可重構帶通濾波器電路仿真分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u21598可重構帶通濾波器電路仿真分析案例概述 11271.1S參數仿真與可重構功能 1198311.2穩(wěn)定性 4312131.3噪聲系數 6256301.4線性度 71.1S參數仿真與可重構功能S參數全稱為Scatter參數，是描述系統(tǒng)頻域特性的一個重要參數。其有四個特征參數值：S11為輸入反射系數，表征輸入回波損耗；S12為反向傳輸系數，表征隔離；S21為正向傳輸系數，表征增益；S22為輸出反射系數，表征輸出回波損耗。該參數可以表征出微波系統(tǒng)的絕大多數性能。除了S參數之外，還有Y參數（導納參數）和Z參數（阻抗參數），在3.3.1節(jié)可變電容電路仿真中所采用的就是Y參數。值得注意的是，在獲得S參數后可以計算出另外兩個參數值，因此S參數是微波系統(tǒng)，也就是分布參數電路的核心分析方法。對于濾波器的S參數仿真，從S21可以看出中心頻率、帶寬及中心頻率增益，S11和S22則分別表示電路輸入阻抗匹配和輸出阻抗匹配，實現理想阻抗匹配的S11和S22趨近于負無窮，而在工程應用中，一般取小于-10dB為阻抗匹配良好，不會對電路造成影響，當S11和S22大于0dB時，表示電路出現振蕩，一旦電路出現振蕩，信號就會紊亂，整個系統(tǒng)均無法工作，因此需要使得系統(tǒng)的全頻段內S11和S22小于0dB。本文所設計的濾波器的S參數仿真結果如圖4-1所示，從圖4-1(a)至圖4-1(f)分別為4GHz-6GHz、步進400MHz的六個頻點處的S參數仿真，同時將控制信號參數記錄與表4-1中。其中，圖左側為3-7GHz頻段仿真的S21參數；圖右側為1-10GHz頻段仿真的S11和S22參數，從圖中可以看出，在每個頻點下，其帶寬均為200MHz，3dB帶寬內插入損耗均大于-8dB，且阻抗匹配良好，系統(tǒng)沒有發(fā)生振蕩，均滿足基本性能需求。為了觀察可重構功能對每個頻點處性能的變化，將六個頻點的S21與S11、S22合并于圖4-2中，可以看出，隨著中心頻率的增加，增益也隨之增加，這是因為中心頻率增加，帶寬不變，則濾波器品質因數（Q值）增加，即負阻結構補償能量增加，因此使得增益提高，插損較小。其輸入輸出匹配雖然均滿足阻抗匹配性能要求，但是卻先趨于更加良好，后稍微有所惡化，這是由于寬帶匹配設計時，首先考慮中點頻率處，即5GHz下的阻抗匹配，因此在中點頻率附近阻抗匹配性能最為良好。由此可以看出，該電路較好的實現了可重構濾波器功能。(a)(a)(b)(c)(d)圖4-14-6G頻段六個頻點S參數仿真結果(a)4GHz(b)1.4GHz(c)1.8GHz(d)5.2GHz(e)5.6GHz(f)6GHz(c)(d)(e)(f)續(xù)圖4-14-6G頻段六個頻點S參數仿真結果(a)4GHz(b)1.4GHz(c)1.8GHz(d)5.2GHz(e)5.6GHz(f)6GHz(f)圖4-2各頻點處S21、S11和S22對比表4-1濾波器各中心頻率對應的控制電壓中心頻率DC3（電容控制電壓）DC4（負阻控制電壓）4GHz2.291V0.6V1.4GHz2.096V0.462V1.8GHz2.037V0.417V5.2GHz1.988V0.39V5.6GHz1.933V0.363V6GHz1.827V0.327V1.2穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠正常工作的保證，其仿真性能指標有以下兩個：一個是StabFact（穩(wěn)定系數），另一個為Stab_Delta（穩(wěn)定變量）；系統(tǒng)穩(wěn)定要求S11和S22小于0dB，同時上述兩個參數中，StabFact應大于1，且越大越好，Stab_Delta則應小于1。在ADS仿真中，這兩個系數的仿真方法為：StabFact系數采用ADS自帶的“StabFact”控件仿真，如圖4-3所示；Stab_Delta則采用公式計算而得，其計算公式為：Stab_Delta=abs(S11?S22?S12?S21)(4-1)電路穩(wěn)定性仿真如圖4-4所示，從圖中可以看出，對于各個頻點，其系統(tǒng)均保持較好的穩(wěn)定性。同時也可以看出隨著中心頻率的增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性逐漸降低，這是由于頻率增加時Q值增加，負阻增大，能量補償增加使得系統(tǒng)趨向于不穩(wěn)定。圖4-3StabFact控件(a)(a)(b)圖4-4電路穩(wěn)定性仿真結果(a)4GHz(b)1.4GHz(c)1.8GHz(d)5.2GHz(e)5.6GHz(f)6GHz(c)(c)(d)(e)(f)(e)(f)1.3噪聲系數系統(tǒng)噪聲會影響系統(tǒng)信號容量，這是由于當系統(tǒng)信號小于噪聲時，信號將湮沒于噪聲中無法識別，因此系統(tǒng)的噪聲決定了信號下限，由信噪比表征。而噪聲系數可以表示系統(tǒng)引入的噪聲大小，在外界噪聲不變時，噪聲系數越小，系統(tǒng)輸出噪聲越小，系統(tǒng)性能越好。該系統(tǒng)在各個頻點的噪聲系數如圖4-5所示，其采用nf(2)噪聲仿真。仿真結果可以看出，在所有頻段中，4GHz噪聲最高，為13.7，但仍小于15，該系數滿足工程要求，因此具有良好的噪聲性能。隨著頻點的頻率增加，其噪聲系統(tǒng)逐漸減小，這是由于在頻率增加時，系統(tǒng)中間級增益增加，由級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數公式可以看出，增益增加導致噪聲系數降低。(a)(b)(c)((a)(b)(c)(d)(e)(f)1.4線性度前面所述，系統(tǒng)內噪聲決定了信號強度的下限，而本節(jié)所介紹的線性度則決定了信號強度的上限。當信號超過系統(tǒng)1dB功率壓縮點時，信號就會出現較為嚴重的失真，因此系統(tǒng)的線性度決定了系統(tǒng)信號容量的上限，在濾波器中，其衡量指標為1dB壓縮點。本文所設計的濾波器系統(tǒng)1dB壓縮點仿真方法有HarmonicBalance（諧波平衡法）和XDB（增益壓縮法）兩種，其中諧波平衡法采用HarmonicBalance控件，通過仿真輸出功率隨輸入功率的變化，獲得輸出功率-輸入功率曲線，之后通過減法運算獲得輸出功率與輸入功率之差，當該差值從最大值減小1dB時，對于輸入功率為輸入1dB壓縮點，輸出功率為輸出1dB壓縮點。對于濾波器，只需要觀察輸入1dB壓縮點。而采用增益壓縮法，則需要引入XDB控件，可以直接獲得測試頻率下的1dB壓縮點。為了觀察某一中心頻率濾波器的系統(tǒng)全頻率線性度，可引入ParameterSweep控件，控制變量為測試頻率，變量范圍為所需觀察的頻段。兩種方式各有優(yōu)缺點，諧波平衡法可以較為直觀的了解功率壓縮的定義和測量方法，而增益壓縮法可以測量某一頻段內各頻率的1dB壓縮點。雖然方法不同，但是兩種測量結果卻相同。通過采用兩種方式分別仿真，其仿真結果分別如圖4-6和4-7所示，可以看出中心頻率處在4-5GHz頻段內，其線性度在-14dB以內，具有良好的線性性能；而當中心頻率處在5-6GHz頻段內時，其線性度較差，但是仍在-20dB左右，符合超外差接收機的濾波器應用指標。(a)(a)(b)(c)(d)圖4-6諧波平衡法測量1dB壓縮點仿真結果，(a)4GHz(b)1.4GHz(c)1.8GHz(d)5.2GHz(e)5.6GHz(f)6GHz，各圖中上圖為輸出功率-輸入功率曲線，下圖為差值-輸入功率曲線((e)(f)續(xù)圖4-6諧波平衡法測量1dB壓縮點仿真結果，(a)4GHz(b)1.4GHz(c)1.8GHz(d)5.2GHz