數(shù)仿真9.4ADS中S參數(shù)仿真案例第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件

2)計(jì)算群延時(shí)群延時(shí)可以通過測(cè)量端口問信號(hào)傳輸時(shí)間來得到。對(duì)行為特性要求嚴(yán)格的器件(如放大器和濾波器)，通常采用群延時(shí)分析相位失真。2)計(jì)算群延時(shí)群延時(shí)可以通過測(cè)量端口問信號(hào)傳輸時(shí)間來得第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件3)線性噪聲仿真3)線性噪聲仿真第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件9.5S參數(shù)仿真實(shí)例本節(jié)將通過案例進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)S參數(shù)仿真過程中參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化及數(shù)據(jù)輸出等相關(guān)內(nèi)容，使讀者對(duì)S參數(shù)仿真有更全面的認(rèn)識(shí)。

[案例9-2]理想元件電路搭建及仿真。1．基本S參數(shù)仿真1)創(chuàng)建原理圖9.5S參數(shù)仿真實(shí)例第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件3)寫出改變終端阻抗的方程3)寫出改變終端阻抗的方程第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件4)在數(shù)據(jù)顯示窗口中計(jì)算感抗、容抗值4)在數(shù)據(jù)顯示窗口中計(jì)算感抗、容抗值第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件5)代入L和C的計(jì)算值并仿真5)代入L和C的計(jì)算值并仿真第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件2．匹配電路設(shè)計(jì)2．匹配電路設(shè)計(jì)第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件3．參數(shù)優(yōu)化3．參數(shù)優(yōu)化第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件對(duì)總的優(yōu)化參數(shù)仿真對(duì)總的優(yōu)化參數(shù)仿真第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九講S參數(shù)仿真ppt課件第九