線性和非線性RF電路仿真傳統上占據了不同的領域。為了仿真級聯的小信號增益和損耗，RF設備設計人員傳統上轉向廣泛使用的S參數器件模型。由于缺乏數字形式的數據（例如IP3、P1dB和噪聲），以及流行RF仿真器中歷來缺乏頻變模型結構，非線性仿真傳統上更具挑戰性。RF電路設計人員通常使用自制電子表格來計算級聯噪聲和失真。然而，這些電子表格難以仿真系統級特性，例如誤差矢量幅度（EVM）和相鄰通道泄漏比（ACLR），當信號鏈由調制信號驅動時，這些特性變得相關。

本文將探討一些將線性S參數數據與非線性數據（如噪聲系數、IP3、P1dB和P）相結合的RF放大器模型結構坐.我們還將展示系統級仿真的結果，以評估真實世界行為建模的準確性。

S 參數

S 參數數據集是迄今為止使用最廣泛的射頻仿真模型。這些是標準化的表格數據集，由輸入回波損耗、增益、反向隔離和輸出回波損耗與頻率的關系組成，全部采用矢量格式。數據通常在小信號條件下收集，驅動信號遠離信號壓縮點。S參數通常用于仿真級聯增益、設計輸入和輸出匹配網絡以及評估穩定性。但是，它們不包含有關設備的噪聲、壓縮或失真特性的信息。

是德科技系統參數

表1顯示了ADPA7002（18 GHz至44 GHz、0.5 W功率放大器）的系統參數數據集的一部分。是德科技定義了系統參數器件模型結構，用于其 PathWave 射頻合成 （Genesys） 和 PathWave 系統設計 （SystemVue） 射頻電路和系統模擬器。數據集的表格結構由 S 參數數據與噪聲、三階互調和 1 dB 壓縮數據（索引頻率）組成。這些數據集提供了足夠的信息，可以仿真RF信號電平、級聯增益和反向隔離。然而，IP3、P1dB和噪聲系數數據的包含為仿真RF功率掃描和信噪比提供了可能性。還可以在器件的工作頻率范圍內仿真 ACLR 和 EVM 等高階信號特性。

ADI公司擁有豐富的RF放大器和混頻器系統參數庫，可供下載，也包含在是德科技Genesys和SystemVue的安裝中。圖 1 顯示了是德科技 Genesys 的屏幕截圖。ADI公司的系統參數庫可通過器件選擇器輕松訪問。每個設備的系統參數設備模型由表 1 中顯示的數據以及模型的“屬性”窗口中包含的其他信息組成。此附加數據包括電源信息以及 P 的默認偏移坐和 OIP2，相對于 OP1dB。

圖1.是德科技 Genesys 的屏幕截圖顯示了一個典型的系統參數模型。

評估系統參數模型的準確性

為了評估系統參數模型的準確性，我們現在將在測量結果和仿真之間進行一系列比較。圖2顯示了HMC788A（10 MHz至10 GHz RF增益模塊）在10 GHz下進行功率掃描的測量和仿真結果。我們可以看到，模擬的功率掃描與測量數據非常接近。仿真器使用器件的增益和OP1dB數據以及P坐_Delta生成所示的繪圖。在這種情況下，P坐_Delta為 2 dB。這導致 P坐比OP1dB電平高2 dB的值，這是GaAs RF放大器的典型默認值。

圖2.砷化鎵 （GaAs） 射頻放大器的測量和仿真功率掃描。

圖3.模擬和測量 AM 到 AM 和 AM 到 PM 失真。

圖4.HMC1114的功率掃描仿真和測量，HMC1114是一款3.2 GHz的10 W GaN放大器。

AM至AM和AM-TO-PM失真

為了仔細研究模擬的壓縮特性，我們可以看看AM到AM和AM到PM失真。HMC930A的測量和仿真結果如圖3所示。測得的AM-AM到AM失真與仿真非常吻合。但是，仿真表明沒有AM-to-PM失真，這是不正確的。這是因為設備模型和數據集僅包含小信號相位信息（即 S21）。而模擬器可以使用OP1dB和P坐_Delta來自器件模型的數據來估計AM-to-AM失真，它沒有任何大信號S參數數據可供使用。在這種情況下，使用更復雜的模型（如 X 參數格式）是合適的（X 參數模型具有內置的與級別相關的 S 參數）。

仿真氮化鎵放大器的功率掃描

圖4顯示了10 W氮化鎵（GaN）RF放大器HMC1114LP5DE在3.2 GHz時的功率掃描。GaN RF放大器往往具有比GaAs器件更軟的壓縮特性。這需要調整 P坐_Delta - 即 1 dB 壓縮點與飽和點之間的差異。在這種情況下，根據觀察到的測量結果，該增量已設置為 7 dB。雖然模擬器在某些情況下會因為增量較大而生成警告，但它仍將正確模擬并生成與測量性能非常匹配的結果。

ACLR 仿真

隨著我們從CW測量和仿真轉向調制信號行為，系統參數數據集的價值也在增加。雖然器件數據手冊中提供了有關器件增益、壓縮、IP3和噪聲系數的信息，但在為通用用途設計的器件數據手冊中不太可能找到顯示調制信號性能的曲線。此外，如果沒有仿真或測量，ACLR 和 EVM 等指標就不容易預測。

圖5顯示了0.25 W驅動放大器ADL5320由5 MHz寬載波驅動時的2140 MHz功率掃描的仿真結果。仿真載波由11個均勻分布的子載波組成，ACLR在5 MHz載波偏移下測量。

圖5.ACLR 模擬。

仿真表明，ACLR 在 –15 dBm 的輸入功率下達到最佳值。低于此輸入功率時，ACLR 會隨輸入電平逐 dB 而降低。圖的此區域由數據集中的噪聲系數數據主導。當輸入功率增加到–15 dBm以上時，ACLR的降級速率與器件的IP3密切相關。值得注意的是，此仿真的結果依賴于噪聲系數數據（低功耗）和IP3數據（高功率），以產生在寬功率范圍內準確的ACLR掃描。

該圖還包括測量數據（藍色）。對于 –15 dBm 的輸入功率電平，它無法達到相同的最佳電平;這是由于測量設置的局限性。值得注意的是，隨著輸入功率電平的增加，測得的ACLR下降得更快。這是因為器件的OIP3會隨著輸入/輸出功率電平而略有下降（理想情況下，它不應該改變）。設備型號數據集中的 IP3 是單個數據集，不會隨功率級別而變化;它可以被認為是設備的小信號IP3。這又是一個實例，其中 X 參數模型及其更復雜的水平依賴性建模可能會產生更準確的模擬。

EVM 仿真

系統參數模型也可用于可靠地仿真 EVM。圖6顯示了EVM與RF功率電平的測量和仿真掃描結果，其中輸入信號是驅動ADL5602的1 MSPS、16 QAM載波，這是一個50 MHz至4 GHz增益模塊。這表明在低功率和高功率水平下的測量和仿真之間具有出色的相關性。

溫度模擬

ADI庫中的默認系統參數數據集僅包含環境溫度數據。但是，可以通過向包含溫度數據的數據集添加其他選項卡來擴展模型。圖7顯示了18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的數據集。該數據集具有單獨的選項卡，其中包含相同的增益、噪聲和失真數據，但在–55°C、+25°C和+85°C時。 Genesys和SystemVue模擬器使用這三個數據點在其他溫度下生成插值數據，如圖7所示。

ADS 中的模擬

系統參數數據集是是德科技 Genesys 和 SystemVue 的原生數據集，但在是德科技 ADS 中不起作用。有一種解決方法是將系統參數數據集導入 ADS，允許執行噪聲、失真和壓縮模擬。這涉及使用放大器2模型。Amplifier2 型號是是德科技 ADS 的原生型號，提供與系統參數型號類似的功能。圖8所示為包含放大器2模型的ADS原理圖。該原理圖還包含兩個數據訪問元件：DAC1 和 DAC2。這些DAC用于將系統參數數據與放大器2模型相關聯。噪聲系數、OIP3和OP1dB數據被格式化為文本文件，并使用DAC1組件與放大器2模型相關聯。DAC2 組件用于將 S 參數數據與放大器 2 模型相關聯。這在 ADS 中生成了一個放大器 2 模型，可用于執行所有已經討論過的仿真，但在是德科技 ADS 中。

必須小心使用此方法。當執行RF功率掃描時，Amplifier2模型被嚴重壓縮，仿真性能往往與觀察到的測量性能明顯偏差。此外，創建使用 S 參數數據以及噪聲、失真和壓縮數據的 Amplifier2 模型最適合具有良好基線輸入和輸出回波損耗（S11 和 S22）的器件;ADI公司的大多數RF放大器都不需要外部RF匹配元件。通過向DAC1組件添加標量增益并省略S參數數據（即省略DAC2），可以創建更簡單的放大器2模型。

圖6.模擬和測量寬帶增益模塊的 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系。

結論

系統參數數據集是一種新型的實用射頻放大器仿真工具。它們比 S 參數更強大，后者不對噪聲、失真和壓縮進行建模。它們不像 X 參數模型那樣復雜，可以改善模型級別相關的行為，例如 AM 到 PM 失真和 ACLR。但是，系統參數模型具有簡單的表格結構，可以通過將S參數數據與噪聲系數、OIP3和OP1dB數據相結合來輕松創建。模擬數據和測量數據的比較顯示出出色的一致性。雖然系統參數模型不能在 ADS 中使用，但可以遵循一個相對簡單的過程來使用 Amplifier2 模型結構遷移數據集，該結構是 ADS 原生的。

審核編輯：郭婷