S參數測量

S參數測量是射頻設計過程中的基本手段之一。這些測量結果可被用在當今的計算機輔助設計(CAD)工具中，以作為電路仿真過程的一部分。S參數將元件描述成一個黑盒子，并被用來模擬電子元件在不同頻率下的行為。在有源和無源電路設計和分析中經常會用到S參數，本文重點討論如何利用 CAD 方法把S參數融入到設計過程中。

S參數自問世以來已在電路仿真中得到廣泛使用。針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都許諾具有用S參數進行仿真的能力。在許多仿真器中我們都可以找到S參數模塊，設計人員會設置每一個具體S參數的值。下面通過例子進一步說明如何將S參數用于低噪聲放大器(LNA)設計。

S參數為穩定性分析和增益環分析等提供必需數據。然而，LNA 設計還需要小信號噪聲參數(如 Nfmin、Sopt和Rn)，以便能在仿真器中構造提供特定噪聲系數所需的噪聲環。表中給出了在1GHz頻率下測量到的一組 S參數和噪聲參數。

圖1：包含噪聲分析設置的S參數仿真電路圖。

在執行仿真之后，即可對數據進行后處理，以獲得設計LNA所需的信息(圖2)。

圖2：設計LNA所需的噪聲環和增益環信息。

這種分析顯示出了使用S參數所帶來的強大性能和多功能性。在實際設計流程中，這個過程非常有用，因為可以利用矢量網絡分析儀(VNA)測量S參數，然后將參數用在仿真中。為擴展這種基本能力，在不同頻率下測量到的S參數可采用仿真器支持的格式進行保存。兩種可通過VNA建立并能被ADS使用的文件格式是citifile和touchstone。這種方法比單點 S參數具有更高的靈活性。在實際工作中，對于不能使用現有 SPICE 或緊湊型模型的各種器件，設計工程師都會獲得來自元件廠商的數據，或通過實驗室測量而獲得數據。本文將主要討論touchstone文件格式，因為它是這兩種格式中更加流行的一種。

設計工程師能在互聯網上找到制造商提供的各種S參數測量結果，也有可能獲得他們所在公司存檔的測量數據。這通常是一個好的開始，但這些數據通常是在與最終應用環境不同的環境中測得的。這可能在仿真中引入很大的誤差。例如，當電容器安裝在不同類型的印制電路板時，電容器會因為安裝焊盤和電路板材料(如厚度、介電常數等)而存在不同的諧振頻率。固態器件也會遇到類似問題(如 LNA 應用中的晶體管)。為避免這些問題，當在實驗室中進行參數測量時，最好將器件裝配在與將要生產的PCB相同的PCB上。

圖3：電感器的S參數結果(a)和SAW濾波器的S參數結果(b)。

在使用touchstone文件的時候，設計工程師還要考慮仿真頻率偶爾處于該數據文件范圍之外的情況。軟件能提供外插數據或停止仿真的機制，因為在部分或全部的頻率范圍內并沒有有效的數據。兩種流行的外插技術是：(1)使用最接近的已知數據點和常數外插；(2)使用兩個最接近的已知數據點進行線性外插。這兩種外插技術得到結果都是近似的，如果數據點選擇得不合適，會存在很大誤差，甚至導致仿真不收斂。圖3給出了兩個示例。

在圖3例子中，兩個數據文件在50MHz至6GHz頻率范圍內都有數據。在電感器的S參數結果中，線性外插在 50MHz 處產生了一個拐點，這與預期的電感器特性不符合。當使用線性外插器時，表面聲波濾波器在約8.5GHz處出現“增益”突變，而無源元件是不可能產生這種情況的。使用者需要知道touchstone文件中有用的頻率范圍，并選擇合適的外插器。解決這個問題的另一方法是以手工方式將直流點或高頻值增加到touchstone文件中，這種方法可消除不正確外插帶來的風險。

S參數數據文件的一個非常重要的特性是仿真器在數據范圍內應同樣具有內插能力，但前提可能是需要在特定響應范圍內有極為接近的數據樣本，否則有可能完全喪失響應的重要特征(例如高Q值電路的諧振)。在這種情況下，設計工程師應首先進行寬帶測量，然后對重點關注他們感興趣的窄帶，用更高的頻率分辨率進行第二次測量，最后以手工方式組合這些文件。這些文件是ASCII數據文件，可以用任何文本編輯器對之進行編輯。

大信號S參數

前面的討論根據定義默認S參數是線性的。對CAD用戶來說，這意味著器件要么是無源器件，要么被假設工作在仿真器響應的線性范圍內。因此，對于S參數分析，即使是在大信號激勵的情況下測量，輸出也不會產生諧波。那么，這些大信號S參數在設計過程中有多大的有效性呢？當沒有其它可用的模型時，S參數提供黑盒子式的電路描述，即使對大信號分析來說。

在大信號分析中使用S參數的一個好處是可以獲得包含S參數測量結果的數據文件，此S參數測量結果是功率和頻率的函數(也稱為大信號S參數)。在 ADS 仿真器中，它由P2D文件完成。P2D 文件由被稱為 Amplifier P2D的專用仿真器組件調用。P2D文件要優于大信號touchstone文件，因為根據定義，touchstone文件用于小信號功率級，而 P2D文件提供不同頻率和功率下的S參數。利用軟件可以很方便地創建測量得到的P2D文件。換句話說，軟件能夠控制儀器，并生成 P2D文件。也可以通過仿真結果創建P2D文件。

下面分析例子以說明P2D數據模型的有效性。首先，我們分析在固定輸入頻率下功率放大器(PA)的輸出功率與輸入功率的關系，如圖4a所示。也可以利用P2D文件仿真輸出功率與頻率的關系，如圖4b所示(固定的輸入功率)。

P2D和touchstone文件的另一大用處是系統級分析。例如，有時需要看一下連接上述PA和雙路復用器(用touchstone文件表示)之后的輸出結果。電路圖和分析結果如圖5所示。

電路包絡仿真中的調制源也可使用這些數據文件。P2D 文件是待測器件(DUT)在單音激勵下的性能的簡短描述，因此可認為它是一種調諧模型。這意味著當設計工程師在 ADS 中使用Amplifer P2D組件時，僅得到該組件定義頻率下的 S參數(請記住：在輸出處也沒有諧波)。因此，非常寬的調制帶寬有可能產生較大的誤差，特別是當鄰道測量結果也是有用的時候。例如，圖6是被饋送到P2D 模型和分立電路模型的調制載波的輸出。需要注意的是，在調制帶寬內有兩個看來似乎相同的信號，隨著信號遠離載波頻率，這兩個信號的頻譜密度變得不同。

使用Touchstone文件和P2D文件的另一個非常重要的好處，是能較早地了解設計的性能。在項目早期階段，系統工程師可能需要估算鏈路預算容限，并了解 PA 的性能。典型方法是使用電子表格型的參數，如增益、1dB壓縮點、IP3等。這一直以來都是主流的方法。但現在，利用一個文件就可以得到實際測量的性能，以應用到分析過程中去。實現這種情況的一個好例子是P2D 文件可提供比電子表格更高的精度。另一種使用方法可能涉及知識產權的保護。P2D文件和touchstone文件可直接從仿真器中產生。因此在電路設計期間，IC廠商或設計團隊也能為系統設計團隊或客戶提供設計數據，以確定所提議的設計是否符合整個系統要求，而無需等到實際生產出硬件之后才能確定。

數據模型文件的精度是這種方法獲得成功的關鍵。基于測量的文件具有與測量結果同樣的精度，并應盡可能地模擬實際的系統設計狀況(偏置、溫度等)。請注意，如果是設計是時變電路(例如功率控制環)，或存在很強的記憶效應，它們是不能被記錄或包括在 P2D模型中的。

理解如何使用touchstone 和 P2D 文件對射頻電路設計非常有用。此外，P2D文件還能提高仿真速度。在非常復雜的設計仿真中，P2D查找表使得采用P2D模型的設計比離散設計的仿真速度快幾個數量級。

審核編輯 ：李倩